粘滯阻尼器對連續(xù)梁橋地震響應分析的影響

粘滯阻尼器對連續(xù)梁橋地震響應分析的影響

大而同步梁具有結構體系清晰、施工技術成熟、成本最低等優(yōu)點，在所有類型的橋梁中都很常見。近年來,隨著抗震設計越來越引起人們的重視,大跨度連續(xù)梁的抗震性能與減隔振設計也越來越受到人們的關注。大跨度連續(xù)梁因其跨度大,梁體高,自重大,在地震作用時會產生較大的地震水平力,而一般的連續(xù)梁支承體系,在順橋向只在一個橋墩上設置縱向約束,導致縱向地震力大都由該橋墩獨自承受,對結構極為不利。因此,大跨度連續(xù)梁橋抗震設計的重點是如何將地震水平力盡可能地均勻分配到各個橋墩上。為此,粘滯阻尼器(FVD)及減震專用支座(SSAB)作為分配水平力的有效手段,被越來越多的應用到工程實例中。1預應力混凝土小箱梁橋梁總體布置田東平洪右江大橋是巫溪(重慶)至友誼關(廣西)公路平洪至福蘭(田東段)上的1座特大橋,在田東縣平洪跨越右江,其主橋為(88+152+88)m現(xiàn)澆連續(xù)箱梁,兩岸各接1×30m預應力混凝土小箱梁,橋梁全長396.40m。橋梁全寬28m,按雙幅橋布置,單幅橋寬13.65m。箱梁墩頂處梁高9.5m,跨中處梁高4m。橋梁主墩(2號和3號橋墩)采用翼板墻實體墩,下配承臺及群樁基礎;過渡墩采用雙圓柱式墩;橋臺采用肋板式臺。橋型總體布置見圖1。橋位所在區(qū)域地震動峰值加速度為0.150g,特征譜反應周期為0.35s。橋位場地地質構造活動穩(wěn)定,現(xiàn)狀自然邊坡穩(wěn)定,上部地層主要為中硬土層,下伏基巖為穩(wěn)定的第三系泥巖(粉砂巖),無軟弱及可液化土層,總體上場地屬抗震有利地段?，F(xiàn)場波速測試,工程場地類別為Ⅱ類。2沒有設阻尼器時,各橋墩之間的地震響應分析利用大型通用軟件Midas建立有限元模型,將全橋離散為461個梁單元,建模時不考慮引橋及過渡墩的影響。利用m法模擬樁土聯(lián)合作用,利用主從關系模擬主墩支座約束,其中,2號主墩設縱向約束,3號主墩及邊墩縱向自由。為能模擬粘滯阻尼器等非線性彈塑性元件的作用,需進行順橋向E2地震作用下的時程分析。進行時程分析時,地震波采用收錄地震波(1940,ElCentroSite,270Deg),其峰值對比反應譜峰值加速度進行了調整,調整系數(shù)為0.709。不設阻尼器時進行時程分析,主要控制截面的計算結果如下:2號墩底最大彎矩529.90MN·m,墩底最大剪力43.67MN;3號墩底最大彎矩145.00MN·m,墩底最大剪力20.61MN。從以上結果可知,不設阻尼器時,縱向約束橋墩受力遠大于縱向自由橋墩,縱向自由橋墩僅承受地震動時橋墩自身所產生的地震力。有限元計算模型見圖2。3阻尼器的參數(shù)設計液體粘滯阻尼器通過活塞與容器間的相對運動提供阻尼力,達到減震耗能的目的。粘滯阻尼器沒有起始剛度,對于溫度變化、收縮徐變等因素引起的梁體慢速變形不產生附加內力,而對于地震動產生的結構快速變形,卻能迅速耗能,并且能減小結構的加速度和位移。粘滯阻尼器的力學模型有5種:Maxwell模型、Kelvin模型、Wiechert模型、基于小數(shù)導數(shù)形式的模型以及有限元模型。通常采用的是Maxwell模型,如圖3所示。在該模型中包括阻尼特性和連接剛度2個部分,兩者之間相互串聯(lián),與實際阻尼器特性相符。Maxwell模型的恢復力表達式如下:其中:Cd為阻尼系數(shù);v0為參考速度;α為阻尼指數(shù),決定阻尼器的非線性特性的常數(shù)(阻尼力作用方向與位移速度的方向相反,并與速度絕對值的α次方成正比)。當阻尼器與橋梁結構的連接節(jié)點為剛性時,液體粘滯阻尼器的輸出力計算公式為式中:F為阻尼力;C為阻尼常數(shù);V為相對速度;α為阻尼指數(shù)。阻尼力和最大位移是確定阻尼器型號的主要指標,而阻尼常數(shù)和阻尼指數(shù)是阻尼器控制作用大小的2個關鍵參數(shù)。選用阻尼器時,可先根據(jù)計算確定阻尼力及位移,然后選取合適的阻尼參數(shù)。阻尼指數(shù)α常用為0.30~1.00,一般可取0.35。阻尼常數(shù)C與阻尼器型號及構件尺寸有關,根據(jù)廠家的經驗數(shù)據(jù),阻尼常數(shù)C的取值一般可取為設計阻尼力F的0.7~0.8倍,本文取0.8F。對于本橋,采用了以下幾種阻尼器布置方式。方式一,2號和3號主墩均設置阻尼器,邊墩不設;方式二,2號主墩設置阻尼器,其他墩不設;方式三,3號主墩設置阻尼器,其他墩不設;方式四,主墩、邊墩均設置阻尼器。對于布置方式一,選用了阻尼力分別由2~20MN(此阻尼力是指同一橋墩上各阻尼器阻尼力的總和)的不同型號阻尼器進行計算,其主要控制截面的計算結果見圖4。從圖4可知:設置阻尼器后,橋墩的受力狀況有明顯的改善,隨著阻尼力的增大,2號和3號橋墩的受力逐漸趨于接近,即固定墩將更多的內力分配給了活動墩;但隨著阻尼力的增大,3號墩的受力逐漸增大,而2號墩的受力則是先減小,后增大。對于本例,當阻尼力F=16MN左右時,2號墩受力達到最小,之后慢慢增大。究其原因,應是阻尼力的增大超過了內力的分配效應。由此可見,阻尼器的型號并非越大越好,而應根據(jù)體系的受力特性來選取;同時,為避免阻尼器安裝部位混凝土產生過大的局部應力,單個阻尼器的阻尼力一般不宜超過2MN。綜合考慮,本橋單個主墩設置4個2MN阻尼器,總阻尼力F=8MN。對于布置方式二,其計算結果與不設阻尼器時基本一致。對于布置方式三,其計算結果與2號和3號主墩均設置阻尼器時基本一致。由此可知:采用常規(guī)固定支座約束時,由于支座與墩、梁均為固接,使得墩、梁之間無相對運動,在此處設置阻尼器不起作用。對于布置方式四,主墩選用F=8MN的阻尼器,邊墩選用了阻尼力分別由1~10MN的不同型號阻尼器進行計算,其主要控制截面的計算結果見圖5。由圖5可知:在邊墩設置阻尼器后,2號和3號主墩的受力進一步有所改善。其中,2號墩受力的變化趨勢與主墩設阻尼時類似,即隨著邊墩阻尼力的增加,2號墩的受力先逐漸減小,但減小的速度快速衰減,當阻尼力達到一定值時,2號墩受力達到最小值,此后轉而慢慢增大。3號墩的受力隨著邊墩阻尼力的增加但總體變化幅度不大。從計算結果可知:邊墩阻尼對主墩受力有一定改善,但隨著阻尼力的增大,阻尼器的效應越發(fā)不明顯,因此,每個邊墩上選用了2個阻尼力500kN的阻尼器,總阻尼力F=1MN。綜上所述,在采用常規(guī)盆式支座的情況下,本橋較優(yōu)的阻尼器布置方式為:在3號主墩設置總阻尼力為8MN的阻尼器,在邊墩各設置總阻尼力為1MN的阻尼器。類似結構阻尼器布置方式的確定及型號選取也可參照以上過程進行。4活動盆式解釋使用常規(guī)盆式支座時,設置阻尼器可使縱向約束橋墩的受力大為改善,使得縱向自由橋墩分擔了更多的受力,使二者的受力更為接近。但從計算結果來看,縱向約束橋墩與縱向自由橋墩之間的受力仍有一定的差異。從前面分析可知:一味地增大阻尼器型號并不有利,因此,當?shù)卣鹆^大時,仍有可能導致支座水平力超標或橋墩破壞。為此,人們對常規(guī)盆式支座進行了改良,推出了減震專用支座。該支座在正常使用荷載作用下性能與常規(guī)盆式支座相同,當?shù)卣鹚搅Τ^某一限值時,支座在保持豎向承載能力的同時可實現(xiàn)二次位移能力。對于固定支座而言,可解除水平約束,轉化為自由支座,從而釋放水平力,使得約束墩與自由墩之間的受力更為接近。同時,為了避免結構成為漂浮體系,控制結構位移,此類支座一般與阻尼器配合使用。此類支座的力學特性在一定程度上與活動盆式支座相類似:在支座水平力未達到限值Fy之前(對于減震專用支座,此限值為廠家制作時根據(jù)設計要求而特定的支座水平力承載極限值;對于活動盆式支座,此限值為滑動摩阻力),支座與梁之間無相對位移,支座水平反力隨著荷載的增大而增大,支座水平向剛度可近似取為k=Fy/0.002;在支座水平力達到限值Fy后,支座與梁之間產生相對滑動,支座水平反力固定為滑動摩阻力,支座水平剛度近似為0。二者的區(qū)別在于:對于活動盆式支座,滑動前后支座水平力是連續(xù)的;而對于減震專用支座,滑動前后支座水平力有一個突變,因為一般而言,支座水平力承載極限值要遠大于摩阻力。采用滯后系統(tǒng)來模擬減震支座及活動支座,其恢復力模型如圖6所示。圖6中:k為彈性剛度;Fy為屈服強度;r為屈服后強度與屈服前強度之比,r=0。取邊墩阻尼F=1MN,主墩阻尼F=8MN,而對于減震專用支座的屈服強度Fy,由于支座水平力在滑動前后有突變,采用滯后系統(tǒng)尚無法精確模擬,故取2種極端情況分別進行計算:(1)取Fy為設定的減震專用支座水平力限值(此限值可根據(jù)受力要求而確定并由廠家根據(jù)此要求定制支座,當支座水平力達到此限值時支座轉入滑動),可準確模擬支座在滑動前的工作狀況,而在滑動后,由于支座水平力要大于實際值,故設置減震專用支座的橋墩受力要大于實際值,故計算結果是偏于安全的。(2)取Fy為支座滑動摩阻力,此時在較小的地震力作用下支座即轉為滑動,從而使得設置減震專用支座的橋墩與設活動支座的橋墩受力趨于一致,故計算結果是偏于不安全的。而真實的情況是介于二者之間的,設計時可按前者進行控制。按以上2種情況分別計算,對于情況(1),根據(jù)廠家提供的資料,支座水平力達到豎向承載力(45MN)的15%時,支座可實現(xiàn)二次位移,取Fy=45×15%×2=13.5(MN);對于情況2,Fy=72.615(恒載反力)×0.03(摩阻系數(shù))=2.178(MN)。計算結果見表1。從計算結果可知:當減震專用支座轉入滑動狀態(tài)后,縱向約束橋墩的受力較之設置普通支座時有明顯減小,相應地,縱向自由橋墩的受力有一定的增大,二者之間的差異顯著減小;當屈服強度采用設定的減震專用支座水平力限值時,二者之間仍有一定的差異,但較之采用普通支座時差距大大減小;當屈服強度采用滑動摩阻力時,二者之間的受力基本一致。由此可見:當?shù)卣鹆^大時,單獨采用阻尼器并不能完全達到理想的效果,采用減震專用支座與其配合使用可進一步改善橋墩受力,設計時可取屈服強度為設定的減震專用支座水平力限值進行控制。需要注意的是:若地震力較小,支座水平力未達到設定的減震專用支座水平力限值,則設置減