【《阻尼特性对某大跨度铁路悬索桥结构地震响应的影响分析案例》2900字】

阻尼特性对某大跨度铁路悬索桥结构地震响应的影响分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u18270阻尼特性对某大跨度铁路悬索桥结构地震响应的影响分析案例 1139881.1.1阻尼模型 1322771.1.2阻尼特性对结构地震响应的影响 2阻尼通常理解为材料分子间相对作用引起的摩擦产生的能量耗散。现阶段，学者们提出了很多材料的阻尼模型，如：常数阻尼、比例型阻尼（质量比例型、刚度比例型、瑞利阻尼）、基于应变能理论的振型阻尼等，但各种阻尼模型都有一定的局限性[67]。如何选用合适的阻尼模型对结构的动力计算非常重要。对于结构阻尼比，《公路桥梁抗震设计规范》（JTGT2231-01-2020）第9.3.7条规定：“斜拉桥的阻尼比不宜大于0.03，悬索桥的阻尼比不宜大于0.02。”实际工程中钢结构的阻尼比通常取0.01~0.02，混凝土结构的阻尼比可取0.03~0.05，不少学者给出了更加细致的阻尼比取值建议，比如对预应力混凝土结构取0.02~0.05，钢筋混凝土结构取0.04~0.07，焊接钢结构取0.02~0.04，螺栓连接钢结构取0.04~0.07等。本文依托的背景工程为一座大跨度铁路悬索桥，结构刚度大于一般公路悬索桥，且主塔结构为混凝土或钢混组合结构，因而阻尼比宜取0.02~0.03，本节将研究当采用瑞利阻尼和基于应变能理论的振型阻尼取不同的阻尼比时，桥塔和加劲梁地震响应计算结果的差异。阻尼模型现阶段常用的阻尼模型有常数阻尼、比例阻尼（质量比例型、刚度比例型、瑞利阻尼）和基于应变能理论的振型阻尼等。瑞利阻尼由结构质量矩阵和刚度矩阵组合而成，需要确定结构某两阶振型的阻尼比，以此来计算其余振型的阻尼比，一般情况下，两阶振型选取对结构有显著贡献的振型，只有振型选择恰当，所形成的瑞利阻尼才能真实反映结构的阻尼特性[68]。对于由多种材料组合而成的组合结构，虽然每种材料的子部件仍可采用比例阻尼模型，但一般情况下，整个结构体系的阻尼矩阵将不再是比例阻尼，其阻尼矩阵会更加复杂。对这类非比例阻尼体系，工程计算中常用简便的方法获取一个等效阻尼比或各阶阻尼比[69]。基于应变能理论的振型阻尼理论可以考虑不同材料不同阻尼比的影响，认为不同振型之间的阻尼比相互独立，它假定构件的材料阻尼对振型阻尼比的贡献与其应变能在结构整体振型势能中所占的比例成正比[70]，能够根据不同材料的阻尼比计算结构各阶振型的阻尼比，从而在结构的动力计算中精确的考虑不同材料阻尼比的影响，例如在钢混组合结构中就可以采用此阻尼模型考虑混凝土和钢结构不同阻尼比的影响。对于本文的计算分析，瑞利阻尼取两个主振型的频率与阻尼比，第一个主振型取结构的一阶振型，第二个主振型取各桥塔方案模型高阶振型中有显著贡献的某阶振型，振型阻尼比分别按0.02和0.03两种情况考虑。对于基于应变能理论的振型阻尼，桥塔钢材部分、加劲梁以及缆索系统的阻尼比取钢结构常用阻尼比0.02，塔柱核心混凝土部分以及混凝土主塔的阻尼比取混凝土结构常用阻尼比0.05。计算考虑前300阶振型的影响，采用基于应变能力理论的振型阻尼时，混凝土塔和组合塔1方案的前300阶振型的阻尼比见图334所示，混凝土塔方案和组合塔1方案的前250阶振型中大部分阻尼比均在0.02左右，最大值不超过0.05，混凝土塔的后20阶振型阻尼比约为0.05，组合塔1的后20阶振型阻尼比约0.35~0.04。总体来说，组合塔方案的各阶振型阻尼比都要小于混凝土塔方案。图3-34基于应变能理论的振型阻尼比阻尼特性对结构地震响应的影响本节计算仍考虑两种地震工况对结构地震响应的影响：工况1）纵向+竖向地震、工况2）横向+竖向地震，限于篇幅，本节仅列出混凝土塔方案和钢混组合塔1的计算结果，为方便作图和描述，将瑞利阻尼的基本振型阻尼比取0.02和0.03分别简称为瑞利阻尼1和瑞利阻尼2，基于应变能理论的振型阻尼简称为振型阻尼，并以振型阻尼为基准值，对瑞利阻尼1、瑞利阻尼2和振型阻尼的计算结果进行比较。（1）工况1地震作用结果工况1地震作用下的两种桥塔方案的桥塔内力图见图335~图340所示。图3-35混凝土塔轴力图3-36组合塔1轴力图3-37混凝土塔剪力图3-38组合塔1剪力图3-39混凝土塔弯矩图3-40组合塔1弯矩从桥塔内力图可知，工况1作用下不同的阻尼模型对桥塔的轴力影响最大，剪力次之，弯矩最小。对轴力来说，不同的阻尼模型不影响其分布规律，仅峰值不同，塔底轴力混凝土塔采用瑞利阻尼1和2相对振型阻尼增大了46.5%、40.4%，组合塔1增大了30.6%、26.0%。对剪力来说，采用振型阻尼与瑞利阻尼对下塔柱的剪力结果影响较大，尤其是塔底剪力，混凝土塔塔底剪力采用瑞利阻尼1和2相对振型阻尼增大了39.6%、37.6%，组合塔1增大了24.3%、18.6%。对桥塔弯矩来说，塔底弯矩混凝土塔采用瑞利阻尼1和瑞利阻尼2相对振型阻尼增大了13.5%、8.4%，组合塔1相对增大了9.7%、0.8%，组合塔1采用振型阻尼和瑞利阻尼2计算的桥塔弯矩结果非常接近。不同阻尼模型在工况1作用下的桥塔位移和加劲梁位移规律一致，仅列出位移峰值结果，详见表38。表38工况1结构位移（m）桥塔方案瑞利阻尼1瑞利阻尼2振型阻尼混凝土塔桥塔纵向位移0.1560.1480.141加劲梁纵向位移0.9270.8460.762加劲梁竖向位移0.2720.2480.238组合塔1桥塔纵向位移0.2040.1870.188加劲梁纵向位移0.9220.8410.758加劲梁竖向位移0.2710.2480.237工况1作用下，桥塔最大纵向位移混凝土塔采用瑞利阻尼相对振型阻尼分别增大了10.3%、4.8%，组合塔1相对增大了8.6%、-0.8%。加劲梁位移混凝土塔和组合塔基本一致，纵向位移采用瑞利阻尼相对振型阻尼分别增大了21.7%、11.0%，竖向位移相对增大了14.3%、4.6%。（2）工况2地震作用结果工况2地震作用下的两种桥塔方案的桥塔内力见图341~图346所示。图3-41混凝土塔轴力图3-42组合塔1轴力图3-43混凝土塔剪力图3-44组合塔1剪力与工况1类似，工况2作用下不同的阻尼模型对桥塔轴力影响最大，弯矩最小。塔底轴力混凝土塔采用瑞利阻尼1和2相对振型阻尼增大了27.2%、21.4%，组合塔1增大了27.2%、20.8%。对剪力来说，采用不同的阻尼模型对下塔柱的剪力结果影响很大，尤其是塔底剪力，混凝土塔塔底剪力采用瑞利阻尼1和2相对振型阻尼增大了39.8%、39.4%，组合塔1增大了44.5%、41.3%。对桥塔弯矩来说，塔底弯矩混凝土塔采用瑞利阻尼1和瑞利阻尼2相对振型阻尼增大了7.8%、4.4%，组合塔1相对增大了26.5%、16.9%，混凝土塔采用振型阻尼和瑞利阻尼计算的桥塔横向弯矩结果非常接近。图3-45混凝土塔弯矩图3-46组合塔1弯矩不同阻尼模型在工况2作用下的桥塔位移和加劲梁位移规律一致，仅列出位移峰值结果，详见表39。表39工况2结构位移（m）阻尼特性瑞利阻尼1瑞利阻尼2振型阻尼混凝土塔桥塔横向位移0.2300.2200.225加劲梁横向位移1.2741.1601.055加劲梁竖向位移0.2650.2390.255组合塔1桥塔横向位移0.5360.4900.454加劲梁横向位移1.7891.6311.305加劲梁竖向位移0.2440.2210.239工况2作用下，塔顶横向位移混凝土塔采用瑞利阻尼相对振型阻尼分别增大了2.3%、-2.3%，组合塔1相对增大了18.1%、7.8%。加劲梁横向位移混凝土塔采用瑞利阻尼相对振型阻尼分别增大了20.7%、10.0%，组合塔1相对增大了37.1%、25.0%；加劲梁竖向位移混凝土塔采用瑞利阻尼相对振型阻尼分别增大了4.0%、-6.4%，组合塔1相对增大了1.9%、-7.4%。综上，对桥塔内力而言，不同阻尼模型对桥塔轴力的影响较大，对桥塔弯矩的影响较小，振型阻尼的计算结果最小，瑞利阻尼的计算结果较大，且瑞利阻尼1和2的内力计算结果较接近。工况1作用