东海大桥粘滞阻尼器参数研究

第18卷　第3期2005年7月

文章编号:100127372(2005)0320037206

中　国　公　路　学　报

ChinaJournalofHighwayandTransport

Vol.18　No.3July2005

东海大桥粘滞阻尼器参数研究

王志强,胡世德,范立础

(同济大学桥梁工程系,上海　200092)

摘　要:以东海大桥为实际工程背景,研究非线性粘滞阻尼器对该桥抗震性能的影响。利用非线性

动力时程分析方法,对非线性粘滞阻尼器在该桥中的不同布置位置以及非线性阻尼器的阻尼系数C和阻尼指数ξ进行了参数敏感性分析,并与未设置粘滞阻尼器情况的地震响应进行了比较。分析结果表明:在主桥纵桥向设置非线性粘滞阻尼器后,通过选择适当的布置位置和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。此外,还避免或减轻了相邻构件可能发生的碰撞以及碰撞引起的构件局部损坏。关键词:桥梁工程;粘滞阻尼器;非线性动力时程分析;中图分类号:U442.55　　　文献标志码:A

ResearchonofDonghaiBridge

G,HUShi2de,FANLi2chu

(ofEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)

Abstract:ThepresentstudyexaminestheseismicbehaviorofDonghaiBridgewithfocusonthepositionsandtwoparametersofdampingcoefficientCanddampingexponentξofthesupplementalnon2linearviscousdampersthroughnon2lineardynamictime2historyanalysis.Theparametersensitivitystudyindicatesthatsettingdampersinlongitudinaldirectionofbridgecanreducetherelativedisplacementofkeypositionsandtheresponseofthebridge,moreover,eliminateorreducelocaldamageofcomponentsduetothepotentialpoundingneighbouringmembersofthebridge.

Keywords:bridgeengineering;viscousdamper;non2lineardynamictime2historyanalysis;seis2micanalysis

0引　言

随着中国经济建设的快速发展以及城市化进程

直是工程人员和科研人员研究的重点。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[4],其中利用引入粘滞阻尼器来改善桥梁结构的抗震性能就是一个方面。该方法既可以用于旧桥的抗震加固,如美国的金门大桥等,也可以在新建桥梁中采用,如希腊的RION2ANTIRION桥等。在中国,近年来一些科研

的加快,高速公路网和各种城市交通干线变得越来越重要[1]。从近几年发生在城市周围的几次地震震害来看,每次地震造成重要线路中的桥梁破坏所产生的直接和间接经济损失都十分巨大。社会、公众

和业主等对桥梁结构抗震性能的要求也逐渐提高

[2,3]

人员也开始从事这方面的研究,并在少数实际桥梁中进行了尝试性的应用[5]。但在中国,就粘滞阻尼

。因此,如何提高桥梁结构的抗震性能也一

收稿日期:2004208213

基金项目:国家自然科学基金项目(50278068)

作者简介:王志强(19712),男,山西榆次人,同济大学讲师,工学博士.E2mail:[email protected]

38中　国　公　路　学　报　　　　　　　　　　　　　　　2005年

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

ξ

(1)F=Cv式中:F为阻尼力;C为阻尼系数;v为速度;ξ为阻

尼指数(取值范围在0.1～2.0,从抗震角度看,常用值一般在0.2～1.0范围内),其恢复力特性如图4所示,图4中给出了阻尼器参数ξ不同取值时,阻尼器滞回曲线形状的变化规律,当阻尼器参数ξ=1时,其形状为椭圆

。

器在桥梁结构抗震中的应用所开展的理论分析和参数研究还较少。笔者以东海大桥为工程背景,研究通过在纵桥向引入粘滞阻尼器来提高该桥纵桥向的抗震性能,并主要就阻尼器的布置位置和阻尼器参数的确定进行了研究。得到的参数变化规律与设置方案可供工程应用参考。

1东海大桥主桥概况

东海大桥工程的主航道桥为主跨420m的双

塔单索面半漂浮体系结合梁斜拉桥,跨径组合为73+132+420+132+73m,桥面宽度33m,倒Y型钢筋混凝土桥塔,承台以上塔高147.9m,加劲梁为单箱三室钢箱梁,梁高4m,钢筋混凝土桥面板厚28cm。图1为斜拉桥总体布置图。地震波采用上海国际航运中心洋山深水港工程场地地震安全性评价报告中提供的地震动参数,共6组地震波。根据桥梁结构的总体构造布置并考虑相邻联的影响,

建

Fig.3

粘滞阻尼器

Viscousd

amper

图1

Fig.1

斜拉桥立面布置/cm

Elevationofcable2stayedbridge

立了结构动力特性和地震反应分析的三维有限元模型(图2),其中,主梁、塔、边墩和辅助墩用空间梁单元[6]模拟;斜拉索用空间桁架单元模拟,但考虑垂度效应和恒载引起的几何刚度影响;桩基础也采用空间梁单元模拟,斜拉桥主塔桩基础按并桩处理,其余各墩位的桩基则按实际构造布置;支座采用专门的

图4

Fig.4

阻尼器滞回环形状与指数ξ的关系

Harmonicforce2displacementrelationship

ofviscousdamper

图2动力分析模型

支座单元模拟,可以Fig.2Modelofdynamicanalysis

考虑支座的摩擦耗能

作用;粘滞阻尼器的力学特性,采用专门的单元模拟。由于结构构件、支座和粘滞阻尼器的非线性特性,笔者通过非线性时程分析方法来确定粘滞阻尼器的合理参数。

粘滞阻尼器产生的阻尼力是与速度和温度有关的,在应用这类阻尼器时应给予注意。此外,油压的调整、漏油、灰尘的侵入等也需采取相应的措施,并进行必要的维护。由于粘滞阻尼器具有方向性,其安装设置需进行考虑,而且要求制作加工精密,体积较大时制作较为困难。粘滞阻尼器同其他减震、隔震装置相比,其特点是:

(1)塑性阻尼装置、摩擦阻尼装置的屈服力或摩擦力是常值,且在墩最大变形时,这些值往往也同时达到最大。而粘滞阻尼器装置当阻尼器参数ξ=1时,因其反力与速度成比例,因此,在桥墩达到最大变形时,粘滞阻尼器的阻尼力反而最小,接近于零;在桥墩变形速度最大时,粘滞阻尼器阻尼力达到最大,而此时桥墩变形最小,其内力也最小,因此,粘滞

2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

第3期　　　　　　　　　　　　王志强,等:东海大桥粘滞阻尼器参数研究阻尼器并不能显著增加桥墩的受力。

(2)在温度产生的变形作用下,弹塑性阻尼装置、摩擦阻尼装置要求必须在克服弹塑性阻尼装置的屈服力或摩擦力后才允许自由变形;粘滞阻尼器在蠕变变形下,产生的抗力接近于零,这使得该装置的引入不会影响到桥梁结构的正常使用功能。

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明显的差异。总的说来,从目前的研究和应用情况来看,在桥梁中应用阻尼器的目的可粗略分为两类:①通过使用阻尼器来改善结构局部位置的抗震性能,在这种情况下,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;②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达到预期的目的。本文的粘滞阻尼器应用基本可归于①。

分析工况

39

表1

Tab.1

控制截面的内力1

Force1ofkeysections

C塔=20000、

C塔=10000、C墩=5000、

不设阻尼器

ξ=1.0

5.488×1044.291×1041.600×1061.392×1041.099×1042.451×105

ξ=1.0

5.880×1044.437×1041.580×1061.453×1046.702×1032.030×105

P/kN6.425×1045.777×1041.877×1061.767×1041.117×104

塔底V/kNM/(kN・m)

辅助墩墩

P/kNV/kN

底M/(kN・m)2.503×105

注:C塔、C墩分别为塔、墩的阻尼系数(C的单位为kN・s・m-1);

P为轴力;V为剪力;M为弯矩;后文同。

表2

Tab.2

控制截面的位移最大值1

Maximumdisplacement1ofkeysections

不设阻51.339.445.446.1

C塔、

C塔=10000、C墩=5000、

分析工况

=34.329.332.628.324.8

ξ=1.0

36.632.826.729.626.8

3粘滞阻尼器设置位置的确定

通过对结构体系的仔细考虑,/cm//cm主梁与边墩相对位移/cm

主梁与引桥主梁相对位移/cm阻尼器阻尼力/kN

位置的方案有两种:连接处设置;,(没有考虑在过渡墩设置阻尼器,是考虑到此处已经构造复杂且设有预应力拉索等装置,认为此处设置阻尼器实际实施起来比较困难)。经分析比较表明:在保证减小塔顶位移和主桥与引桥伸缩缝处相对位移的情况下,在辅助墩处引入阻尼器有两个优点:①在达到同样减震效果的条件下,如果仅在塔—梁处设置阻尼器,则所需阻尼器的吨位比较大,而同时在辅助墩处设置阻尼器,可减小塔—梁处阻尼器的吨位;②在辅助墩处引入阻尼器,还可有效地改善辅助墩的受力情况(如果在该处不设阻尼器,辅助墩的受力受塔—梁处设阻尼器的影响很小)。具体分析结果的比较见表1、2。

最终确定阻尼器的布置位置方案还需考虑正常使用要求和其他因素。因此,随后的阻尼器参数分析就针对这两种布置方案分别进行。此外经初步分析表明:在其他条件均相同的情况下,不同地震波作用下结构中的粘滞阻尼器发挥的效果并不相同,因此,笔者采用上海国际航运中心洋山深水港工程场地地震安全性评价报告提供的6组地震波进行非线性时程分析,由这些地震波作用下结构关键部位响应的平均值来确定粘滞阻尼器的合理参数。

-15860

塔:9087、辅助墩:3960

注:表2为一组地震波的计算结果比较。

4粘滞阻尼器参数的确定

ξ选取的不从式(1)可知,粘滞阻尼器参数C、

同,粘滞阻尼器对结构响应的影响也不同。因此,需

对结构引入粘滞阻尼器的情况进行结构响应分析,

ξ进行参数敏感性分析,主要考虑对阻尼器参数C、

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提供依据。仅布置在塔—梁连接处的参数确定

通过对6组地震波进行非线性时程分析,对粘滞阻尼器设置在主塔—主梁连接处(各一个)的情况4.1

进行了结构地震响应分析比较,以不设阻尼器的结构响应为比较标准。分析工况见表3。

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,如主塔顶部和伸缩缝处的位移,避免或减轻伸缩缝处在地震作用下结构可能发生的碰撞损坏;同时又考虑利用阻尼器降低结构关键部位的受力,如主塔底部、中塔柱和辅助墩底等部位的轴力、剪力和弯矩等的

40中　国　公　路　学　报　　　　　　　　　　　　　　　2005年

响应量(后文中仅给出主塔底部和辅助墩底受力的

结果),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5～12。

表3

Tab.3

参数分析工况

Casesofparametersanalysis

地震水平水准Ⅱ,对地表

6组地震波分

C

[***********][**************]0

0.20.

20.3

0.3

0.3

0.51.0

0.20.30.51.0

0.20.30.51.0

0.20.30.5

1.

ξ

0.30.51.0

别进行这些工

况的参数分析

图8

Fig.8

主梁—相邻联主梁相对位移1

Relativedisplacement1atexpansionjoint

图5

Fig.5

塔底弯矩1

Fig.9

图9塔底弯矩2

Moment

Moment2oftowerbottom

图6

Fig.6

阻尼器阻尼力1

Fig.10

图10阻尼器阻尼力2

Dampingforce1ofviscousdamperDampingforce2ofviscousdamper

图7

Fig.7

塔—梁相对位移1

Fig.11

图11塔—梁相对位移2

Relativedisplacement1betweentowerandgirder

Relativedisplacement2betweentowerandgirder

　　从图5、6、9、10可看出:塔底弯矩、阻尼器阻尼

力随ξ值增大而减小,塔底弯矩从0.2～0.4衰减较快,后趋于平缓;随C值增大而增大,且ξ取值越小,

增大趋势越明显。倾向于阻尼系数C取小值,指数ξ取大值。从图7、8、11、12可看出:关键部位的位移响应随ξ值的增大而增大,随C值的增大而减小。

第3期　　　　　　　　　　　　王志强,等:东海大桥粘滞阻尼器参数研究

4.2

41

布置在塔—梁连接处和辅助墩处的参数确定

参考仅主塔处设置阻尼器参数分析的变化规律,此处确定的分析工况与表3基本类似。根据计算结果的分析,结构关键部位响应量随粘滞阻尼器参数变化规律与仅在塔—梁处设置阻尼器的规律相似,此处仅给出选定合理参数的计算结果,并与不设阻尼器的情况进行比较,如表6～9所示。

比较各分析工况计算结果,以减小结构位移为目的,兼顾考虑结构关键部位的内力响应量值不增大(与不设阻尼器相比),则阻尼器合理的参数范围变化

ξ为:主塔处C塔=10000、塔=0.3左右;阻尼器的阻尼ξ力为9000kN左右;辅助墩处C墩=4000、墩=1.0

左右,阻尼器阻尼力为4500kN左右。

比较表4、6、8以及表5、7、9辅助墩处受力和主梁—辅助墩相对位移可知:,。

图12

Fig.12

主梁—相邻联主梁相对位移2

Relativedisplacement2atexpansionjoint

倾向于C取大值,ξ取小值。

从这些变化规律及结构关键部位的响应量值可看出:在以不增大结构构件内力的前提下,最大限度地降低关键部位位移为目的的条件下,比较合适的阻尼器参数范围约为C=13000,ξ=0.3～0.5,阻尼力大约为12000kN,表4、5给出了选定参数情况下结构关键部位的响应值。

表4

分析工况

P/C塔0.3)

Forcesections

W35.189×1044.096×1041.342×1061.223×1041.154×1042.553×105

W45.098×1044.723×1041.610×1061.236×1049.706×1032.222×105

W54.598×1043.873×1041.309×1061.235×1041.111×1042.526×105

W64.776×1043.823×1041.226×1061.155×1041.074×1042.365×105

2334204×1041.595×1061.389×1041.099×1042.452×105

V/kN

5.733×1045.153×1042.149×1061.578×1049.611×1032.101×105

平均值

5.105×1044.312×1041.539×1061.303×1041.062×1042.370×105

塔　　底

M/(kN・m)

P/kN

辅助墩墩底V/kNM/(kN・m)

注:W1,…,W6为6组地震波,后文同。

表5ξ控制截面的位移最大值2(C塔=13000、塔=0.3)

Tab.5

Maximumdisplacement2ofkeysections

W227.423.537.329.225.611121

W324.623.639.030.424.110817

W434.529.943.024.829.711995

W532.230.325.031.632.311418

W618.613.130.619.217.410574

分析工况塔顶位移/cm塔与主梁相对位移/cm主梁与辅助墩相对位移/cm主梁与边墩相对位移/cm主桥主梁与引桥主梁相对位移/cm

阻尼器阻尼力/kN

W130.225.131.425.421.812093

平均值

27.924.334.426.825.21.134×104

表6

Tab.6

分析工况

P/kN

控制截面的内力3(不设阻尼器情况)

Force3ofkeysections(withoutviscousdamper)

W26.409×1044.795×1041.944×1061.995×1049.795×1032.163×105

W36.070×1043.581×1041.299×1061.546×1041.139×1042.493×105

W45.081×1045.380×1041.377×1061.526×1049.676×1032.166×105

W55.222×1044.498×1041.411×1061.501×1041.102×1042.498×105

W64.386×1044.094×1041.623×1061.405×1041.069×1042.345×105

W16.425×1045.777×1041.877×1061.767×1041.117×1042.503×105

平均值

5.599×1044.688×1041.589×1061.623×1041.062×1042.361×105

塔　　底V/kNM/(kN・m)

P/kN

辅助墩墩底V/kNM/(kN・m)

42

表7

Tab.7

分析工况塔顶位移/cm塔与主梁相对位移/cm主梁与辅助墩相对位移/cm主梁与边墩相对位移/cm主梁与引桥主梁相对位移/cm

W154.951.339.445.446.1

中　国　公　路　学　报　　　　　　　　　　　　　　　2005年

控制截面的位移最大值3(不设阻尼器情况)

W258.442.443.640.142.8

W347.644.362.649.447.4

W437.538.244.538.846.3

W550.751.245.247.953.2

W642.033.843.539.740.3

Maximumdisplacement3ofkeysections(withoutviscousdamper)

平均值

48.543.546.543.646.0

表8

分析工况

P/kN

ξξ控制截面的内力最大值(C塔=10000、C墩=4000、塔=0.3、墩=1.0)

Tab.8

W15.460×1044.293×1041.508×1061.424×1046.542×1031.895×105

W25.695×1045.005×1042.084×1061.650×1049.161×1032.610×105

Maximumforceofkeysections

W35.325×1044.000×1041.280×1061.229×1048.285×1032.342×105

W45.026×1044.580×1041.483×1061.213×1048.747×1032.517×105

W54.686×1043.920×1041.207×1061.222×1047.830×1032.146×105

W64.646×1043.828×1041.237×1061.136×1048.841×1032.504平均值

5.140×1044.271×1041.467×1061.312×1048.234×1032.336×105

塔　　底V/kNM/(kN・m)

P/kN

辅助墩墩底V/kNM/(kN・m)

表9

分析工况塔顶位移/cm塔与主梁相对位移/cm主梁与辅助墩相对位移/cm主梁与边墩相对位移/cm阻尼器阻尼力/kN

辅助墩

ξ控制截面的位移最大值4(C塔=10000、C墩4000塔=0.3、1.Tab.9

W131.026.522.594633389

Maximumdisplacement4W227.67225.886474940

W3024.9331.025.083214170

W428.930.522.327.493034616

532.731.327.931.632.588543614

W618.914.125.819.918.482004710

平均值

28.024.928.526.625.287984240

5结语

(1)在主桥纵桥向引入粘滞阻尼器,可以有效地

器,则较合理的阻尼器参数范围为:主塔C塔=

ξξ10000、塔=0.3左右,辅助墩处C墩=4000、墩=1.0左右。

减小结构关键部位的位移,同时也适当改善了结构

的受力,避免或减轻了碰撞可能引起的结构损坏。

(2)该桥粘滞阻尼器的设置位置有两种可能方案:一是仅在塔—梁处布置;二是同时在辅助墩处也设置阻尼器。仅在塔—梁处设阻尼器,对辅助墩处响应的影响较小,而在辅助墩处也设阻尼器,既可保证其他部位的减震效果,又可较明显地改善辅助墩处的响应。仅从抗震角度考虑,后一方案优于前一方案。但实际采用哪一方案,还需综合考虑桥梁的实际情况和使用条件的限制因素来确定。

(3)从分析结果来看:主桥引入阻尼器以后,当阻尼器参数选小的时候,结构的位移和塔底的弯矩同时减小,但当阻尼器参数选大的时候,此时位移仍减小,但塔底的弯矩呈增大的趋势。根据选择原则确定阻尼器参数,仅在塔梁处设置粘滞阻尼器,每个塔处设置一个,则合理的阻尼器参数范围为:C=

ξ=0.3左右;如果在辅助墩处也设置阻尼13000、

参考文献:

[1]　李福志,胡思继.城市快速轨道交通路网规划的相关问

题[J].交通运输工程学报,2001,1(1):39—42.

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研究[A].第十五届全国桥梁学术会议论文集[C].上海:同济大学出版社,2002.372—379.

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性地震反应理论分析[J].中国公路学报,2004,17(1):

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东海大桥粘滞阻尼器参数研究

王志强,胡世德,范立础

(同济大学桥梁工程系,上海　200092)

摘　要:以东海大桥为实际工程背景,研究非线性粘滞阻尼器对该桥抗震性能的影响。利用非线性

动力时程分析方法,对非线性粘滞阻尼器在该桥中的不同布置位置以及非线性阻尼器的阻尼系数C和阻尼指数ξ进行了参数敏感性分析,并与未设置粘滞阻尼器情况的地震响应进行了比较。分析结果表明:在主桥纵桥向设置非线性粘滞阻尼器后,通过选择适当的布置位置和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。此外,还避免或减轻了相邻构件可能发生的碰撞以及碰撞引起的构件局部损坏。关键词:桥梁工程;粘滞阻尼器;非线性动力时程分析;中图分类号:U442.55　　　文献标志码:A

ResearchonofDonghaiBridge

G,HUShi2de,FANLi2chu

(ofEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)

Abstract:ThepresentstudyexaminestheseismicbehaviorofDonghaiBridgewithfocusonthepositionsandtwoparametersofdampingcoefficientCanddampingexponentξofthesupplementalnon2linearviscousdampersthroughnon2lineardynamictime2historyanalysis.Theparametersensitivitystudyindicatesthatsettingdampersinlongitudinaldirectionofbridgecanreducetherelativedisplacementofkeypositionsandtheresponseofthebridge,moreover,eliminateorreducelocaldamageofcomponentsduetothepotentialpoundingneighbouringmembersofthebridge.

Keywords:bridgeengineering;viscousdamper;non2lineardynamictime2historyanalysis;seis2micanalysis

0引　言

随着中国经济建设的快速发展以及城市化进程

直是工程人员和科研人员研究的重点。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[4],其中利用引入粘滞阻尼器来改善桥梁结构的抗震性能就是一个方面。该方法既可以用于旧桥的抗震加固,如美国的金门大桥等,也可以在新建桥梁中采用,如希腊的RION2ANTIRION桥等。在中国,近年来一些科研

的加快,高速公路网和各种城市交通干线变得越来越重要[1]。从近几年发生在城市周围的几次地震震害来看,每次地震造成重要线路中的桥梁破坏所产生的直接和间接经济损失都十分巨大。社会、公众

和业主等对桥梁结构抗震性能的要求也逐渐提高

[2,3]

人员也开始从事这方面的研究,并在少数实际桥梁中进行了尝试性的应用[5]。但在中国,就粘滞阻尼

。因此,如何提高桥梁结构的抗震性能也一

收稿日期:2004208213

基金项目:国家自然科学基金项目(50278068)

作者简介:王志强(19712),男,山西榆次人,同济大学讲师,工学博士.E2mail:[email protected]

38中　国　公　路　学　报　　　　　　　　　　　　　　　2005年

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

ξ

(1)F=Cv式中:F为阻尼力;C为阻尼系数;v为速度;ξ为阻

尼指数(取值范围在0.1～2.0,从抗震角度看,常用值一般在0.2～1.0范围内),其恢复力特性如图4所示,图4中给出了阻尼器参数ξ不同取值时,阻尼器滞回曲线形状的变化规律,当阻尼器参数ξ=1时,其形状为椭圆

。

器在桥梁结构抗震中的应用所开展的理论分析和参数研究还较少。笔者以东海大桥为工程背景,研究通过在纵桥向引入粘滞阻尼器来提高该桥纵桥向的抗震性能,并主要就阻尼器的布置位置和阻尼器参数的确定进行了研究。得到的参数变化规律与设置方案可供工程应用参考。

1东海大桥主桥概况

东海大桥工程的主航道桥为主跨420m的双

塔单索面半漂浮体系结合梁斜拉桥,跨径组合为73+132+420+132+73m,桥面宽度33m,倒Y型钢筋混凝土桥塔,承台以上塔高147.9m,加劲梁为单箱三室钢箱梁,梁高4m,钢筋混凝土桥面板厚28cm。图1为斜拉桥总体布置图。地震波采用上海国际航运中心洋山深水港工程场地地震安全性评价报告中提供的地震动参数,共6组地震波。根据桥梁结构的总体构造布置并考虑相邻联的影响,

建

Fig.3

粘滞阻尼器

Viscousd

amper

图1

Fig.1

斜拉桥立面布置/cm

Elevationofcable2stayedbridge

立了结构动力特性和地震反应分析的三维有限元模型(图2),其中,主梁、塔、边墩和辅助墩用空间梁单元[6]模拟;斜拉索用空间桁架单元模拟,但考虑垂度效应和恒载引起的几何刚度影响;桩基础也采用空间梁单元模拟,斜拉桥主塔桩基础按并桩处理,其余各墩位的桩基则按实际构造布置;支座采用专门的

图4

Fig.4

阻尼器滞回环形状与指数ξ的关系

Harmonicforce2displacementrelationship

ofviscousdamper

图2动力分析模型

支座单元模拟,可以Fig.2Modelofdynamicanalysis

考虑支座的摩擦耗能

作用;粘滞阻尼器的力学特性,采用专门的单元模拟。由于结构构件、支座和粘滞阻尼器的非线性特性,笔者通过非线性时程分析方法来确定粘滞阻尼器的合理参数。

粘滞阻尼器产生的阻尼力是与速度和温度有关的,在应用这类阻尼器时应给予注意。此外,油压的调整、漏油、灰尘的侵入等也需采取相应的措施,并进行必要的维护。由于粘滞阻尼器具有方向性,其安装设置需进行考虑,而且要求制作加工精密,体积较大时制作较为困难。粘滞阻尼器同其他减震、隔震装置相比,其特点是:

(1)塑性阻尼装置、摩擦阻尼装置的屈服力或摩擦力是常值,且在墩最大变形时,这些值往往也同时达到最大。而粘滞阻尼器装置当阻尼器参数ξ=1时,因其反力与速度成比例,因此,在桥墩达到最大变形时,粘滞阻尼器的阻尼力反而最小,接近于零;在桥墩变形速度最大时,粘滞阻尼器阻尼力达到最大,而此时桥墩变形最小,其内力也最小,因此,粘滞

2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

第3期　　　　　　　　　　　　王志强,等:东海大桥粘滞阻尼器参数研究阻尼器并不能显著增加桥墩的受力。

(2)在温度产生的变形作用下,弹塑性阻尼装置、摩擦阻尼装置要求必须在克服弹塑性阻尼装置的屈服力或摩擦力后才允许自由变形;粘滞阻尼器在蠕变变形下,产生的抗力接近于零,这使得该装置的引入不会影响到桥梁结构的正常使用功能。

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明显的差异。总的说来,从目前的研究和应用情况来看,在桥梁中应用阻尼器的目的可粗略分为两类:①通过使用阻尼器来改善结构局部位置的抗震性能,在这种情况下,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;②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达到预期的目的。本文的粘滞阻尼器应用基本可归于①。

分析工况

39

表1

Tab.1

控制截面的内力1

Force1ofkeysections

C塔=20000、

C塔=10000、C墩=5000、

不设阻尼器

ξ=1.0

5.488×1044.291×1041.600×1061.392×1041.099×1042.451×105

ξ=1.0

5.880×1044.437×1041.580×1061.453×1046.702×1032.030×105

P/kN6.425×1045.777×1041.877×1061.767×1041.117×104

塔底V/kNM/(kN・m)

辅助墩墩

P/kNV/kN

底M/(kN・m)2.503×105

注:C塔、C墩分别为塔、墩的阻尼系数(C的单位为kN・s・m-1);

P为轴力;V为剪力;M为弯矩;后文同。

表2

Tab.2

控制截面的位移最大值1

Maximumdisplacement1ofkeysections

不设阻51.339.445.446.1

C塔、

C塔=10000、C墩=5000、

分析工况

=34.329.332.628.324.8

ξ=1.0

36.632.826.729.626.8

3粘滞阻尼器设置位置的确定

通过对结构体系的仔细考虑,/cm//cm主梁与边墩相对位移/cm

主梁与引桥主梁相对位移/cm阻尼器阻尼力/kN

位置的方案有两种:连接处设置;,(没有考虑在过渡墩设置阻尼器,是考虑到此处已经构造复杂且设有预应力拉索等装置,认为此处设置阻尼器实际实施起来比较困难)。经分析比较表明:在保证减小塔顶位移和主桥与引桥伸缩缝处相对位移的情况下,在辅助墩处引入阻尼器有两个优点:①在达到同样减震效果的条件下,如果仅在塔—梁处设置阻尼器,则所需阻尼器的吨位比较大,而同时在辅助墩处设置阻尼器,可减小塔—梁处阻尼器的吨位;②在辅助墩处引入阻尼器,还可有效地改善辅助墩的受力情况(如果在该处不设阻尼器,辅助墩的受力受塔—梁处设阻尼器的影响很小)。具体分析结果的比较见表1、2。

最终确定阻尼器的布置位置方案还需考虑正常使用要求和其他因素。因此,随后的阻尼器参数分析就针对这两种布置方案分别进行。此外经初步分析表明:在其他条件均相同的情况下,不同地震波作用下结构中的粘滞阻尼器发挥的效果并不相同,因此,笔者采用上海国际航运中心洋山深水港工程场地地震安全性评价报告提供的6组地震波进行非线性时程分析,由这些地震波作用下结构关键部位响应的平均值来确定粘滞阻尼器的合理参数。

-15860

塔:9087、辅助墩:3960

注:表2为一组地震波的计算结果比较。

4粘滞阻尼器参数的确定

ξ选取的不从式(1)可知,粘滞阻尼器参数C、

同,粘滞阻尼器对结构响应的影响也不同。因此,需

对结构引入粘滞阻尼器的情况进行结构响应分析,

ξ进行参数敏感性分析,主要考虑对阻尼器参数C、

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提供依据。仅布置在塔—梁连接处的参数确定

通过对6组地震波进行非线性时程分析,对粘滞阻尼器设置在主塔—主梁连接处(各一个)的情况4.1

进行了结构地震响应分析比较,以不设阻尼器的结构响应为比较标准。分析工况见表3。

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,如主塔顶部和伸缩缝处的位移,避免或减轻伸缩缝处在地震作用下结构可能发生的碰撞损坏;同时又考虑利用阻尼器降低结构关键部位的受力,如主塔底部、中塔柱和辅助墩底等部位的轴力、剪力和弯矩等的

40中　国　公　路　学　报　　　　　　　　　　　　　　　2005年

响应量(后文中仅给出主塔底部和辅助墩底受力的

结果),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5～12。

表3

Tab.3

参数分析工况

Casesofparametersanalysis

地震水平水准Ⅱ,对地表

6组地震波分

C

[***********][**************]0

0.20.

20.3

0.3

0.3

0.51.0

0.20.30.51.0

0.20.30.51.0

0.20.30.5

1.

ξ

0.30.51.0

别进行这些工

况的参数分析

图8

Fig.8

主梁—相邻联主梁相对位移1

Relativedisplacement1atexpansionjoint

图5

Fig.5

塔底弯矩1

Fig.9

图9塔底弯矩2

Moment

Moment2oftowerbottom

图6

Fig.6

阻尼器阻尼力1

Fig.10

图10阻尼器阻尼力2

Dampingforce1ofviscousdamperDampingforce2ofviscousdamper

图7

Fig.7

塔—梁相对位移1

Fig.11

图11塔—梁相对位移2

Relativedisplacement1betweentowerandgirder

Relativedisplacement2betweentowerandgirder

　　从图5、6、9、10可看出:塔底弯矩、阻尼器阻尼

力随ξ值增大而减小,塔底弯矩从0.2～0.4衰减较快,后趋于平缓;随C值增大而增大,且ξ取值越小,

增大趋势越明显。倾向于阻尼系数C取小值,指数ξ取大值。从图7、8、11、12可看出:关键部位的位移响应随ξ值的增大而增大,随C值的增大而减小。

第3期　　　　　　　　　　　　王志强,等:东海大桥粘滞阻尼器参数研究

4.2

41

布置在塔—梁连接处和辅助墩处的参数确定

参考仅主塔处设置阻尼器参数分析的变化规律,此处确定的分析工况与表3基本类似。根据计算结果的分析,结构关键部位响应量随粘滞阻尼器参数变化规律与仅在塔—梁处设置阻尼器的规律相似,此处仅给出选定合理参数的计算结果,并与不设阻尼器的情况进行比较,如表6～9所示。

比较各分析工况计算结果,以减小结构位移为目的,兼顾考虑结构关键部位的内力响应量值不增大(与不设阻尼器相比),则阻尼器合理的参数范围变化

ξ为:主塔处C塔=10000、塔=0.3左右;阻尼器的阻尼ξ力为9000kN左右;辅助墩处C墩=4000、墩=1.0

左右,阻尼器阻尼力为4500kN左右。

比较表4、6、8以及表5、7、9辅助墩处受力和主梁—辅助墩相对位移可知:,。

图12

Fig.12

主梁—相邻联主梁相对位移2

Relativedisplacement2atexpansionjoint

倾向于C取大值,ξ取小值。

从这些变化规律及结构关键部位的响应量值可看出:在以不增大结构构件内力的前提下,最大限度地降低关键部位位移为目的的条件下,比较合适的阻尼器参数范围约为C=13000,ξ=0.3～0.5,阻尼力大约为12000kN,表4、5给出了选定参数情况下结构关键部位的响应值。

表4

分析工况

P/C塔0.3)

Forcesections

W35.189×1044.096×1041.342×1061.223×1041.154×1042.553×105

W45.098×1044.723×1041.610×1061.236×1049.706×1032.222×105

W54.598×1043.873×1041.309×1061.235×1041.111×1042.526×105

W64.776×1043.823×1041.226×1061.155×1041.074×1042.365×105

2334204×1041.595×1061.389×1041.099×1042.452×105

V/kN

5.733×1045.153×1042.149×1061.578×1049.611×1032.101×105

平均值

5.105×1044.312×1041.539×1061.303×1041.062×1042.370×105

塔　　底

M/(kN・m)

P/kN

辅助墩墩底V/kNM/(kN・m)

注:W1,…,W6为6组地震波,后文同。

表5ξ控制截面的位移最大值2(C塔=13000、塔=0.3)

Tab.5

Maximumdisplacement2ofkeysections

W227.423.537.329.225.611121

W324.623.639.030.424.110817

W434.529.943.024.829.711995

W532.230.325.031.632.311418

W618.613.130.619.217.410574

分析工况塔顶位移/cm塔与主梁相对位移/cm主梁与辅助墩相对位移/cm主梁与边墩相对位移/cm主桥主梁与引桥主梁相对位移/cm

阻尼器阻尼力/kN

W130.225.131.425.421.812093

平均值

27.924.334.426.825.21.134×104

表6

Tab.6

分析工况

P/kN

控制截面的内力3(不设阻尼器情况)

Force3ofkeysections(withoutviscousdamper)

W26.409×1044.795×1041.944×1061.995×1049.795×1032.163×105

W36.070×1043.581×1041.299×1061.546×1041.139×1042.493×105

W45.081×1045.380×1041.377×1061.526×1049.676×1032.166×105

W55.222×1044.498×1041.411×1061.501×1041.102×1042.498×105

W64.386×1044.094×1041.623×1061.405×1041.069×1042.345×105

W16.425×1045.777×1041.877×1061.767×1041.117×1042.503×105

平均值

5.599×1044.688×1041.589×1061.623×1041.062×1042.361×105

塔　　底V/kNM/(kN・m)

P/kN

辅助墩墩底V/kNM/(kN・m)

42

表7

Tab.7

分析工况塔顶位移/cm塔与主梁相对位移/cm主梁与辅助墩相对位移/cm主梁与边墩相对位移/cm主梁与引桥主梁相对位移/cm

W154.951.339.445.446.1

中　国　公　路　学　报　　　　　　　　　　　　　　　2005年

控制截面的位移最大值3(不设阻尼器情况)

W258.442.443.640.142.8

W347.644.362.649.447.4

W437.538.244.538.846.3

W550.751.245.247.953.2

W642.033.843.539.740.3

Maximumdisplacement3ofkeysections(withoutviscousdamper)

平均值

48.543.546.543.646.0

表8

分析工况

P/kN

ξξ控制截面的内力最大值(C塔=10000、C墩=4000、塔=0.3、墩=1.0)

Tab.8

W15.460×1044.293×1041.508×1061.424×1046.542×1031.895×105

W25.695×1045.005×1042.084×1061.650×1049.161×1032.610×105

Maximumforceofkeysections

W35.325×1044.000×1041.280×1061.229×1048.285×1032.342×105

W45.026×1044.580×1041.483×1061.213×1048.747×1032.517×105

W54.686×1043.920×1041.207×1061.222×1047.830×1032.146×105

W64.646×1043.828×1041.237×1061.136×1048.841×1032.504平均值

5.140×1044.271×1041.467×1061.312×1048.234×1032.336×105

塔　　底V/kNM/(kN・m)

P/kN

辅助墩墩底V/kNM/(kN・m)

表9

分析工况塔顶位移/cm塔与主梁相对位移/cm主梁与辅助墩相对位移/cm主梁与边墩相对位移/cm阻尼器阻尼力/kN

辅助墩

ξ控制截面的位移最大值4(C塔=10000、C墩4000塔=0.3、1.Tab.9

W131.026.522.594633389

Maximumdisplacement4W227.67225.886474940

W3024.9331.025.083214170

W428.930.522.327.493034616

532.731.327.931.632.588543614

W618.914.125.819.918.482004710

平均值

28.024.928.526.625.287984240

5结语

(1)在主桥纵桥向引入粘滞阻尼器,可以有效地

器,则较合理的阻尼器参数范围为:主塔C塔=

ξξ10000、塔=0.3左右,辅助墩处C墩=4000、墩=1.0左右。

减小结构关键部位的位移,同时也适当改善了结构

的受力,避免或减轻了碰撞可能引起的结构损坏。

(2)该桥粘滞阻尼器的设置位置有两种可能方案:一是仅在塔—梁处布置;二是同时在辅助墩处也设置阻尼器。仅在塔—梁处设阻尼器,对辅助墩处响应的影响较小,而在辅助墩处也设阻尼器,既可保证其他部位的减震效果,又可较明显地改善辅助墩处的响应。仅从抗震角度考虑,后一方案优于前一方案。但实际采用哪一方案,还需综合考虑桥梁的实际情况和使用条件的限制因素来确定。

(3)从分析结果来看:主桥引入阻尼器以后,当阻尼器参数选小的时候,结构的位移和塔底的弯矩同时减小,但当阻尼器参数选大的时候,此时位移仍减小,但塔底的弯矩呈增大的趋势。根据选择原则确定阻尼器参数,仅在塔梁处设置粘滞阻尼器,每个塔处设置一个,则合理的阻尼器参数范围为:C=

ξ=0.3左右;如果在辅助墩处也设置阻尼13000、

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