基于黏滞液体阻尼器的铁路钢桁梁桥减震研究

基于黏滞液体阻尼器的铁路钢桁梁桥减震研究 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 WORLDEARTHQUAKEENGINEERING Vo1.25.No.4 DeC.2009 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:U442:P351.966文献标志码:A Researchonseismicresponsereductionwithviscousdampers intherailwaysteeltrussgirderbridge ZHANGYongliang,CHENXingchong,WUHaiyan (SchoolofCivilEngineering,LanzhouJiaotongUniversity,Lanzhou730070,China) Abstract:Researchoflongitudinalaseismaticperformanceforalongspanrailwaysimply—supportedsteeltrussgird- erbridgeontallpierswithnon—linearviscousdampersispresented.Optimumanalysisonthepositionandrelated parametersofthesupplementalnon--linearviscousdampersisperformedbyusingnon—-lineartimehistoryresponsea-- nalysis.Theresultsshowthatiftheposition,numbers,parametersofviscousdampersarereas onablyselected,sig— nificanteffectofseismicresponsereductioncanbeobtainedforthelongspanrailwaysimply —supportedsteeltruss girderbridgeonthetallpiers. Keywords:time—historyanalysis;simply-supposedsteeltrussgirderbridge;viscousdamper;tallpier 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…. 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 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项目(2006G014)' 作者简介:张永亮(1975一),男,讲师,博士研究生,主要从事桥梁抗震方面研究.E—mail:zhangyong_L@126:com 98世界地震工程第25卷 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.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;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范嗣内),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Maxwell模型模拟,由弹簧和阻尼器2部分组成,其力为: F=Kd.4-C?sgn(d.)?ld.I(2) 变形为:d=d+d其中,d一d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【.. 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.冈此黏滞阻尼器的使用并不显着增加桥墩的 受力一' 2计算模型及分析方法 图1黏滞阻尼器基本构造 Fig.1Basicconstitutionofviscousdamper 本文以某高墩大跨度铁路桥梁为工程背景,该桥主桥为3×98nl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92Ill,最矮墩为4号墩,墩身高42nl.桥梁主跨两侧的相邻跨为32Ill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l: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). 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 图2主桥立面布置 Fig.2Theverticallayoutofmainbridge 巾?巾?中l申I审 o??? 0l由0Il0ll0 中l1I1争争 o??? 0I0IHI0?争0审 (a]阻尼器布置方案1(b)阻尼器布置方案2 图3阻尼器及支座布置示意图 Fig.3Sketchofarrangementofdampersandbearings 注:图3中,o表示固定支座,由表示双向活动支座,il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. 没有黏滞阻尼器时,结构的阻尼通常采用Rayleigh阻尼矩4. 阵,即:喜: C=aM+(3)2. 式中:羹-4. : 2:2(4) ml—m|oJi—m{ 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., 05l0l520 t/S 图4罕遇地震波 Fig.4Arareearthquakewave 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一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 100世界地震工程第25卷 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. 累 \ 僻 阻尼系数C/(kN-s.m.) 图51号墩减震率 Fig.5Seismicresponsereductionratioofl#pier \ {i{} 阻尼系数C/(kN-S-m.) 图73号墩减震率 Fig.7Seismicresponsereductionratioof3#pier 0.15 0.1 0.O5 量0 慈m05一 0.1 — 0.15 - 0.2 —1rs=J-u—_z厂?=u? —— ?一=0.5—'一=0.2 ?一一 . ?一 25005000750010000 阻尼系数C/(kN.S.m) 图91号墩底剪力减震率 Fig.9reductionratioof1#pierbottomshear 孚 \ 甜 阻尼系数C/(kN.S.m.) 图1l1号墩顶位移减震率 Fig.11Reductionratioofl#piertopdisplacement 累 \ 惜 阻尼系数C/(kN.s-m) 图62号墩减震率 Fig.6Seismicresponsereductionratioof2#pier 兽 \ 斟 阻尼系数C/(kN.S?m) 图84号墩减震率 Fig.8Seismicresponsereductionratioof4#pier \ 僻 5005000750010000 阻尼系数C/(kN-Stm.1 图l01号墩底弯矩减震率 Fig.10Reductionratioof1#pierbottommoment 誉 \ 懈 蜒 瓷 阻尼系数C/(kN.S?m.) 图122号墩底剪力减震率 Fig.12Reductionratioof2#pierbottomshear ??O惦? OOOO一0_i 102世界地震工程第25卷 4结论 通过以上的计算分析,得到的主要结论有: (1)对于中间高墩,若阻尼器按方案1布置,当阻尼 指数=1.0,阻尼系数C=5000(kN?s/m)时,墩底弯矩及 墩顶位移与不设阻尼器相比,均减小了约35%;若阻尼器 按方案2布置,当=1.0,阻尼系数C=2000(kN?s/m)饕 时,墩底弯矩及墩顶位移分别减小了约26%,21%.说明 黏滞液体阻尼器可有效地减小高墩大跨铁路简支钢桁梁 桥的纵向地震反应.实际工程应用时,应依据桥梁的实 际抗震性能,合理选择阻尼器的布置位置,个数以及相关‰17 参数,以便同时获得较好的减震效果和经济效益. 阻尼系数C/(kN.S-m.) 图173号墩减震率 Seismicresponsereductionratioof3#pier (2)对于边墩,若阻尼器的参数取值不合理,可能会出现较大的负减震率,反而增大结构的地震反应. (3)纵桥向设置黏滞阻尼器对墩顶位移及墩底弯矩减震效果明显优于对墩底剪力的减震效果. (4)对于铁路大跨度高墩桥梁,黏滞液体阻尼器既能有效减小墩底控制截面的地震力,也能够有效的减 小墩顶位移,是一种较为有效的减震装置. 参考文献: [1]陈兴冲,商耀兆,张永亮,等.高墩大跨度铁路筒支钢桁梁桥的减震性能分析[J].世界地震工程,2008,24(1):6—11 [2]梁智矗,李建中.桥梁高墩合理计算模型探讨[J]地震工程与工程振动,2007,27(2):9l一98. [3]阎志刚.高桥墩延性抗震性能研究[D].北京:北京交通大学,2002. [4]夏修身,陈兴冲,王常峰.铁路高墩弹塑性地震反应分析[J].世界地震工程,2008,24(2):117—121. [5]徐秀丽,于兰珍,王曙光,等.高墩连续梁桥减震设计研究[J].工程抗震与加固改造,2005,27(5):63—67. [6]叶爱君,范立础.附加阻尼器对大跨度斜拉桥的减震效果[J].同济大学(自然科学版),2006,34(7):859—863. [7]王志强,胡世德,范立础,东海大桥黏滞阻尼器参数研究[J].中国公路,2005,t8(3):37—42. [8]梁智矗,李建中.大跨度公铁两用斜拉桥阻尼参数研究[J].同济大学(自然科学版),2007,35(6):728—733.