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:A

R esearch on seis m ic response reduction wit h viscous da mpers

in the rail w ay steel truss girder bridge

Z 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)。

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