粘滯阻尼器對連續(xù)梁橋地震響應(yīng)分析的影響

粘滯阻尼器對連續(xù)梁橋地震響應(yīng)分析的影響

大而同步梁具有結(jié)構(gòu)體系清晰、施工技術(shù)成熟、成本最低等優(yōu)點(diǎn)，在所有類型的橋梁中都很常見。近年來,隨著抗震設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)也越來越受到人們的關(guān)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(shí)會(huì)產(chǎn)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(gè)橋墩上設(shè)置縱向約束,導(dǎo)致縱向地震力大都由該橋墩獨(dú)自承受,對結(jié)構(gòu)極為不利。因此,大跨度連續(xù)梁橋抗震設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是如何將地震水平力盡可能地均勻分配到各個(gè)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(yīng)用到工程實(shí)例中。1預(yù)應(yīng)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(guān)(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?yàn)?88+152+88)m現(xiàn)澆連續(xù)箱梁,兩岸各接1×30m預(yù)應(yīng)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?qū)?3.65m。箱梁墩頂處梁高9.5m,跨中處梁高4m。橋梁主墩(2號(hào)和3號(hào)橋墩)采用翼板墻實(shí)體墩,下配承臺(tái)及群樁基礎(chǔ);過渡墩采用雙圓柱式墩;橋臺(tái)采用肋板式臺(tái)。橋型總體布置見圖1。橋位所在區(qū)域地震動(dòng)峰值加速度為0.150g,特征譜反應(yīng)周期為0.35s。橋位場地地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)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(shè)阻尼器時(shí),各橋墩之間的地震響應(yīng)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(gè)梁單元,建模時(shí)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(guān)系模擬主墩支座約束,其中,2號(hào)主墩設(shè)縱向約束,3號(hào)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(jìn)行順橋向E2地震作用下的時(shí)程分析。進(jìn)行時(shí)程分析時(shí),地震波采用收錄地震波(1940,ElCentroSite,270Deg),其峰值對比反應(yīng)譜峰值加速度進(jìn)行了調(diào)整,調(diào)整系數(shù)為0.709。不設(shè)阻尼器時(shí)進(jìn)行時(shí)程分析,主要控制截面的計(jì)算結(jié)果如下:2號(hào)墩底最大彎矩529.90MN·m,墩底最大剪力43.67MN;3號(hào)墩底最大彎矩145.00MN·m,墩底最大剪力20.61MN。從以上結(jié)果可知,不設(shè)阻尼器時(shí),縱向約束橋墩受力遠(yuǎn)大于縱向自由橋墩,縱向自由橋墩僅承受地震動(dòng)時(shí)橋墩自身所產(chǎn)生的地震力。有限元計(jì)算模型見圖2。3阻尼器的參數(shù)設(shè)計(jì)液體粘滯阻尼器通過活塞與容器間的相對運(yùn)動(dòng)提供阻尼力,達(dá)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(chǎn)生附加內(nèi)力,而對于地震動(dòng)產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)快速變形,卻能迅速耗能,并且能減小結(jié)構(gòu)的加速度和位移。粘滯阻尼器的力學(xué)模型有5種:Maxwell模型、Kelvin模型、Wiechert模型、基于小數(shù)導(dǎo)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(gè)部分,兩者之間相互串聯(lián),與實(shí)際阻尼器特性相符。Maxwell模型的恢復(fù)力表達(dá)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(dāng)阻尼器與橋梁結(jié)構(gòu)的連接節(jié)點(diǎn)為剛性時(shí),液體粘滯阻尼器的輸出力計(jì)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(hào)的主要指標(biāo),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(gè)關(guān)鍵參數(shù)。選用阻尼器時(shí),可先根據(jù)計(jì)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(hào)及構(gòu)件尺寸有關(guān),根據(jù)廠家的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),阻尼常數(shù)C的取值一般可取為設(shè)計(jì)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(hào)和3號(hào)主墩均設(shè)置阻尼器,邊墩不設(shè);方式二,2號(hào)主墩設(shè)置阻尼器,其他墩不設(shè);方式三,3號(hào)主墩設(shè)置阻尼器,其他墩不設(shè);方式四,主墩、邊墩均設(shè)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(hào)阻尼器進(jìn)行計(jì)算,其主要控制截面的計(jì)算結(jié)果見圖4。從圖4可知:設(shè)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(hào)和3號(hào)橋墩的受力逐漸趨于接近,即固定墩將更多的內(nèi)力分配給了活動(dòng)墩;但隨著阻尼力的增大,3號(hào)墩的受力逐漸增大,而2號(hào)墩的受力則是先減小,后增大。對于本例,當(dāng)阻尼力F=16MN左右時(shí),2號(hào)墩受力達(dá)到最小,之后慢慢增大。究其原因,應(yīng)是阻尼力的增大超過了內(nèi)力的分配效應(yīng)。由此可見,阻尼器的型號(hào)并非越大越好,而應(yīng)根據(jù)體系的受力特性來選取;同時(shí),為避免阻尼器安裝部位混凝土產(chǎn)生過大的局部應(yīng)力,單個(gè)阻尼器的阻尼力一般不宜超過2MN。綜合考慮,本橋單個(gè)主墩設(shè)置4個(gè)2MN阻尼器,總阻尼力F=8MN。對于布置方式二,其計(jì)算結(jié)果與不設(shè)阻尼器時(shí)基本一致。對于布置方式三,其計(jì)算結(jié)果與2號(hào)和3號(hào)主墩均設(shè)置阻尼器時(shí)基本一致。由此可知:采用常規(guī)固定支座約束時(shí),由于支座與墩、梁均為固接,使得墩、梁之間無相對運(yùn)動(dòng),在此處設(shè)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(hào)阻尼器進(jìn)行計(jì)算,其主要控制截面的計(jì)算結(jié)果見圖5。由圖5可知:在邊墩設(shè)置阻尼器后,2號(hào)和3號(hào)主墩的受力進(jìn)一步有所改善。其中,2號(hào)墩受力的變化趨勢與主墩設(shè)阻尼時(shí)類似,即隨著邊墩阻尼力的增加,2號(hào)墩的受力先逐漸減小,但減小的速度快速衰減,當(dāng)阻尼力達(dá)到一定值時(shí),2號(hào)墩受力達(dá)到最小值,此后轉(zhuǎn)而慢慢增大。3號(hào)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(jì)算結(jié)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(yīng)越發(fā)不明顯,因此,每個(gè)邊墩上選用了2個(gè)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(hào)主墩設(shè)置總阻尼力為8MN的阻尼器,在邊墩各設(shè)置總阻尼力為1MN的阻尼器。類似結(jié)構(gòu)阻尼器布置方式的確定及型號(hào)選取也可參照以上過程進(jìn)行。4活動(dòng)盆式解釋使用常規(guī)盆式支座時(shí),設(shè)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(dān)了更多的受力,使二者的受力更為接近。但從計(jì)算結(jié)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(hào)并不有利,因此,當(dāng)?shù)卣鹆^大時(shí),仍有可能導(dǎo)致支座水平力超標(biāo)或橋墩破壞。為此,人們對常規(guī)盆式支座進(jìn)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(dāng)?shù)卣鹚搅Τ^某一限值時(shí),支座在保持豎向承載能力的同時(shí)可實(shí)現(xiàn)二次位移能力。對于固定支座而言,可解除水平約束,轉(zhuǎn)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(shí),為了避免結(jié)構(gòu)成為漂浮體系,控制結(jié)構(gòu)位移,此類支座一般與阻尼器配合使用。此類支座的力學(xué)特性在一定程度上與活動(dòng)盆式支座相類似:在支座水平力未達(dá)到限值Fy之前(對于減震專用支座,此限值為廠家制作時(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)要求而特定的支座水平力承載極限值;對于活動(dòng)盆式支座,此限值為滑動(dòng)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(dá)到限值Fy后,支座與梁之間產(chǎn)生相對滑動(dòng),支座水平反力固定為滑動(dòng)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(dòng)盆式支座,滑動(dòng)前后支座水平力是連續(xù)的;而對于減震專用支座,滑動(dòng)前后支座水平力有一個(gè)突變,因?yàn)橐话愣?支座水平力承載極限值要遠(yuǎn)大于摩阻力。采用滯后系統(tǒng)來模擬減震支座及活動(dòng)支座,其恢復(fù)力模型如圖6所示。圖6中:k為彈性剛度;Fy為屈服強(qiáng)度;r為屈服后強(qiáng)度與屈服前強(qiáng)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(qiáng)度Fy,由于支座水平力在滑動(dòng)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(jìn)行計(jì)算:(1)取Fy為設(shè)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(dāng)支座水平力達(dá)到此限值時(shí)支座轉(zhuǎn)入滑動(dòng)),可準(zhǔn)確模擬支座在滑動(dòng)前的工作狀況,而在滑動(dòng)后,由于支座水平力要大于實(shí)際值,故設(shè)置減震專用支座的橋墩受力要大于實(shí)際值,故計(jì)算結(jié)果是偏于安全的。(2)取Fy為支座滑動(dòng)摩阻力,此時(shí)在較小的地震力作用下支座即轉(zhuǎn)為滑動(dòng),從而使得設(shè)置減震專用支座的橋墩與設(shè)活動(dòng)支座的橋墩受力趨于一致,故計(jì)算結(jié)果是偏于不安全的。而真實(shí)的情況是介于二者之間的,設(shè)計(jì)時(shí)可按前者進(jìn)行控制。按以上2種情況分別計(jì)算,對于情況(1),根據(jù)廠家提供的資料,支座水平力達(dá)到豎向承載力(45MN)的15%時(shí),支座可實(shí)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(jì)算結(jié)果見表1。從計(jì)算結(jié)果可知:當(dāng)減震專用支座轉(zhuǎn)入滑動(dòng)狀態(tài)后,縱向約束橋墩的受力較之設(shè)置普通支座時(shí)有明顯減小,相應(yīng)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(dāng)屈服強(qiáng)度采用設(shè)定的減震專用支座水平力限值時(shí),二者之間仍有一定的差異,但較之采用普通支座時(shí)差距大大減小;當(dāng)屈服強(qiáng)度采用滑動(dòng)摩阻力時(shí),二者之間的受力基本一致。由此可見:當(dāng)?shù)卣鹆^大時(shí),單獨(dú)采用阻尼器并不能完全達(dá)到理想的效果,采用減震專用支座與其配合使用可進(jìn)一步改善橋墩受力,設(shè)計(jì)時(shí)可取屈服強(qiáng)度為設(shè)定的減震專用支座水平力限值進(jìn)行控制。需要注意的是:若地震力較小,支座水平力未達(dá)到設(shè)定的減震專用支座水平力限值,則設(shè)置減