基于黏滞液体阻尼器的铁路钢桁梁桥减震研究

第25卷,第4期2009年12月 世 界 地 震 工 程W ORLD E ARTHQUAKE ENGI NEER I N G V o.l 25,N o .4D ec .2009 收稿日期:2009-07-11; 修订日期:2009-08-01基金项目:铁道部科技研究开发计划项目(2006G014)作者简介:张永亮(1975-),男,讲师,博士研究生,主要从事桥梁抗震方面研究 E m ai:l z hangyong_L @126.co m文章编号:1007-6069(2009)04-0097-06基于黏滞液体阻尼器的铁路钢桁梁桥减震研究张永亮,陈兴冲,吴海燕(兰州交通大学土木工程学院,甘肃兰州730070)摘 要:以某高墩大跨度铁路简支钢桁梁桥为实际工程背景,研究了黏滞液体阻尼器对结构纵向抗震性能的影响。

采用非线性时程分析方法,对黏滞液体阻尼器的相关参数及布置位置进行了优化分析。

分析结果表明:合理选择黏滞液体阻尼器的布置位置、个数及阻尼参数,高墩大跨铁路简支钢桁梁桥具有明显的减震效果。

关键词:时程分析;简支钢桁梁桥;黏滞阻尼器;高墩中图分类号:U 442;P351 966 文献标志码:AR esearch on seis m ic response reduction wit h viscous da mpersin the rail w ay steel truss girder bridgeZ HANG Yong liang ,C HEN X i n gchong ,WU H a i y an(Schoo l ofC i vil Engi n eeri ng ,Lan z hou Jiaot ong Un i versit y ,Lan z hou 730070,C h i na)Abst ract :Research o f long itudina l aseis m ati c perfor m ance for a long span rail w ay si m p l y supported steel truss g ir d er bridge on ta ll piers w it h non linear v iscous da mpers is presented .Opti m um analysis on the position and re lated para m eters of the supple m ental non linear v iscous da mpers is perfor m ed by usi n g non linear ti m e h istory response a nalysis .The results sho w that if the positi o n ,numbers ,para m eters of viscous da mpers are reasonably selected,si g n ificant effect o f seis m i c response reducti o n can be obtai n ed for the long span ra il w ay si m p l y supported stee l tr uss g ir der bridge on the tall p iers .K ey w ords :ti m e h istory analysis ;si m p l y supported steel truss g ir der bridge ;v iscous da m per ;ta ll pier引言随着我国国民经济和交通事业的发展,高墩桥梁日益增多,尤其是我国西南、西北山区跨越深沟峡谷或大江大河的公路和铁路上往往采用高墩桥梁跨越。

目前已修建了多座墩高百米左右的大跨度铁路桥梁。

由于这些地区大部分处于高烈度地震区,地震时一旦破坏修复极其困难,因此高墩大跨度桥梁的抗震性能研究已受到越来越多的关注[1]。

传统的结构抗震设计是通过增加结构自身的强度和变形能力来提高其抗震性能,通过适当选择塑性铰位置和采用合理的构造设计等措施来防止结构的倒塌,但结构在地震作用下将不可避免的出现大范围的损伤。

文献[2-4]对高墩地震反应中高阶振型的影响问题进行了研究,指出高阶振型对高墩地震反应的影响较大,在地震作用下可能会形成2个以上的塑性铰。

显然,由于高墩在强震发生时塑性铰位置的分散与不确定性,使得高墩的延性设计十分困难。

因此,减隔震设计就成为高墩大跨度桥梁的一种重要的抗震措施。

消能减震技术是利用在结构中设置特殊的减震元件或装置,使之在地震发生时消耗传入结构体系的振动能量,从而降低结构振动反应。

与常规的抗震设计方法相比,减、隔震设计可以从根本上减小桥梁结构的地震响应,使其在地震作用下免受破坏,提高桥梁结构的抗震安全性[5]。

黏滞液体阻尼器是提高桥梁抗震能力常用的减震元件,目前在国内外的多座桥梁上已安装了液体黏滞阻尼器,如美国的金门大桥和奥克兰海湾大桥,国内的重庆鹅公岩大桥、上海卢浦大桥和苏通长江大桥等都安装了液体黏滞阻尼器。

但在高墩大跨度铁路简支钢桁梁桥使用液体黏滞阻尼器的研究相对较少。

本文以高墩大跨度铁路简支钢桁梁桥为工程背景,在纵桥向引入黏滞液体阻尼器提高该桥顺桥向的抗震性能,探讨了黏滞液体阻尼器在高墩桥梁中的适用性和有效性。

通过非线性时程反应分析,确定了黏滞阻尼器的合理参数及布置位置,可供工程设计参考。

1 非线性黏滞阻尼器的力学模型非线性黏滞阻尼器的基本构造由活塞、油缸及节流孔组成,基本构造见图1。

黏滞阻尼器的阻尼力取决于速度,对温度变化、较小风速和车辆等缓慢作用的荷载不起作用,对地震荷载起耗能减震作用。

黏滞液体阻尼器的阻尼力与相对变形的速度关系,可表达为:F =Cv (1)式中:F 为阻尼力;C 为阻尼系数;v 为速度; 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),当阻尼器参数C =1时,阻尼器滞回曲线的形状为椭圆。

阻尼器常用M ax w e ll 模型模拟,由弹簧和阻尼器2部分组成,其力为:F =K d K +C sgn (d c ) |d c |(2)图1 黏滞阻尼器基本构造F ig 1 Basic constit ution o f v i scous da mper 变形为:d =d K +d c ,其中,d K ,d c 分别为弹簧的变形和阻尼器的变形;K 为弹簧刚度;C 为阻尼器阻尼系数;d s 为阻尼器的变形速率。

对于纯阻尼器,只要使K 足够大,就可以忽略弹簧的影响[6]。

根据黏滞阻尼器的力学模型知,当阻尼指数为1时,因阻尼器的反力与速度成比例,所以在桥墩达到最大变形时,黏滞阻尼器的阻尼力反而最小,接近于0。

在桥墩变形速度最大时,黏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。

因此黏滞阻尼器的使用并不显著增加桥墩的受力[7,8]。

2 计算模型及分析方法本文以某高墩大跨度铁路桥梁为工程背景,该桥主桥为3 98m 简支钢桁梁桥。

采用钢筋混凝土空心桥墩,其最高墩为2号墩,墩身高92m,最矮墩为4号墩,墩身高42m 。

桥梁主跨两侧的相邻跨为32m 预应力混凝土简支梁。

主桥桥址位于8度地震区,工程场地类别为!类。

主桥立面布置见图2。

抗震分析中,墩、梁及承台均采用梁单元模拟,支座采用主从自由度约束模拟。

地基及基础对结构的作用简化成平动及转动弹簧施加于承台底。

黏滞液体阻尼器采用专门的单元模拟,根据该桥的结构及支座布置特点,本文对阻尼器的布置位置采用了2种方案。

方案1:在1、2及3号墩活动支座处均设置黏滞液体阻尼器,见图3(a);方案2:仅在1号及2号墩活动支座处设置黏滞液体阻尼器,见图3(b)。

98世 界 地 震 工 程 第25卷图2 主桥立面布置F i g .2 T he verti ca l layou t of m ai n br idge图3 阻尼器及支座布置示意图F i g.3 Ske tch of arrangem ent o f dampers and bea ri ngs注:图3中, 表示固定支座,∀ 表示双向活动支座, 表示纵桥向阻尼器, 表示横向活动支座。

地震反应分析中,地震波从承台底沿顺桥向输入。

时程分析中选用地震安全性评价报告中的3条罕遇地震波,其加速度峰值为0.49g ,图4为一典型的罕遇地震的地震动时程。

图4 罕遇地震波F i g .4 A rare earthquake wave 没有黏滞阻尼器时,结构的阻尼通常采用Rayle i g h 阻尼矩阵,即:C =!M +∀K(3) 式中:!=2 j #i - i #j #i 2-#j 2#i #j ∀=2 j #i - i #j#i 2-#j 2(4) 提取顺桥向振动的前两阶模型的自振频率,假定各阶振型的阻尼比均为0.05,算得!=0.231,∀=0.01065。

有黏滞阻尼器时,结构的阻尼由2部分组成,一部分为结构自身的阻尼,另一部分为黏滞液体阻尼器的附加阻尼。

3 减震性能分析在结构地震反应分析中,由于不同的地震波其频谱特性不同,导致结构中的阻尼器发挥的减震效果不同。

为了合理地描述阻尼器的减震效果,本文采用3条地震波作用下结构关键部位响应的均值来衡量。

为了对比减震效果,抗震计算时首先计算了普通支座桥梁的弹性地震反应,然后对不同参数的黏滞液体阻尼器计算非线性时程反应。

取墩底弯矩、墩底剪力和墩顶位移作为比较的反应量。

本文定义减震率如下:减震率=[(无阻尼器时的地震反应-有阻尼器时的地震反应)/无阻尼器时的地震反应] 100%.3.1 阻尼器布置方案1首先假定黏滞阻尼器的阻尼指数 等于1,取阻尼系数C 分别为1000、3000、5000、7000、10000、15000及20000(kN s /m ),进行了非线性时程反应分析,计算结果见图5~图8。

为了进一步讨论阻尼器的参数变化对减震性能的影响,本文也对非线性黏滞液体阻尼器的减震性能进99第4期 张永亮,等:基于黏滞液体阻尼器的铁路钢桁梁桥减震研究行了分析。

本文分别取 =0.2,0.5,0.7,1.0;阻尼系数C =3000,5000,7000,10000(kN s /m )。

计算结果见图9~图14。

由于1号墩与4号墩、2号墩与3号墩的减震效果及规律基本相同,这里限于篇幅,仅给出1号墩及2号墩的分析结果。

图5 1号墩减震率F i g.5 Se i s m ic response reduc tion ra ti o o f 1#p i er 图6 2号墩减震率F ig .6 Se is m ic response reducti on rati o o f 2#pier图7 3号墩减震率F i g.7 Se i s m ic response reduc tion ra ti o o f 3#p i er 图8 4号墩减震率F ig .8 Se is m ic response reducti on rati o o f 4#pier图9 1号墩底剪力减震率F i g.9 reduction ra tio of 1#p i er bo ttom shear 图10 1号墩底弯矩减震率F ig .10 R educti on rati o o f 1#pier botto m moment图11 1号墩顶位移减震率F i g .11 R eduction ratio of 1#p i er top displace m ent 图12 2号墩底剪力减震率F i g.12 R educti on rati o o f 2#p ier bott om shear100世 界 地 震 工 程 第25卷图13 2号墩底弯矩减震率F i g .13 R educti on ratio of 2#pier bo tto m m o m ent 图14 2号墩顶位移减震率F ig .14 R educti on rati o o f 2#pier top d i sp lacem ent从图5~图8可知:(1)当阻尼系数在3000~7000(kN s/m )时,2号、3号墩的墩底弯矩及墩顶位移减震效果最佳,减震率约35%;(2)墩底剪力的减震效果比墩顶位移及墩底弯矩的减震效果要差,且曲线较为平缓,随阻尼系数的变化并不明显。