猎德大桥粘滞阻尼器参数与实验

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。无图机5摧处墩底弯缸矩铅图验俘享各疑载木任请壶毛图莫6纸巩梁端相干对位移洗图鸡7抗摆墩底弯急矩左越穗习叶拦厉交抵遥等特图公8巨梁端相气对位移痛从帽图位5爷～恐8慎看，墩尼底弯矩圣随接ξ字值增加近而减小管，塔底贿弯矩愁从佛0.单2缴～锦0.惧5屡衰减较爹快，后膜趋于平构缓；纹随首C馆值增加冶而增加辞，且赚ξ返取值越妹小，增记加趋势妈越快。煎倾向于赞阻尼系役数莫C年取小值端，指数越ξ瞧取大值迟。关键康部位的铁位移响轿应随匠ξ辱值的增饥加而增肥加，设随倡C瓣值的增愁加而减听小。倾凝向黑于甘C裙取大值抵，指数贸ξ剥取小值册。从这定些变化建规律及践结构关蓬键部位书的响应孙量值来藏看，在浩以不增顿加结构啊构件内遣力的前浆提下，甩最大限贿度的降痒低关键河部位的迁位移为缘目的的呆条件下醋，比较燃合适的卧阻尼器据参数范报围约额是身C=3斥00箭0酿，色ξ屠=0.筑5卷左右。电表嫌1战给出选尸定参数惧情况下藏结构关渴键部位方的响应秆值。尚表捞1斯仓控制截田面内力本截面位查置艰未设置限阻尼器展设置阻撕尼器斩轴早力勒P(k裙N)策剪配力刚V线2比(广kN)膏弯切矩屋M险3缎(摘kN·捕m)科轴孙力邮P(k伏N)之剪宜力监V嘉2害(墙kN)球弯铃矩梦M断3框(次kN·开m)项5棋#践交界墩宾墩底涛7.1拥2E+歪03欢4.3汤1E+碎03依4.6麻3E+酬04承6.9撞9E+误03闯3.8妥6E+死03遮4.4冰1E+情04毙6惧#极中墩墩车底薪1.5沿8E+也04歇4.6左2E+巾03腹4.6爷7E+附04种1.6吹0E+惯04祖4.6赚2E+桶03柄4.6衔7E+爱04鸦8什#概中墩墩今底挑1.8谎5E+龙04幕4.5狱9E+眨03趋4.2象9E+鬼04感1.8基3E+垦04意4.6呈0E+妖03臂4.3再0E+衣04异9浪#寿交界墩姓墩底捎6.7畜9E+各03既4.0欢6E+体03汤4.0捐0E+抚04既6.9娇2E+简03骆3.4赤3E+林03指3.7帖6E+眠04仰主塔塔课底截面黑3.2虚1E+缴04陈1.6倾0E+道04拌3.8宪0E+减05温3.2春2E+忆04荷1.5蛾9E+稀04财3.2溜2E+蜓05傍粘滞阻律尼器试含验分析陷4.销1肚模型阻忘尼器的钳设计及鹊制作梁模型阻正尼器相颈似常数百的确定胳，依赖环于在猎器德大桥遇抗震振冠动台试市验中，洽基本相氏似常数明的选取舌。综合征考虑试搁验场地短条件及莫全桥动医力模型谦试验的岛特点后忧，确定仔全桥模干型的相庆似常数企如下六表卫2贞示：毁表懂2赴猎德大罩桥振动磁台试验懒模型相抽似常数涨类别醋物理量度单位那符号帽相似常呢数敢基本量纵纲嫁长度验m倾l洪60避弹性模颂量恢MPa香E盼12.扰942割加速度离m/s粘2漠a堡1疑注：相搅似常数敞定义为鹿原型物喘理量与叼模型物于理量之差比绘确定纵片向阻尼威器的阻棚尼参数谦后，依舱据纺表色2关提供的情基本量古纲的相反似常数拿，可以历推导出陶模型阻摇尼器的壁相似常反数元,惨即当购＝毫0.5僻时昌，脏C适＝赔167制3聋9拢。献据此可瞒以制作宪出模型木阻尼器旱。模型反阻尼器恼见率图化9奔所示。权该模型眯阻尼器鹿由上海李材料所吩特别加匙工制作垮，并尽馅可能减树小其静搅摩擦力茂。龙图亡9甘奥模型阻吹尼器构患造图酱4.石2撞模型阻僚尼器试瓜验分析昼猎德大罪桥的振影动台模竭型试验寄是在同纸济大学斩土木工谈程防灾董国家重匹点实验隙室的振陈动台试瘦验室内滋完成充的蚁,冲该振动燕台振动球台面尺市寸荷为棋4m×额4m默,红最大承信载能力流达杂到蝇2意5属吨兼,齐具有三斗向六自差由度试百验能力加。纵向愁阻尼器修总装示盲意图及扰安装大委样图分堆别如谜图嚼1拖0欣～枕1土1岔所示。粪图垄1籍0苍纵向阻尿尼器总情装示意毛图恋图略1迷1偷纵向阻民尼器安暂装示意溜图棕开纠跟掀迟试验中活选取阿《猎德链大桥系铁统工程哥场地地该震安全悠性评价资》报告窝中提供姜的超越汗概率填为披10披0惩年梳2挡％的地吹震波及思有代表胳意义的弄El-诵Cen脾tro述波箩，作为税地震动奔输入。升为全面诊考察非若线性粘嗓滞阻尼蚁器对该徒桥抗震乖性能的价影响，副分别在币塔顶、音塔腰及寇主梁上核设置了侧位移计步，在塔盐底断面蹄处设置据了应变末测点，染对结构晃在安装泉阻尼器烂前后作椒了振动事台试验隆。串图谈1检2士～嫂1过5画分别为口安装纵斥向阻尼锡器前后治，俭10暖0歌年想2魄%者纵芽向劫+础竖向及辰El-嗓Cen跪tro里波纵向猴输入下江梁端位户移的变肉化情况齿如下。厌图亦1添6往还示出虏了宫在杠10代0马年邻2梁%厕纵脾向财+纠竖向地筋震波作蛛用下，歇主塔塔吉底应力据分布的橡情况。拣图声12蜘拖梁端纵浸向位移卸（旺10灾0插年仆2温%遣纵垄+且竖输入鬼）让渠瓦无图岂1软3成梁端纵盘向位移秃（研El-杏cen茫tr歪o疗纵向输舰入）挽图躺14训霞塔顶纵塌向位移伸（盛10陕0柿年炼2叫%奉纵嘴+钻竖输入焦）侧溉笨唉图可1昂5厚塔顶纵糟向位移确（如El-万cen殿tr义o疫纵向输测入）维图疫1键6付塔底应甜力嫌（率10芒0亿年胶2傲%奥纵保+英竖输入此）淡从也图录1固2毫～除图堆1肾5禽中可以货看出，忙地震动顺为非10趁0纤年民2匪%献安评波两纵春+优竖向输若入时，元使用阻陆尼器后壤，主梁刊梁端位瓦移减少营了索38.咽2梅％，塔洲顶位移兽减少匹了忠33.假8暑％；地逆震动为穷El-朽Cen烂tro跌波纵向禽输入漆时，使殿用阻尼挽器后，项主梁梁侍端位移河减少了束约品33.智3淋％，塔丰顶位移数减少它了着3赤7舅％。从五图描1批6刚中可以粉看到，奉使用阻丛尼器后布，主塔裂塔底截邪面应力牺也有所垄减少。月且反应恳了角点辨处应力枯集中现订象的存珍在。寿5床碑结论讨本文以艰广州猎逃德大桥尖振动台否试验为历实际工街程背景肃，音利用非披线性动勤力时程绸分析方招法，对野非线性伙粘滞阻支尼器的投两个参忽数即阻掉尼系楚数熔C妻和阻尼叠指缝数偏ξ翠进行了从参数敏鹊感性分虚析研究怖；刺并按照晴一定的勤相似比日制作了江粘滞阻丢尼器模俭型，在望同济大盲学防灾张国家重宵点实验栗室进行银了全桥若振动台威试验。格研究了歌非线性餐粘滞阻姓尼器对牲该桥抗厚震性能栽的影响梁，友并与未乒设置粘穷滞阻尼株器情况上的地震锡响应进脊行了比若较。研品究结果久表明，求在主桥悟设置非押线性粘斩滞阻尼呆器后，捧通过选原择适当度的粘滞推阻尼器靠的参数练，可以腾有效降令低结构疲在地震适作用下蔽关键部哭位的相莫对位移货，同时述也改善铜了结构烤构件的霸地震力召。致谢众本文的自研究工猜作得到萝了重大筛工程科坚研专虹项券“耻猎德大睁桥抗震也性能试气验研究冷及分腹析门”精和国家用自然科啄学基金品项燥目哄“迹深水航山道高桩倘桥梁地践震损伤涝机理研钓究隶”院（编号榆：器504魄781赶1殖2丹）共同花资助，霉在此一肌并表示执感谢。烈参考文医献宝范立础般，桥梁项抗止震舰[M杆]注，上海井：同济喜大学出竹版社福，附199源7虎，葛11.书Pri脱est久ley槽M.崭J.N秘.,盲F.透Sei气ble牧.,霉G.M显.C钻alv女i.,狭Se章ism议ic脑Des导ign味an雀dR底etr两ofi轮to裙fB遥rid礼ges愤[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