大跨度斜拉桥粘滞阻尼器参数敏感性分析

摘" 要：为研究不同参数选择下非线性粘滞阻尼器对大跨度斜拉桥抗震性能的影响，以主跨为280 m的双塔双索面预应力混凝土斜拉桥为工程背景，对非线性粘滞阻尼器的关键参数进行敏感性分析，主要针对阻尼系数C和阻尼指数ξ，通过数值分析方法，确定粘滞阻尼器的最佳参数配置。结果显示，通过改变粘滞阻尼器的C与ξ参数可以调节梁端位移，随着阻尼参数的增大梁端位移逐渐减小；随着阻尼参数的增加，墩底剪力总体呈现增加趋势，墩底弯矩总体呈现减小趋势；该桥最佳阻尼器参数组合为ξ=0.3和Ｃ=2 000 kN·s·m-1。

关键词：大跨度斜拉桥；粘滞阻尼器；参数敏感性分析；抗震性能；数值分析

中图分类号：U442.55" " " 文献标志码：A" " " " " "文章编号：2095-2945（2024）35-0１１７-0４

Abstract： To study the influence of nonlinear viscous dampers on the seismic performance of long-span cable-stayed bridges under different parameter selections， a sensitivity analysis was conducted on the key parameters of nonlinear viscous dampers， mainly focusing on the damping coefficient C and damping index ξ， using a double tower double cable plane prestressed concrete cable-stayed bridge with a main span of 280 meters as the engineering background. The optimal parameter configuration of viscous dampers was determined through numerical analysis methods. The results show that the displacement of the beam end can be adjusted by changing the C and ξ parameters of the viscous damper， and the displacement gradually decreases with the increase of damping parameter; With the increase of damping parameters， the overall shear force at the bottom of the pier shows an increasing trend， while the bending moment at the bottom of the pier shows an overall decreasing trend. The optimal damper parameter combination for this bridge is ξ=0.3 and Ｃ=2 000 kN·s·m-1.

Keywords： large-span cable-stayed bridge; Viscous damper; Parameter sensitivity analysi; Seismic performance; numerical analysis

中国是一个地震多发、地震烈度高的国家，许多地方位于地震活动区[1-2]。作为交通的命脉，桥梁在地震后的灾害救援过程中扮演着至关重要的角色。一旦桥梁被地震摧毁，会对生命安全和财产安全造成很大的影响[3]。近年来，随着对桥梁结构抗震性能的深入研究，采用减震、隔振装置已经成为热门课题[4-6]。尤其在大跨度斜拉桥中，粘滞阻尼器因其卓越的减振效果而被广泛运用[7-11]。不仅在重庆的鹅公岩大桥和上海的卢浦大桥等桥梁中，已经成功引入了粘滞阻尼器来强化抗震能力，而且该技术的应用也得到了业界的广泛认可。然而，非线性粘滞阻尼器的应用仍需进一步探索和验证，以提供更加稳定可靠的抗震效果。在未来的研究和实践中，将会有更多的创新技术和方法涌现，为桥梁工程的安全保障提供有力支持。本文以长潭河溇水特大桥为背景，建立有限元全桥抗震模型，桥墩下方采用群桩基础，考虑桩土之间相互作用，桥墩与主梁之间设置非线性粘滞阻尼器（每个索塔配置2个，共4个）。分析阻尼器不同参数取值对该桥梁端位移、墩底弯矩、墩底剪力等地震响应的减震效果，研究大跨度双塔双索面预应力混凝土斜拉桥阻尼器力学参数的合理取值。

1" 工程概况

长潭河溇水特大桥桥跨布置为（2×30+5×40+（127+280+127）+5×40+2×30） m。主桥平面位于直线上，横坡2%双向坡，纵向2%单向坡。桥梁上跨娄水河、省道、乡道。溇水河为娃娃鱼保护区，2个主墩均不在水中，距离河岸最近主墩约40 m。主桥采用（127+280+127） m预应力混凝土斜拉桥。主梁采用π型梁，梁高2.4 m，主桥宽28.5 m。斜拉索采用空间双索面，中跨标准索距8 m，边跨加密区索距6 m。主塔采用H型花瓶式桥塔，主塔设置两道横梁。承台顶设置基座，基座高1.5 m。基础采用4×6-2.8 m直径桩基础。该桥立面布置图如图1所示。

2" 有限元模型

2.1" 有限元模型的建立

本次抗震计算采用midas/civil 2020程序，有限元模型建立如图2所示。

2.2" 粘滞阻尼器的布置

全桥计算模型采用4个粘滞阻尼器弹簧单元，考虑相对比较高阶的振型影响。如图2所示，桥墩编号从左至右依次为2#、3#，4#、5#、6#、7#、8#、9#、10#、11#、12#、13#、14#、15#。粘滞阻尼器的阻尼系数C和阻尼指数ξ决定了阻尼器的耗能性能，同时影响结构的减震效果，因此本文采用时程分析试算来决定最优阻尼参数。每个塔设置2个阻尼器，全桥共设置4个。本桥支座布置如下所述：①普通模式下8#、9#索塔采用双向活动支座；②在8#、9#索塔与梁之间各加装2个粘滞阻尼器（FD）单元。分析过程中不考虑活动支座的顺桥向摩擦力影响。

2.3" 地震波的选取及输入

根据JTG/T 2231-01—2020《公路桥梁抗震设计规范》，溇水河特大桥主桥为A类桥梁，桥址所在地抗震设防烈度为Ⅵ度，设计基本地震加速度为0.05g，地震反应谱特征值0.35 s，场地类别为Ⅱ类。根据地震安评单位提供《安评报告》该斜拉桥阻尼比取为0.03，阻尼采用瑞利阻尼。

根据地质安评报告，E1地震作用采用100 a超越概率10％的时程波，对应的重现期为950 a，用以检算强度跟应力；E2地震作用采用100 a超越概率4％的时程波，对应的重现期为2 500 a。在分析结构地震响应时，分别考虑顺桥向+竖向和横桥向+竖向地震力作用。E1、E2地震作用下各地震动时程曲线如图3、图4所示。

3" 粘滞阻尼器参数敏感性分析

3.1" 阻尼参数选取

粘滞阻尼器采用Maxwell粘弹性模型。Maxwell模型如图5所示。

Maxwell模型数学表达式为

F=k×dk=CVξ，

式中：k为串联弹簧的刚度（本文取106）；dk为弹簧变形量；C为阻尼器阻尼系数；V为相对运动速度（本文取1 m/s）；ξ为阻尼指数。

影响阻尼器阻尼力最关键的2个因素为阻尼系数C和阻尼指数ξ。在工程设计过程中，选择合适的参数至关重要，将直接影响阻尼器对结构的相应情况。在不同的结构和不同的项目中，选用的参数通常会不一样。因此，针对特定结构，在特定的工程环境下，应该进行系统的阻尼器参数分析，选用合适的参数可达到事半功倍的效果。

3.2" 阻尼器参数敏感性分析

不同阻尼参数下，梁端位移、墩底弯矩、墩底剪力、阻尼力变化曲线如图6所示。

从图6（a）、（b）可以看出，通过改变粘滞阻尼器的C与ξ参数可以调节梁端位移，随着C的增大与ξ的减小，梁端位移逐渐减小。

从图6（c）—（f）中可以看出，当ξ恒定时，随着C的增加，墩底最大弯矩力先减小后增大，并且存在明显的拐点，阻尼指数ξ在下降阶段趋于较小的0.3～0.4值，在上升阶段趋于较大的0.5～0.6值。

从图6（g）—（j）中可以看出，当ξ恒定时，随C的增加，墩底剪力总体呈现增加趋势，在C=2 000 kN·s·m-1处有明显的拐点。

从图6（k）、（l）中可以看出，当C值恒定时，随着阻尼参数ξ的增加，最大阻尼力一般呈减小趋势，当ξ值恒定时，随阻尼参数C的增加，最大阻尼力通常呈增加趋势。对于这座桥，当控制最大阻尼力是优化目标时，阻尼器参数往往采用较大的ξ值和较小的C值。

4" 结论

本文以长潭河溇水特大桥为背景，建立有限元全桥抗震模型，桥墩下方采用群桩基础，考虑桩土之间相互作用，桥墩与主梁之间设置非线性粘滞阻尼器（每个索塔配置2个，共4个）。分析阻尼器不同参数取值对该桥梁端位移、墩底弯矩、墩底剪力等地震响应的减震效果、全桥结构地震响应结果，并得出以下结论：①大跨度斜拉桥在桥墩与主梁之间设置非线性粘滞阻尼器（每个索塔配置2个，共4个）， 可以有效地减少主梁的纵向位移，提高其抗震性能，同时优化索塔的剪力和弯矩。不同的阻尼器参数对结构的影响不同。②根据分析结果，综合考虑安装与经济性，粘滞阻尼器最优参数为ξ=0.3，C=2 000 kN·s·m-1。

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