高烈度区人行桥阻尼器参数分析

罗 强

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

0 引言

某景区人行桥跨越U形黄土冲沟（深度约50 m、宽度约150 m），由于冲沟两岸存在较厚的湿陷性黄土层，地质条件较差，不适宜修建拱桥、悬索桥等单孔跨越冲沟但对两岸地质条件要求较高的桥型[1]。经过方案比选论证，最终结构形式采用2×85 m预应力独塔双索面矮塔斜拉桥。

桥址区地震烈度较高，位于地震动参数区划图上0.20g区内，相当于地震基本烈度Ⅷ度区。按照常规的思路，墩塔梁固结，地震作用较大，且只有一个桥墩承受，这无疑使得下部工程数量大幅增加。若在墩顶设置隔震支座，能有效地减少桥墩地震响应、控制下部规模。但隔震支座使得结构的周期变长，同时带来了地震作用下梁端位移较大的问题[2]。因此考虑在桥台处设置粘滞阻尼器，以限制墩顶隔震引发的梁端纵向大位移[3]。

近年来，越来越多的研究发现通过设置减隔震装置的方式是改善桥梁抗震性能的较好选择。粘滞阻尼器在耗散地震输入能量方面效果显著，既可以减少动力反应的位移，又可以减少结构受力，得到工程师及使用者的一致好评。粘滞阻尼器能给出较为精确的响应，因为它在静止情况下，没有初始刚度，不会影响到结构的其他特性（如周期、振型等）。目前在国内的桥梁工程上已经使用了粘滞阻尼器的有：江阴长江大桥、江津观音岩大桥、舟山连岛工程西堠门大桥等。本文从抗震角度出发，分析不同阻尼器参数对结构地震响应的影响，为工程设计人员在确定粘滞阻尼器参数时提供参考。

1 结构计算模型

本桥主梁采用预应力混凝土箱梁，单箱单室截面，全宽5.7 m。主梁标准梁高3.5 m，中间支点局部变高至6 m，变高段长23 m（一侧），梁高按1.8次抛物线变化。主梁采用斜腹板，同时底板等宽度设计，因此主梁变高段腹板上段等厚度，下段变厚度。

索塔采用门形框架式结构，塔肢为实心矩形截面，横桥向尺寸为1 m，纵桥向尺寸3.5～5 m，并按三次抛物线变化。索塔总高度17 m。

桥墩总高38 m，采用单箱单室箱型截面。截面横桥向尺寸6 m，沿墩高不变；纵桥向尺寸在上部28 m范围内为4 m，在下部10 m范围内由4 m线性变化为5 m。等截面段壁厚0.5 m，变截面段壁厚尺寸按照内轮廓不变的原则变化。桥墩承台采用八边形，厚度4 m。桥墩基础采用D150钻孔灌注群桩基础。桥台采用桩基接盖梁形式，桩基为D150钻孔灌注桩。

利用桥梁结构分析软件MIDAS建立有限元计算模型，采用梁单元模拟主梁和桥墩，采用滞回模型模拟隔震支座，主梁两端约束竖向、横向位移以及竖向、轴向转角，采用粘弹性消能器模拟阻尼器，墩底采用六自由度弹簧模拟桩土作用。结构离散模型如图1所示。

图1 有限元计算模型

2 结构动力特性

频率和振型是桥梁结构的固有特性，也是分析地震响应的基础。本文采用利兹向量法[4]分析了结构前30阶自振模态，累计振型参与质量达到90%以上。限于篇幅，以下仅列出前5阶频率及振型。

表1 前5阶频率与振型

从表1可以看出，一阶自振频率较小，这是由于本桥采用了隔震支座的缘故。

3 粘滞阻尼器简介

粘滞阻尼器是一种无刚度、速度相关型阻尼器，其基本构造由活塞、缸体以及节流孔组成。这类装置在外界的扰动下，迫使活塞驱动缸体中的流体运动，受到挤压的流体由于存在前后压力差，流过节流孔时会产生阻尼力，典型的粘滞阻尼器如图2所示。

图2 粘滞阻尼器构造示意图

粘滞阻尼器的阻尼力F与活塞运动速度v之间具有如下关系：

公式(1)中C为阻尼系数，α为速度指数，这两个参数与阻尼器内部构造以及流体特性有关。依据α的取值，可以将粘滞阻尼器分为三类：线形粘滞阻尼器（α=1）、非线性粘滞阻尼器（α＜1）和超线性粘滞阻尼器（α＞1）。超线性粘滞阻尼器的阻尼力随相对速度的增长呈非线性急速增长，在实际工程中很少应用[5]。

4 粘滞阻尼器参数分析

根据《中国地震动参数区划图》（GB 18306—2001），桥址区地震动峰值加速度为0.2g，场地反应谱特征周期为0.35 s。选取3条与《公路桥梁抗震设计细则》（JTG/T B02-01—2008）中设计加速度反应谱相兼容的人工波，采用非线性时程分析法计算结构关键部位（墩底弯矩、梁端位移、阻尼力）在不同阻尼器参数下的地震响应。按照《公路桥梁抗震设计细则》（JTG/T B02-01—2008）的规定，分析结果取最大值[6]。由于粘滞阻尼器设置在纵向，因此仅分析“恒载+纵向地震响应”的结果，不再对“恒载+横向地震响应”进行分析。

从公式(1)中可以看出，粘滞阻尼器的阻尼系数C、速度指数α取值不同，粘滞阻尼器对结构地震响应的影响也就不同。因此，本文主要分析这两个参数变化对结构响应的影响规律。在以下的分析中，阻尼系 数 C 分 别 选 取 200 kN·s/m、400 kN·s/m、600 kN·s/m、800 kN·s/m四个等级，速度指数α分别选取 0.2、0.4、0.6、0.8、1.0五个等级。图 3～ 图5 列出了不同粘滞阻尼器参数对结构关键部位地震响应的影响图形。

图3 不同参数下墩底弯矩变化图

从图3可以看出，设置阻尼器后，墩底弯矩均有所减小。在本文分析的阻尼器参数变化范围内，墩底弯矩与不设置阻尼器时的比值在87%～94%范围内变化。

图4 不同参数下梁端相对位移变化图

从图4可以看出，在本文分析的阻尼器参数变化范围内，相同的速度指数α取值下，阻尼系数C越大，梁端纵向位移越小；相同的阻尼系数C取值下，梁端纵向位移有随着速度指数α的增大而不断增大的趋势。

图5 不同参数下粘滞阻尼器阻尼力变化图

从图5可以看出，在本文分析的阻尼器参数变化范围内，阻尼器的阻尼力与阻尼系数C成正比，与速度指数α成反比。这可以由公式(1)推导得到。

本桥的粘滞阻尼器设置在梁端与桥台连接处，桥台无疑充当了反力墙的角色。考虑到两岸地质比较差，为了保护桥台，速度指数α应取大值。在实际应用中，本桥最终选取了阻尼系数C=200 kN·s/m、速度指数α=1.0的粘滞阻尼器，此时粘滞阻尼器的最大阻尼力为49.6 kN，梁端相对位移为0.155 m，与不设阻尼器相比，梁端相对位移减小了22%。

5 结论与展望

设置纵桥向粘滞阻尼器后，在本文分析的阻尼器参数变化范围内，墩底的弯矩变化幅度并不大；但在减小梁端相对位移方面，设置粘滞阻尼器的效果比较明显，避免了相邻构件之间可能发生的碰撞。

由于本桥仅有两跨，可供布置阻尼器的位置不多，因此仅研究了在梁端桥台处设置纵向阻尼器的方案。对于长联结构，不同的阻尼器设置方案对于结构的整体抗震性能影响较大，而目前对这方面的研究还不多见。未来应发展设置阻尼器的简化计算办法，以帮助工程设计人员快速选定最优布设方案。

由于粘滞阻尼器属于一种非线性连接装置，因此分析时须采用非线性时程分析法，就要输入确定的地震动加速度时程，这无疑忽略了地震动的随机性。虽然《公路桥梁抗震设计细则》（JTG/T B02-01—2008）做了一个折中，规定设计加速度时程的数目（不得少于3组），且限制任意两组同方向的相关性（相关系数的绝对值小于0.1），在一定程度上考虑了地震动的随机性，但在理论上仍有失严谨。今后应深层次考虑设置阻尼器后的随机振动分析，考虑结构的随机性以及模糊数学在地震工程中的应用。