猎德大桥粘滞阻尼器参数与试验

猎德大桥粘滞阻尼器参数分析与试验研究摘要：本文以广州猎德大桥振动台试验为实际工程背景，研究了非线性粘滞阻尼器对该桥抗震性能的影响。对非线性粘滞阻尼器的两个参数即阻尼系数C和阻尼指数ξ进行了参数敏感性分析研究，确定了纵向粘滞阻尼器的合理参数；并按照相似比制作了粘滞阻尼器模型，安装于1：60猎德大桥全三维缩尺模型上，进行了全桥振动台试验。研究结果表明，通过选择适当的粘滞阻尼器的参数，可以有效降低结构在地震作用下关键部位的相对位移，同时也改善了结构构件的地震力。关键词：桥梁；抗震分析；非线性动力时程分析；粘滞阻尼器；试验研究引言近年来，通过引入减震、隔震装置来提高桥梁结构的抗震性能正成为一个研究和应用的热点[1][4][5]，引入阻尼器来改善桥梁结构的抗震性能就是一个方面，其中，较为成熟且适用于大跨度桥梁主要是流体阻尼器。利用流体阻尼器进行结构振动控制研究始于上世纪80年代末，1992年美国纽约州立大学Baffalo分校在美国国家科学基金会的资助下，开始了粘滞流体阻尼器的研制。1994年天津大学采用单出杆粘滞阻尼筒进行结构振动的模型试验。1999年东南大学进行了粘滞流体阻尼器的研制和振动试验。1999年哈尔滨建筑大学进行了油缸间隙式粘滞阻尼器性能的试验研究。将粘滞性阻尼器首次应用于桥梁的是美国金门大桥的抗震加固工程。此外建设中的跨越希腊科林斯海峡的雷翁一安蒂雷翁大桥(Rion-AntirionBridge)和美国Oakland海湾桥西跨悬索桥加固，都使用了油阻尼器。重庆鹅公岩大桥和上海卢浦大桥等也安装了阻尼器。但总体来讲，在国内粘滞阻尼器在桥梁中应用的实例并不多，国内就粘滞阻尼器在桥梁结构抗震中的应用所开展的试验研究也较少。本文以广州猎德大桥抗震振动台试验为实际工程背景，对非线性粘滞阻尼器及其对该桥抗震性能的影响进行了研究。猎德大桥概况猎德大桥位于广州市新光快速路，属广州市新城市中轴线核心景观区域。主桥采用独塔两跨自锚式悬索桥，跨径布置为47m+167m+219m+47m。主塔塔身外观似两个贝壳状弧形壳体相扣，高131m。塔柱截面为单箱单室预应力砼结构，主桥采用扁平钢箱梁。图1所示为桥梁的立面布置图。根据猎德大桥的总体构造布置，建立结构动力特性和地震反应分析的三维有限元模型如图2，其中，主梁、塔、边墩和辅助墩用空间梁单元模拟；索用空间桁架单元模拟，桩基础也采用空间梁单元模拟，用“m”法考虑桩基土弹簧刚度。地震波采用《猎德大桥系统工程场地地震安全性评价》报告提供的地震动参数,选用其中超越概率为100年2％的地震波作为地震动输入。图1猎德大桥立面布置图图2动力计算图式非线性粘滞阻尼器非线性粘滞阻尼器的基本构造由活塞、油缸及节流孔组成。所谓节流孔是指具有比油缸截面积小的流通通路。这类装置是利用活塞前后压力差使油流过节流孔产生阻尼力，典型的粘滞阻尼器如图3所示。当阻尼力与相对变形的速度成比例时是线性的，当阻尼力与速度不成比例时，是非线性的，其关系可表达为：(1)其中为阻尼力，是阻尼系数，是速度，是指数（其值范围在0.12.0，从抗震角度看，常用值一般在0.21.0范围内）。其恢复力特性如图4所示，图中给出了阻尼器参数选取不同时，阻尼器滞回曲线形状的变化规律，当阻尼器参数=1时，其形状为椭圆。不同的桥型、场地条件等因素可能会导致在应用粘滞阻尼器的目的和策略上有显著的差异。从目前的研究和应用情况来看，总的说来在桥梁中应用阻尼器的目的可初略分为两类，一类是通过使用阻尼器来改善结构局部位置的抗震性能，这种情况下，使用阻尼器的数量和布置位置往往较少，只在有限位置设置阻尼器；另一种是使用阻尼器来改善全桥结构的抗震性能，这种应用往往比较困难，需布置大量阻尼器，且布置位置较多才可能会达到预期的目的。本文的粘滞阻尼器应用基本可归于第一类。图4阻尼器滞回环形状与指数图4阻尼器滞回环形状与指数ξ的关系图3粘滞阻尼器粘滞阻尼器参数分析通过对结构体系的综合考虑，确定阻尼器设置位置如下:在两个过渡墩处（5＃、9#墩）设置纵向阻尼器。从公式（1）可知，粘滞阻尼器参数C、ξ选取的不同，粘滞阻尼器对结构响应影响也不同。因此，需对结构引入粘滞阻尼器的情况进行结构响应分析，主要考虑对阻尼器参数C、ξ进行参数敏感性分析，分析研究这些参数变化对结构响应影响的变化规律，为粘滞阻尼器设计参数的确定及模型阻尼器的制造提供依据。通过非线性时程分析，对阻尼器设置在两个过渡墩处的情况进行结构地震响应分析比较，并以不设阻尼器的结构响应作为比较标准。综合考虑结构各个关键部位响应量的情况，即一方面利用阻尼器降低结构关键部位的位移；同时考虑利用阻尼器降低结构关键部位的受力，如过渡墩底等部位的轴力、剪力和弯矩等的响应量，通过分析比较这些响应量来确定粘滞阻尼器的合理参数。具体计算的响应量结果随粘滞阻尼器参数变化的规律见图5～8。描图县5详弃墩底弯矩乞图旺矮爬姥湾死剂夫究图虫6追狐梁端相对胀位移宇图软7袭炊墩底弯棍矩队专悬宴率奋秤壁恰惨图途8尝梁端相对面位移撕从削图顽5戴～冬8已看，墩底体弯矩随师ξ亦值增加而炮减小，塔后底弯矩竿从辈0.考2持～彩0.乘5芒衰减较快拌，后趋于定平缓；蹄随蹄C删值增加而斑增加，且败ξ避取值越小陕，增加趋矛势越快。颠倾向于阻倾尼系异数锋C棍取小值，析指数甜ξ闯取大值。摘关键部位特的位移响店应随最ξ旬值的增加烈而增加，穴随诚C知值的增加专而减小。予倾向饶于帅C绿取大值，绞指数浓ξ粱取小值。矛从这些变瓜化规律及悦结构关键涂部位的响品应量值来轿看，在以科不增加结程构构件内细力的前提鹿下，最大间限度的降播低关键部测位的位移疯为目的的摄条件下，高比较合适亭的阻尼器拜参数范围名约朗是芳C=30洞0扔0饿，僚ξ旷=0.镇5虹左右。辰表诵1跃给出选定溜参数情况劣下结构关事键部位的陈响应值。缩表事1用英控制截面屠内力乱截面位置付未设置阻补尼器肃设置阻尼章器溉轴蚊力猪P(kN遥)无剪杰力研V垦2芒(升kN)愈弯厉矩责M肝3赛(擦kN·m春)职轴胳力哨P(kN互)墓剪洞力模V遣2荷(姻kN)督弯塔矩麦M测3姿(船kN·m局)劝5盲#旷交界墩墩绢底循7.12冒E+03智4.31钳E+03松4.63胖E+04都6.99嫌E+03象3.86筝E+03献4.41文E+04钞6住#图中墩墩底麻1.58讨E+04屿4.62枝E+03需4.67斜E+04坐1.60剑E+04望4.62男E+03缸4.67堡E+04节8抢#苍中墩墩底本1.85原E+04痛4.59陶E+03葵4.29怠E+04嗓1.83天E+04助4.60从E+03刺4.30劈E+04禁9吵#协交界墩墩敏底肚6.79竹E+03宽4.06售E+03雨4.00死E+04娱6.92印E+03遵3.43此E+03忠3.76院E+04菌主塔塔底本截面球3.21隙E+04渔1.60国E+04激3.80夺E+05津3.22忙E+04悬1.59眼E+04塌3.22史E+05生粘滞阻尼稿器试验分辈析协4.早1哨模型阻尼悦器的设计业及制作只模型阻尼抓器相似常尤数的确定喉，依赖于收在猎德大径桥抗震振稠动台试验泳中，基本勤相似常数粪的选取。挎综合考虑袍试验场地站条件及全沈桥动力模扁型试验的破特点后，淹确定全桥汤模型的相魔似常数如妥下点表屠2倘示：少表虹2竭猎德大桥被振动台试棕验模型相杠似常数怀类别辟物理量窑单位耽符号雁相似常数达基本量纲蠢长度跪m容l均60胆弹性模量柔MPa膏E蹄12.9吩42蠢加速度配m/s控2芬a案1阀注：相似乏常数定义肤为原型物统理量与模滋型物理量甜之比通确定纵向灭阻尼器的焦阻尼参数享后，依据方表想2国提供的基劲本量纲的饱相似常数序，可以推帅导出模型茶阻尼器的道相似常柔数彻,岗即当苗＝响0.5励时陵，郑C立＝枣1673沫9库。讽据此可以绢制作出模半型阻尼器黎。模型阻律尼器见娱图茫9斤所示。该技模型阻尼贤器由上海脖材料所特彼别加工制藏作，并尽尊可能减小误其静摩擦鬼力。华图尼9董什模型阻尼上器构造图怠4.亲2国模型阻尼侨器试验分餐析粒猎德大桥眼的振动台娃模型试验前是在同济汗大学土木按工程防灾辰国家重点磁实验室的新振动台试驳验室内完戏成腰的库,众该振动台侍振动台面栏尺寸留为店4m×4降m余,根最大承载辞能力达邪到答2淡5浩吨出,变具有三向侧六自由度础试验能力所。纵向阻量尼器总装威示意图及芒安装大样海图分别如斩图纱1阔0考～撕1斤1伏所示。炕图某1般0罩纵向阻尼秧器总装示菌意图领图庭1散1捏纵向阻尼陶器安装示命意室图翁拖丹第墙试验中选坦取追《猎德大踢桥系统工松程场地地展震安全性萌评价》报糖告中提供径的超越概搏率汉为减10丛0让年细2址％的地震但波及有代牺表意义的勾El-C毁entr悬o勇波傻，作为地千震动输入康。检为全面考让察非线性畏粘滞阻尼贞器对该桥遮抗震性能纯的影响，遥分别在塔贩顶、塔腰顶及主梁上掌设置了位丸移计，在踏塔底断面颠处设置了圾应变测点难，对结构剃在安装阻撞尼器前后冷作了振动泡台试验。搏图肿1骄2聪～惯1怒5汽分别为安币装纵向阻裙尼秀器前后象，晨10苹0柿年膜2要%转纵抗向魄+家竖向及你El-C蝶entr式o浮波纵向计输入下梁并端位移的揭变化情况神如下。浩图意1劣6绍还示出了伶在均10鸦0请年伟2南%桶纵节向烈+盐竖向地震嫂波作用下哪，主塔塔赞底应力分缓布的情况异。棕图伤12险药梁端纵向棚位移留（苍10控0荷年清2铲%急纵徒+旅竖输入时）盘姿屡图酒1赖3窗梁端纵向系位移怕（尚El-c痕entr醉o腾纵向输入河）刘图志14率绩塔顶纵向县位移腊（乏10分0旋年涨2范%何纵甲+芦竖输入近）乔蛛殿图跳1冬5颤塔顶纵向即位移益（捕El-c很entr葡o固纵向输入奏）翠图卡1橡6卧塔底应力愚（叙10泄0看年帐2蜓%库纵杀+何竖输入）卧从爱图青1清2钻～奋图饭1绞5隐中可以看享出，地震辆动升为殊10境0番年消2考%毙安评波杰纵劈+飞竖向输入惨时，使用普阻尼器后谨，主梁梁乔端位移减站少晚了次38.喂2环％，塔顶焦位移减少珍了江33.施8废％；地震最动为获El-C所entr酷o麦波纵向输船入蓝时，使用扇阻尼器后诱，主梁梁穴端位移减虑少了馒约盗33.吉3刷％，塔顶普位移减少渐了洽3染7肥％。从率图居1数6执中可以看送到，使用除阻尼器后魔，主塔塔录底截面应弦力也有所谱减少。且锄反应了角座点处应力美集中现象烦的存在。5结论敌本文以广区州猎德大乱桥振动台课试验为实水际工程背乳景，靠利用非线追性动力时帜程分析方她法，对非熄线性粘滞搬阻尼器的浮两个参数胀即阻尼系咳数灿C畏和阻尼指施数衔ξ属进行了参绢数敏感性俘分析研究虑；陈并按照一矮定的相似锡比车制作了粘贼滞阻尼器谈模型，在来同济大学健防灾国家网重点实验沸室进行了羽全桥振动配台试验。性研究了非少线性粘滞呢阻尼器对谨该桥抗震否性能的影怒响，届并与未设康置粘滞阻吃尼器情况貌的地震响峡应进行了融比较。研魄究结果表体明，在主拆桥设置非零线性粘滞宿阻尼器后富，通过选聚择适当的敏粘滞阻尼她器的参数赴，可以有怀效降低结友构在地震赛作用下关臭键部位的将相对位移算，同时也处改善了结斩构构件的感地震力。致谢捕本文的研月究工作得贡到了重大属工程科研料专粉项舟“跨猎德大桥建抗震性能贡试验研究娇及分诱析羽”膀和国家自情然科学基签金项爸目将“崖深水航道淘高桩桥梁杨地震损伤昼机理研舰究晕”白（编号煤：涉5047消811胸2协）共同资据助，在此追一并表示饼感谢。参考文献涛范立础，纺桥梁抗钉震绞[M缸]道，上海：逢同济大学粥出版社狐，中199枣7华，躲11.铜Prie处stle台yM.长J.N.翼,F.咽Sei乖ble.桐,G.态M.C糕alvi换.,S肺eism足icD吧esig小nan贱dRe窑trof患ito是fBr撞idge毅s[M]注,Jo处hnW逃iley棋&S涂ons,碌New员Yor弹k,1机996.罩R.I.负Skin椒ne谅r盗，雷W.H表.Rob否inso猾n团，他G.H域.Mcv绞erry变迅（谢礼利蚂等译），省工程隔震宫概驼论军[M董]底，地震出泻版淡社插,199誉6局年戴.冒于泳波，条万振江，额刘健新，撑减震技术纲在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