新型铅阻尼器在独塔自锚式悬索桥减震控制中的应用研究

1、桥 梁桥梁工程2013-03-08 16:15:17 0.00%新型铅阻尼器在独塔自锚式悬索桥减震控制中的应用研究技术部 周大兴（中铁建设集团有限公司 北京 100131）照片尺寸为20mm*30mm；最好不用红色背景摘 要 以某独塔自锚式悬索桥的减震控制为背景，对新型铅阻尼器（大行程板式铅阻尼器）的减震效果进行了分析研究。通过计算结果发现，只要阻尼器的选型（相关力学参数）恰当，大行程板式铅阻尼器的减震效果明显，且与粘滞阻尼器的相当。由于使用寿命长、构造简单、成本低，而且满足结构减震控制对大行程的需求，大行程板式铅阻尼器在独塔自锚式悬索桥减震控制中具有良好的应用前景。关键词 独塔自锚式悬索桥

2、减震控制 大行程板式铅阻尼器 粘滞阻尼器中图分类号 U441+.3 文献标识码 A 文章编号 Application Research on a New Kind of Lead Damper in Seismic Control of a Self-anchored Suspension Bridge with Single-towerZhou Daxing(China Railway Construction Group Co., Ltd. Beijing 100131, China) Abstract The research on damping effect of a new kin

3、d of lead damper (Lead Damper with Long Stroke) has been done with the background of the seismic control of a self-anchored suspension bridge with single-tower. Based on the results, the damping effect of the lead shear damper with long stroke is good and it is close to that of viscous damper as lon

4、g as the parameters are chosen properly. The structure of this kind of damper is simple, the service life is long and the processing cost is low. Whats more, it meet the demand of large displacement. So, it has a good prospect in damping control of a self-anchored suspension bridge with single-tower

5、.Keywords Self-anchored Suspension Bridge with Single-tower ; Damping Control ; Lead Damper with Long Stroke ; Viscous Damper桥梁工程桥梁工程1 引言收稿日期：科研项目：自锚式悬索桥施工关键技术研究（中铁建设集团有限公司科技研发计划LX11-19）独塔自锚式悬索桥造型美观、经济性好、对地形及地质状况适应性强，是中小跨径桥梁较为有竞争力的桥型。不过，其结构受力较地锚式悬索桥复杂，施工顺序也不同。另外，其动力特性表现出与斜拉桥类似的一面，即第一振型一般为“主梁纵飘”。在纵向地

6、震作用下，主梁将产生比较大的纵向位移，伸缩缝规模亦随之增大，而且主塔底部的弯矩也很大，甚至成为设计的控制因素。因此，采取有效的减震控制对策，减小纵向地震作用下结构的位移及内力响应，是其抗震设计的重要任务。目前，自锚式悬索桥的减震控制以粘滞阻尼器为主。如，广州猎德大桥、长沙市三汊矶湘江大桥、朝阳市黄河路大桥、西宁市海湖新区湟水河大桥和北京密云云蒙大桥等均采用了粘滞阻尼器的减震方案1-4。不过，由于粘滞阻尼自身的一些不足，其他类型的阻尼器及减隔震支座也逐渐被应用于自锚式悬索桥上。如，胡建华、杨孟刚等进行了自锚式悬索桥磁流变阻尼器减震控制研究5,6；杨军研究了一种金属耗能器，并分析了其在自锚式悬索桥

7、中的减震效果7；管仲国、李建中等将软钢阻尼器和支座整合，形成弹塑性支座，并用于自锚式悬索桥的减震控制8；陈国阳、滕文刚等人对铅芯橡胶支座在自锚式悬索桥中的隔震效果进行了研究9,10；方海、刘伟庆等人则研究了铅挤压阻尼器在自锚式悬索桥减震控制中的应用11,12。随着减震控制技术的发展，新型被动控制装置不仅减震效果明显，而且构造简单、制造成本低，如大行程板式铅阻尼器。下面以这种新型铅阻尼器为例，研究其在独塔自锚式悬索桥减震控制中的应用。2 大行程板式铅阻尼器简介铅阻尼器作为金属阻尼器的一种，其阻尼材料是金属铅。铅的结晶构造是面心立方体，塑性变形能力好，具有较高的柔性和延性，在室温条件下会同时发生动

8、态回复和动态再结晶过程。通过回复和再结晶，应变硬化将消失，铅的组织和性能将恢复至变形前的状态，因此不会产生残余应力13。铅阻尼器的特点是使用寿命长、性能稳定、构造简单。其中圆筒式的铅挤压阻尼器易于实现“大行程”，在房屋建筑工程和桥梁工程中已有应用11,12,14。而板式铅阻尼器比铅挤压阻尼器构造更为简单，成本更低，但目前其行程较小，无法满足结构对大变形的要求。相关文献对传统的板式铅阻尼器加以改进15，成功的研发出阻尼力稳定的大行程板式铅阻尼器。这种新型阻尼器包括盖板、滑动板、侧面挡板和挡块。两块盖板在滑动板上下相对放置，侧面挡板在两块盖板之间，其中，在盖板上沿长度方向焊接两个挡块。通过螺栓固定

9、盖板、滑动板、侧面挡板和挡块形成两个“腔体”。当滑动板往复运动时，利用凹槽剪切铅块而耗能。图1 大行程铅阻尼器构造图2 铅阻尼器的低周往复试验图3 铅阻尼器滞回曲线目前，相关研究成果已经对大行程板式铅阻尼器在大跨度连续梁桥和千米级斜拉桥减震控制中的应用进行了研究15,16。从分析结果来看，这种阻尼器的减震效果与粘滞阻尼器的相当。在温度作用下，其产生的附加作用力对结构影响很小。考虑到自锚式悬索桥的动力特性有与斜拉桥类似的一面，且温度作用下铅阻尼器对“独塔”结构几乎没有影响，因此大行程板式铅阻尼器非常适合于独塔自锚式悬索桥的减震控制。3 独塔自锚式悬索桥的减震控制3.1 桥梁概况某独塔自锚式悬索桥

10、的跨径布置为35m+135m+165m+35m=370m。采用半漂浮体系（纵向漂浮、竖向约束）。图4桥跨布置其中，主塔采用C50混凝土，为“种子”造型，下接承台及钻孔灌注桩基础。其高度为126.5m，分上塔柱与下塔柱，设置上下横梁。主梁采用“钢加劲梁+两侧预应力混凝土加劲梁”的组合体系。钢加劲梁采用Q345qD钢材，为扁平流线型，有效全宽36.6m，含风嘴全宽37.26m，设置2%的双向横坡，桥梁中线处梁高3.0m。全桥共设置两根主缆，单根主缆采用33股127丝5.1mm的预制平行钢丝束（标准抗拉强度为1670MPa），横桥向间距29.5m。吊索采用垂直布置，间距9.0m，共27对。单根吊索采

11、用85丝7mm的预制平行钢丝束，端部第1、27号吊索采用130mm的刚性吊杆。3.2 地震动输入与计算模型计算时选取了两条天然地震波和一条人工地震波，采用“纵向+竖向”的地震动输入方式。根据该桥的设计地震动参数，纵向加速度时程的峰值约为0.413g，竖向加速度时程的峰值为水平加速度峰值的0.5。其中一条纵向人工加速度时程见图5，三条地震波反应谱的与设计反应谱的对比见图6。图5 加速度时程图6 地震动反应谱计算采用Midas/Civil软件（分析模型见图7）。在分析中，主梁、塔、边墩采用梁单元模拟，主缆及吊索采用索单元模拟。采用“初始单元内力”考虑自重等静力荷载作用下的初始状态。图7 计算分析模

12、型分析中采用m法近似考虑桩-土相互作用的影响，同时进行并桩处理以减少计算量。墩、塔与主梁间的约束关系见表1（墩梁间的滑动采用理想弹塑性模型）。表1 边界条件约束方向过渡墩与主梁辅助墩与主梁主塔与主梁纵桥向滑动滑动无或阻尼横桥向约束约束约束竖向约束约束约束根据相关文献的试验结果15,16，大行程板式铅阻尼器的本构关系可以用Bouc-Wen模型模拟17，该模型公式如下： （1） （2）上式中，z为滞变位移；为阻尼器变形；为阻尼器的屈服位移；为阻尼器的屈服力；为阻尼器屈服后的第二段刚度与弹性刚度的比值；、n为模型的形状常数。当1.0时，可用于模拟铅阻尼器的滞回曲线；参数n控制阻尼器弹性刚度到屈服后刚

13、度之间过渡弧段的曲率半径，n越大曲率半径越小，则Bouc-Wen模型越接近双线性模型。根据试验数据，大行程板式切阻尼器的相关参数可以取为：0，=0.9，=0.1，n=10。3.3 减震效果分析在塔梁结合处设置8个大行程板式铅阻尼器。在布置位置和数量一定的情况下，减震效果大小与铅阻尼器的初始刚度和屈服力有关系。普通板式铅阻尼器的初始刚度一般在106kN/m以上，然而随着阻尼器行程的增加，阻尼器的初始刚度会有所减小。通过试验发现，大行程板式铅阻尼器的初始刚度值一般在105kN/m106kN/m之间。从图89可知，在屈服力一定（1500kN）的情况下，不同的初始刚度对塔顶纵向位移、梁端纵向位移和塔底

14、纵向弯矩的影响很小。而在初始刚度一定（1106）的情况下，阻尼器的屈服力对塔顶纵向位移、梁端纵向位移和塔底纵向弯矩的影响较大（见图1011）。图8 不同初始刚度下的纵向位移图9 不同初始刚度下的纵向弯矩图10 不同屈服强度下的纵向位移图11 不同屈服强度下的纵向弯矩结合上述分析，对于该悬索桥的减震控制，大行程板式铅阻尼器的屈服强度和初始刚度可分别取1500kN和1106kN/m。根据数值分析的结果（表1），减震前后，塔顶纵向位移分别为0.367m和0.170m，减震率为53.8%；梁端纵向位移分别为0.329m和0.153m，减震率为53.5%；塔底纵向弯矩分别为1.411E+06 kNm和1

15、.065E+06 kNm，减震率为24.6%。相关时程曲线对比见图1214。表2 结构的地震响应最大值项 目塔顶纵向位移(m)梁端纵向位移(m)塔底纵向弯矩(kNm)无减震0.367 0.329 1.411E+06铅阻尼器0.170 0.153 1.065E+06减震率(%)53.8%53.5%24.6%图12 塔顶纵向位移时程图13 梁端纵向位移时程图14 塔底纵向弯矩时程从上面的分析结果来看，大行程板式铅阻尼器对该悬索桥地震响应的减震效果明显，尤其是结构纵向位移。为了进一步研究大行程板式铅阻尼器的减震效果，以应用最为广泛的粘滞阻尼器减震方案为例进行对比分析。塔梁结合处设置4个纵向带限位的粘

16、滞阻尼器，纵向限位150mm。阻尼器的速度指数=0.3，阻尼系数C=2500。从表3中的数据来看，在两种减震方案下结构的地震响应最大值（塔顶纵向位移、梁端纵向位移和塔底纵向弯矩）相当，二者的时程对比和阻尼器的本构关系见图1518。可以说，大行程板式铅阻尼器可以达到粘滞阻尼器的减震效果。表3 结构的地震响应最大值项目塔顶纵向位移（m）梁端纵向位移（m）塔底纵向弯矩(kNm)粘滞阻尼器0.189 0.176 1.219E+06铅阻尼器0.170 0.153 1.065E+06图15 塔顶纵向位移时程图16 梁端纵向位移时程图17 塔底纵向弯矩时程（a）大行程板式铅阻尼器（b）粘滞阻尼器图18 阻尼

17、器的本构4 结论通过上述独塔自锚式悬索桥的减震控制研究，可得出如下结论：（1）大行程板式铅阻尼器可以有效地减小独塔自锚式悬索桥的地震响应，尤其是塔顶和梁端纵向位移；（2）只要选型（相关力学参数）恰当，大行程板式铅阻尼器可以达到粘滞阻尼器的减震效果。考虑到板式铅阻尼器构造简单，成本低，后期的维护也比粘滞阻尼器简单，故大行程板式铅阻尼器具有更高的性价比。参考文献1 陈书平. 猎德大桥自锚式悬索桥地震响应分析与减震措施研究D. 长沙：长沙理工大学，2009:8-10.2 宋旭明,戴公连,曾庆元. 自锚式悬索桥的粘滞阻尼器减震控制J. 华南理工大学学报，2008，37(3):104-108.3王亚飞.

18、 自锚式悬索桥地震响应分析和减震措施研究D. 大连：大连理工大学，2008:9-66.4李健宁. 自锚式悬索桥吊索施工张拉控制及抗震研究 D. 兰州：兰州交通大学，2012:9-77.5 胡建华. 大跨度自锚式悬索桥结构体系及静动力性能研究D. 长沙: 湖南大学, 2006:123-126.6 杨孟刚,胡建华,陈政清. 独塔自锚式悬索桥地震响应分析J. 中南大学学报，2005，36(1): 133-137.7 杨军. 自锚式悬索桥延性抗震和金属耗能减震研究D. 大连: 大连理工大学, 2009:65-82.8 管仲国,李建中,朱宇. 弹塑性阻尼支座用于自锚式悬索桥减震设计J. 同济大学学报,2009,37(1): 6-12.9 陈国阳. 大跨度独塔自锚式悬索桥地