陈虎猎德大桥粘滞阻尼器参数分析与试验研究.doc

猎德大桥粘滞阻尼器参数分析与试验研究 陈虎1 王君杰1 章小檀1 莫穗玲2 2 （1.同济大学防灾国家重点实验室，上海，200092；2. 广州新光快速路有限公司，广州，510230） 摘 要：本文以广州猎德大桥振动台试验为实际工程背景，研究了非线性粘滞阻尼器对该桥抗震性能的影响。对非线性粘滞阻尼器的两个参数即阻尼系数C和阻尼指数ξ进行了参数敏感性分析研究，确定了纵向粘滞阻尼器的合理参数；并按照相似比制作了粘滞阻尼器模型，安装于1：60猎德大桥全三维缩尺模型上，进行了全桥振动台试验。研究结果表明，通过选择适当的粘滞阻尼器的参数，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。 关键词：桥梁；抗震分析；非线性动力时程分析；粘滞阻尼器；试验研究 中图分类号：TU442.55 文献标识码：A 引言 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[1] [4][5]，引入阻尼器来改善桥梁结构的抗震性能就是一个方面，其中，较为成熟且适用于大跨度桥梁主要是流体阻尼器。利用流体阻尼器进行结构振动控制研究始于上世纪80年代末，1992年美国纽约州立大学Baffalo分校在美国国家科学基金会的资助下，开始了粘滞流体阻尼器的研制。1994年天津大学采用单出杆粘滞阻尼筒进行结构振动的模型试验。1999年东南大学进行了粘滞流体阻尼器的研制和振动试验。1999年哈尔滨建筑大学进行了油缸间隙式粘滞阻尼器性能的试验研究。将粘滞性阻尼器首次应用于桥梁的是美国金门大桥的抗震加固工程。此外建设中的跨越希腊科林斯海峡的雷翁一安蒂雷翁大桥(Rion-Antirion Bridge)和美国Oakland海湾桥西跨悬索桥加固，都使用了油阻尼器。重庆鹅公岩大桥和上海卢浦大桥等也安装了阻尼器。但总体来讲，在国内粘滞阻尼器在桥梁中应用的实例并不多，国内就粘滞阻尼器在桥梁结构抗震中的应用所开展的试验研究也较少。本文以广州猎德大桥抗震振动台试验为实际工程背景，对非线性粘滞阻尼器及其对该桥抗震性能的影响进行了研究。 猎德大桥概况 猎德大桥位于广州市新光快速路，属广州市新城市中轴线核心景观区域。主桥采用独塔两跨自锚式悬索桥，跨径布置为47m+167m+219m+47m。主塔塔身外观似两个贝壳状弧形壳体相扣，高131m。塔柱截面为单箱单室预应力砼结构，主桥采用扁平钢箱梁。图1所示为桥梁的立面布置图。根据猎德大桥的总体构造布置，建立结构动力特性和地震反应分析的三维有限元模型如图2，其中，主梁、塔、边墩和辅助墩用空间梁单元模拟；索用空间桁架单元模拟，桩基础也采用空间梁单元模拟，用“m”法考虑桩基土弹簧刚度。地震波采用《猎德大桥系统工程场地地震安全性评价》报告提供的地震动参数, 选用其中超越概率为100年2％的地震波作为地震动输入。 图1 猎德大桥立面布置图 图2 动力计算图式 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： (1) 其中为阻尼力，是阻尼系数，是速度，是指数（其值范围在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，图中给出了阻尼器参数选取不同时，阻尼器滞回曲线形状的变化规律，当阻尼器参数=1时，其形状为椭圆。 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显著的差异。从目前的研究和应用情况来看，总的说来在桥梁中应用阻尼器的目的可初略分为两类，一类是通过使用阻尼器来改善结构局部位置的抗震性能，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；另一种是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会达到预期的目的。本文的粘滞阻尼器应用基本可归于第一类。 粘滞阻尼器参数分析 通过对结构体系的综合考虑，确定阻尼器设置位置如下:在两个过渡墩处（5＃、9#墩）设置纵向阻尼器。从公式（1）可知，粘滞阻尼器参数C、ξ选取的不同，粘滞阻尼器对结构响应影响也不同。因此，需对结构引入粘滞阻尼器的情况进行结构响应分析，主要考虑对阻尼器参数C、ξ进行参数敏感性分析，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及模型阻尼器的制造提供依据。 通过非线性时程分析，对阻尼器设置在两个过渡墩处的情