姚杰義

（宜春市公路事業(yè)發(fā)展中心奉新分中心,江西 奉新 330700）

0 引言

橋梁減振防震是橋梁基建科研始終重視并不斷探索提高的技術(shù)項(xiàng)目，在橋梁特定位置配置耗能阻尼裝置，是橋梁減振防震探索所取得的一個(gè)技術(shù)成果。耗能阻尼裝置的功效特點(diǎn)是：阻尼裝置雖然不能消散所有地震破壞能量的輸入，但其耗能量足以保證橋梁結(jié)構(gòu)主體無(wú)恙，耗能阻尼裝置雖然不能直接為橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)一步提供剛度，但其減振耗能量能夠盡最大可能發(fā)揮減振抗震作用。該研究基于工程應(yīng)用，梳理介紹該黏滯阻尼器的工作原理，并通過(guò)結(jié)構(gòu)自振周期、順橋向節(jié)點(diǎn)位移、墩頂剪力、墩底彎矩的有限元模擬分析，探討該型黏滯阻尼器的功效特點(diǎn)，并就相關(guān)參數(shù)優(yōu)化給出建議。

1 工程背景

某混凝土預(yù)應(yīng)力懸臂橋梁，跨度組合為（32+50+32）m，中跨采取掛孔式結(jié)構(gòu)，普通型鋼筋混凝土梁，梁長(zhǎng)16 m?；炷令A(yù)應(yīng)力箱體梁T構(gòu)主梁，墩側(cè)懸臂長(zhǎng)度18 m，梁高呈1.6次拋線變化，邊跨為14 m等高段，梁墩固結(jié)。雙柱鋼筋混凝土橋墩，墩高16 m，呈1.2*1.2斷面。主梁采用C50混凝土，橋墩采用C40混凝土。預(yù)應(yīng)力鋼材選用Std1860型號(hào)鋼絞線。

橋址屬于地震反應(yīng)譜7度地區(qū)，特征周期0.45 s，地震水平加速度0.15 g。

2 可調(diào)制黏滯阻尼器基本原理

黏滯阻尼器是一種耗能減震裝置，其主要組成部分是液壓裝置，包括油缸、導(dǎo)桿、活塞、密封圈、阻尼孔、黏性介質(zhì)以及其他小零件等。在地震載荷的影響下，黏滯阻尼器與結(jié)構(gòu)共同承力，結(jié)構(gòu)承力使阻尼器活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)，腔室兩側(cè)產(chǎn)生壓差，黏性介質(zhì)從高壓腔向低壓腔流動(dòng)，當(dāng)介質(zhì)流經(jīng)阻尼孔時(shí)將發(fā)生阻尼力，從而消耗地震能量。根據(jù)活塞桿結(jié)構(gòu)不同，黏滯阻尼器可分為單出桿和雙出桿兩種類型。

主缸內(nèi)充滿黏性介質(zhì)，副缸為空氣狀態(tài)，當(dāng)活塞從右向左運(yùn)動(dòng)時(shí)，左側(cè)塞桿進(jìn)入副缸。反之，塞桿從左向右運(yùn)動(dòng)，拉回主缸。由于主油腔的容積始終保證不變，因此在活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)中不會(huì)出現(xiàn)真空或頂死現(xiàn)象，也就無(wú)須安裝輔助部件，使雙桿減振器結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)[1]。

雙出桿型黏滯阻尼器增加預(yù)緊力調(diào)節(jié)功能，即構(gòu)成可調(diào)制黏滯阻尼器。案例所應(yīng)用的可調(diào)制黏滯阻尼器見圖1所示。

圖1 可調(diào)制黏滯阻尼器

可調(diào)制黏滯阻尼器所使用的黏性介質(zhì)或者是黏度32 cst的HM32抗磨液壓油，或者是黏度1 000 cst的二甲基硅油。通過(guò)測(cè)力扳手調(diào)整調(diào)節(jié)桿，進(jìn)行阻尼力控制。與普通黏滯阻尼器相比較，可調(diào)制黏滯阻尼器可以通過(guò)預(yù)緊力控制輸出的阻尼力，較小的預(yù)緊力能夠產(chǎn)生和輸出增大多倍的阻尼力。可調(diào)制黏滯阻尼器密封性好，滯回曲線飽滿，耗能性穩(wěn)定可靠，預(yù)緊力調(diào)節(jié)實(shí)用簡(jiǎn)單。案例應(yīng)用阻尼器的相關(guān)參數(shù)見表1可調(diào)制黏滯阻尼器參數(shù)和表2可調(diào)制黏滯阻尼器的速度指數(shù)與阻尼指數(shù)所示。

表2 可調(diào)制黏滯阻尼器的速度指數(shù)與阻尼指數(shù)

3 可調(diào)制黏滯阻尼器功效模擬分析

借助有限元Midas Civil模擬系統(tǒng)，以Ritz向量法，按無(wú)應(yīng)用阻尼器和應(yīng)用阻尼器兩種工況，從結(jié)構(gòu)自振周期、節(jié)點(diǎn)位移、墩底彎矩、墩頂剪力方面，對(duì)該黏滯阻尼器在橋梁抗震減振方面的功效優(yōu)勢(shì)開展了模擬計(jì)算分析[2]。

3.1 結(jié)構(gòu)自振周期模擬結(jié)果

與未裝配阻尼器的結(jié)構(gòu)自振周期相比，裝配阻尼器的結(jié)構(gòu)自振周期有所增加，詳見表3結(jié)構(gòu)自振周期模擬結(jié)果。原因是配置阻尼器后，原結(jié)構(gòu)剛度有了一定的增加，從而使結(jié)構(gòu)整體也增加了一定的剛度。

表3 結(jié)構(gòu)自振周期模擬結(jié)果

3.2 順橋向節(jié)點(diǎn)位移模擬結(jié)果

圖2節(jié)點(diǎn)位移時(shí)程曲線顯示，順橋配置2個(gè)阻尼器以后，節(jié)點(diǎn)1順橋向位移量明顯變小，最大位移值存在65%的降低量，雖然最大值發(fā)生的時(shí)間點(diǎn)有所改變，但總體看，阻尼器所產(chǎn)生的減振效果是明顯的。

圖2 順橋向的節(jié)點(diǎn)移位時(shí)程曲線

3.3 墩頂剪力模擬結(jié)果

通過(guò)圖3墩頂剪力時(shí)程曲線顯示，裝配黏滯阻尼器后，墩頂剪切力有了顯著的改善。橋梁震害多源于下部結(jié)構(gòu)，因?yàn)橛袝r(shí)雖然表現(xiàn)為上部結(jié)構(gòu)破壞，但震害源還是來(lái)自下部結(jié)構(gòu)的超度形變或毀壞所致。黏滯阻尼器分擔(dān)了橋墩的振動(dòng)，耗散了地震破壞能量，使墩體剪力降低。

圖3 墩頂剪力時(shí)程曲線圖

3.4 墩底彎矩模擬結(jié)果

圖4墩底彎矩時(shí)程曲線顯示，配置阻尼器相比未配置阻尼器，墩底彎矩存在約60%的降低量，墩體內(nèi)力改善明顯，較大程度上抑制了地震響應(yīng)破壞。

圖4 墩底彎矩時(shí)程曲線圖

4 可調(diào)制黏滯阻尼器參數(shù)優(yōu)化

4.1 橋向節(jié)點(diǎn)位移參數(shù)優(yōu)化

不同阻尼系數(shù)和速度指數(shù)下，順橋節(jié)點(diǎn)位移響應(yīng)

峰值的模擬結(jié)果見表4所示[3]。

表4 不同阻尼系數(shù)和速度指數(shù)下的順橋節(jié)點(diǎn)位移響應(yīng)峰值 /mm

數(shù)據(jù)顯示，在主梁和橋臺(tái)間配置可調(diào)制黏滯阻尼器后：

（1）節(jié)點(diǎn)順橋向位移顯著降低。對(duì)于不同的速度指數(shù)和阻尼系數(shù)，阻尼吸收功效有所不同。當(dāng)阻尼系數(shù)為500、1 000、1 500和2 000時(shí)，相比不設(shè)置阻尼器，設(shè)置阻尼器的節(jié)點(diǎn)順橋向位移響應(yīng)的最大降低百分率分別為61.40%、71.60%、72.50%和76.00%。

（2）阻尼系數(shù)固定時(shí)，節(jié)點(diǎn)位移響應(yīng)與速度指數(shù)呈正比關(guān)系；當(dāng)速度指數(shù)固定時(shí)，節(jié)點(diǎn)位移響應(yīng)與阻尼指數(shù)呈反比功效。從阻尼功效看，降低速度指數(shù)或增加阻尼系數(shù)，均可以使橋梁節(jié)點(diǎn)順橋向位移響應(yīng)有所控制，進(jìn)而降低地震對(duì)橋梁的破壞性影響。

4.2 墩頂剪力參數(shù)優(yōu)化

不同阻尼系數(shù)和速度指數(shù)下，墩頂剪力響應(yīng)峰值的模擬結(jié)果見表5所示。

表5 不同阻尼系數(shù)和速度指數(shù)下的墩頂剪力響應(yīng)峰值/kN

數(shù)據(jù)顯示，在主梁和橋臺(tái)間配置可調(diào)制黏滯阻尼器后：

（1）墩頂剪力有所降低。對(duì)于不同的速度指數(shù)和阻尼系數(shù)，阻尼吸收功效有所不同。當(dāng)阻尼系數(shù)為500、1 000、1 500和2 000時(shí)，相比不設(shè)置阻尼器，設(shè)置阻尼器的墩頂剪力響應(yīng)的最大降低百分率分別為51.60%、

52.20%、52.70%、52.60%。

（2）當(dāng)維持速度指數(shù)在（a＞0.3）的偏高值時(shí)，墩頂剪力響應(yīng)值隨阻尼系數(shù)增加所產(chǎn)生的變化并不明顯。當(dāng)維持速度指數(shù)在（a=0.2，a=0.3）偏低值時(shí)，墩頂剪力隨阻尼系數(shù)增加先降低后增加。因此當(dāng)偏低的速度指數(shù)取值時(shí)，必然存在合適的阻尼系數(shù)可以將墩頂剪力控制在一個(gè)較佳狀態(tài)。

4.3 墩底彎矩參數(shù)優(yōu)化

不同阻尼系數(shù)和速度指數(shù)下，墩底彎矩響應(yīng)峰值的模擬結(jié)果見表6所示。

表6 不同阻尼系數(shù)和速度指數(shù)下的墩底彎矩響應(yīng)峰值/（kN·m）

數(shù)據(jù)顯示，在主梁和橋臺(tái)間配置可調(diào)制黏滯阻尼器后：

（1）墩底彎矩顯著降低。對(duì)于不同的速度指數(shù)和阻尼系數(shù)，阻尼吸收功效有所不同。當(dāng)阻尼系數(shù)為500、1 000、1 500和2 000時(shí)，相比不設(shè)置阻尼器，設(shè)置阻尼器的墩底響應(yīng)的最大降低百分率分別為53.90%、57.10%、58.70%、61.50%。

（2）阻尼系數(shù)固定時(shí)，墩底彎矩響應(yīng)與速度指數(shù)呈正比關(guān)系；當(dāng)速度指數(shù)固定時(shí)，墩底彎矩響應(yīng)與阻尼指數(shù)呈反比關(guān)系。從阻尼功效看，降低速度指數(shù)或增加阻尼系數(shù)，均可以使墩底彎矩響應(yīng)有所控制，進(jìn)而降低地震對(duì)橋梁的破壞性影響。

綜合上述模擬分析，可以得出如下結(jié)論：

（1）增大速度指數(shù)時(shí)，節(jié)點(diǎn)順橋向位移、墩頂剪力和墩底彎矩，對(duì)應(yīng)呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。此時(shí)的阻尼器減振抗震功效不夠明顯，故應(yīng)當(dāng)適當(dāng)降低速度指數(shù)的取值。

（2）增大阻尼系數(shù)時(shí)，節(jié)點(diǎn)順橋向位移、墩頂剪力、墩底彎矩，對(duì)應(yīng)呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。此時(shí)的阻尼器減振抗震功效明顯，但增大阻尼系數(shù)也會(huì)造成阻尼器噸位增加，造成主梁與阻尼器連接區(qū)域的內(nèi)力增大，此經(jīng)濟(jì)性又不夠合理，故不應(yīng)當(dāng)選擇過(guò)大的阻尼系數(shù)取值。

（3）經(jīng)綜合優(yōu)選，該研究建議的阻尼器參數(shù)為：速度指數(shù)取值0.20，阻尼系數(shù)取值1 000（kN·m-0.2·s0.2），這樣節(jié)點(diǎn)順橋向位移可由原22.50 mm降至6.40 mm，墩頂剪力可由原274 kN降至137 kN，墩底彎矩可由原1 696 kN·m降至729 kN·m。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，該文介紹了可調(diào)制黏滯阻尼器基本原理，基于工程應(yīng)用，借助有限元Midas Civil模擬系統(tǒng)，以Ritz向量法，按無(wú)應(yīng)用阻尼器和應(yīng)用阻尼器兩種工況，從結(jié)構(gòu)自振周期、節(jié)點(diǎn)位移、墩底彎矩、墩頂剪力方面，對(duì)該黏滯阻尼器在橋梁抗震減振方面的功效優(yōu)勢(shì)開展了模擬計(jì)算分析。分析顯示，適當(dāng)降低速度指數(shù)的取值和增大阻尼系數(shù)時(shí)，該阻尼器減振抗震功效明顯。但增大阻尼系數(shù)也會(huì)造成阻尼器噸位增加，造成主梁與阻尼器連接區(qū)域的內(nèi)力增大，此經(jīng)濟(jì)性又不夠合理，故不應(yīng)當(dāng)選擇過(guò)大的阻尼系數(shù)取值。經(jīng)綜合優(yōu)選，該研究建議的阻尼器優(yōu)化參數(shù)為速度指數(shù)取值0.20，阻尼系數(shù)取值1 000（kN·m-0.2·s0.2），這樣節(jié)點(diǎn)順橋向位移可由原22.50 mm降至6.40 mm，墩頂剪力可由原274 kN降至137 kN，墩底彎矩可由原1 696 kN·m降至729 kN·m。