新型鉛阻尼器在獨(dú)塔自錨式懸索橋減震控制中的應(yīng)用研究

1、橋 梁橋梁工程2013-03-08 16:15:17 0.00%新型鉛阻尼器在獨(dú)塔自錨式懸索橋減震控制中的應(yīng)用研究技術(shù)部 周大興（中鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司 北京 100131）照片尺寸為20mm*30mm；最好不用紅色背景摘 要 以某獨(dú)塔自錨式懸索橋的減震控制為背景，對(duì)新型鉛阻尼器（大行程板式鉛阻尼器）的減震效果進(jìn)行了分析研究。通過(guò)計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，只要阻尼器的選型（相關(guān)力學(xué)參數(shù)）恰當(dāng)，大行程板式鉛阻尼器的減震效果明顯，且與粘滯阻尼器的相當(dāng)。由于使用壽命長(zhǎng)、構(gòu)造簡(jiǎn)單、成本低，而且滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)減震控制對(duì)大行程的需求，大行程板式鉛阻尼器在獨(dú)塔自錨式懸索橋減震控制中具有良好的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞 獨(dú)塔自錨式懸索橋

2、減震控制 大行程板式鉛阻尼器 粘滯阻尼器中圖分類(lèi)號(hào) U441+.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) Application Research on a New Kind of Lead Damper in Seismic Control of a Self-anchored Suspension Bridge with Single-towerZhou Daxing(China Railway Construction Group Co., Ltd. Beijing 100131, China) Abstract The research on damping effect of a new kin

3、d of lead damper (Lead Damper with Long Stroke) has been done with the background of the seismic control of a self-anchored suspension bridge with single-tower. Based on the results, the damping effect of the lead shear damper with long stroke is good and it is close to that of viscous damper as lon

4、g as the parameters are chosen properly. The structure of this kind of damper is simple, the service life is long and the processing cost is low. Whats more, it meet the demand of large displacement. So, it has a good prospect in damping control of a self-anchored suspension bridge with single-tower

5、.Keywords Self-anchored Suspension Bridge with Single-tower ; Damping Control ; Lead Damper with Long Stroke ; Viscous Damper橋梁工程橋梁工程1 引言收稿日期：科研項(xiàng)目：自錨式懸索橋施工關(guān)鍵技術(shù)研究（中鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司科技研發(fā)計(jì)劃LX11-19）獨(dú)塔自錨式懸索橋造型美觀、經(jīng)濟(jì)性好、對(duì)地形及地質(zhì)狀況適應(yīng)性強(qiáng)，是中小跨徑橋梁較為有競(jìng)爭(zhēng)力的橋型。不過(guò)，其結(jié)構(gòu)受力較地錨式懸索橋復(fù)雜，施工順序也不同。另外，其動(dòng)力特性表現(xiàn)出與斜拉橋類(lèi)似的一面，即第一振型一般為“主梁縱飄”。在縱向地

6、震作用下，主梁將產(chǎn)生比較大的縱向位移，伸縮縫規(guī)模亦隨之增大，而且主塔底部的彎矩也很大，甚至成為設(shè)計(jì)的控制因素。因此，采取有效的減震控制對(duì)策，減小縱向地震作用下結(jié)構(gòu)的位移及內(nèi)力響應(yīng)，是其抗震設(shè)計(jì)的重要任務(wù)。目前，自錨式懸索橋的減震控制以粘滯阻尼器為主。如，廣州獵德大橋、長(zhǎng)沙市三汊磯湘江大橋、朝陽(yáng)市黃河路大橋、西寧市海湖新區(qū)湟水河大橋和北京密云云蒙大橋等均采用了粘滯阻尼器的減震方案1-4。不過(guò)，由于粘滯阻尼自身的一些不足，其他類(lèi)型的阻尼器及減隔震支座也逐漸被應(yīng)用于自錨式懸索橋上。如，胡建華、楊孟剛等進(jìn)行了自錨式懸索橋磁流變阻尼器減震控制研究5,6；楊軍研究了一種金屬耗能器，并分析了其在自錨式懸索橋

7、中的減震效果7；管仲?lài)?guó)、李建中等將軟鋼阻尼器和支座整合，形成彈塑性支座，并用于自錨式懸索橋的減震控制8；陳國(guó)陽(yáng)、滕文剛等人對(duì)鉛芯橡膠支座在自錨式懸索橋中的隔震效果進(jìn)行了研究9,10；方海、劉偉慶等人則研究了鉛擠壓阻尼器在自錨式懸索橋減震控制中的應(yīng)用11,12。隨著減震控制技術(shù)的發(fā)展，新型被動(dòng)控制裝置不僅減震效果明顯，而且構(gòu)造簡(jiǎn)單、制造成本低，如大行程板式鉛阻尼器。下面以這種新型鉛阻尼器為例，研究其在獨(dú)塔自錨式懸索橋減震控制中的應(yīng)用。2 大行程板式鉛阻尼器簡(jiǎn)介鉛阻尼器作為金屬阻尼器的一種，其阻尼材料是金屬鉛。鉛的結(jié)晶構(gòu)造是面心立方體，塑性變形能力好，具有較高的柔性和延性，在室溫條件下會(huì)同時(shí)發(fā)生動(dòng)

8、態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過(guò)程。通過(guò)回復(fù)和再結(jié)晶，應(yīng)變硬化將消失，鉛的組織和性能將恢復(fù)至變形前的狀態(tài)，因此不會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力13。鉛阻尼器的特點(diǎn)是使用壽命長(zhǎng)、性能穩(wěn)定、構(gòu)造簡(jiǎn)單。其中圓筒式的鉛擠壓阻尼器易于實(shí)現(xiàn)“大行程”，在房屋建筑工程和橋梁工程中已有應(yīng)用11,12,14。而板式鉛阻尼器比鉛擠壓阻尼器構(gòu)造更為簡(jiǎn)單，成本更低，但目前其行程較小，無(wú)法滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)對(duì)大變形的要求。相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)的板式鉛阻尼器加以改進(jìn)15，成功的研發(fā)出阻尼力穩(wěn)定的大行程板式鉛阻尼器。這種新型阻尼器包括蓋板、滑動(dòng)板、側(cè)面擋板和擋塊。兩塊蓋板在滑動(dòng)板上下相對(duì)放置，側(cè)面擋板在兩塊蓋板之間，其中，在蓋板上沿長(zhǎng)度方向焊接兩個(gè)擋塊。通過(guò)螺栓固定

9、蓋板、滑動(dòng)板、側(cè)面擋板和擋塊形成兩個(gè)“腔體”。當(dāng)滑動(dòng)板往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，利用凹槽剪切鉛塊而耗能。圖1 大行程鉛阻尼器構(gòu)造圖2 鉛阻尼器的低周往復(fù)試驗(yàn)圖3 鉛阻尼器滯回曲線目前，相關(guān)研究成果已經(jīng)對(duì)大行程板式鉛阻尼器在大跨度連續(xù)梁橋和千米級(jí)斜拉橋減震控制中的應(yīng)用進(jìn)行了研究15,16。從分析結(jié)果來(lái)看，這種阻尼器的減震效果與粘滯阻尼器的相當(dāng)。在溫度作用下，其產(chǎn)生的附加作用力對(duì)結(jié)構(gòu)影響很小?？紤]到自錨式懸索橋的動(dòng)力特性有與斜拉橋類(lèi)似的一面，且溫度作用下鉛阻尼器對(duì)“獨(dú)塔”結(jié)構(gòu)幾乎沒(méi)有影響，因此大行程板式鉛阻尼器非常適合于獨(dú)塔自錨式懸索橋的減震控制。3 獨(dú)塔自錨式懸索橋的減震控制3.1 橋梁概況某獨(dú)塔自錨式懸索橋

10、的跨徑布置為35m+135m+165m+35m=370m。采用半漂浮體系（縱向漂浮、豎向約束）。圖4橋跨布置其中，主塔采用C50混凝土，為“種子”造型，下接承臺(tái)及鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。其高度為126.5m，分上塔柱與下塔柱，設(shè)置上下橫梁。主梁采用“鋼加勁梁+兩側(cè)預(yù)應(yīng)力混凝土加勁梁”的組合體系。鋼加勁梁采用Q345qD鋼材，為扁平流線型，有效全寬36.6m，含風(fēng)嘴全寬37.26m，設(shè)置2%的雙向橫坡，橋梁中線處梁高3.0m。全橋共設(shè)置兩根主纜，單根主纜采用33股127絲5.1mm的預(yù)制平行鋼絲束（標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度為1670MPa），橫橋向間距29.5m。吊索采用垂直布置，間距9.0m，共27對(duì)。單根吊索采

11、用85絲7mm的預(yù)制平行鋼絲束，端部第1、27號(hào)吊索采用130mm的剛性吊桿。3.2 地震動(dòng)輸入與計(jì)算模型計(jì)算時(shí)選取了兩條天然地震波和一條人工地震波，采用“縱向+豎向”的地震動(dòng)輸入方式。根據(jù)該橋的設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)，縱向加速度時(shí)程的峰值約為0.413g，豎向加速度時(shí)程的峰值為水平加速度峰值的0.5。其中一條縱向人工加速度時(shí)程見(jiàn)圖5，三條地震波反應(yīng)譜的與設(shè)計(jì)反應(yīng)譜的對(duì)比見(jiàn)圖6。圖5 加速度時(shí)程圖6 地震動(dòng)反應(yīng)譜計(jì)算采用Midas/Civil軟件（分析模型見(jiàn)圖7）。在分析中，主梁、塔、邊墩采用梁?jiǎn)卧M，主纜及吊索采用索單元模擬。采用“初始單元內(nèi)力”考慮自重等靜力荷載作用下的初始狀態(tài)。圖7 計(jì)算分析模

12、型分析中采用m法近似考慮樁-土相互作用的影響，同時(shí)進(jìn)行并樁處理以減少計(jì)算量。墩、塔與主梁間的約束關(guān)系見(jiàn)表1（墩梁間的滑動(dòng)采用理想彈塑性模型）。表1 邊界條件約束方向過(guò)渡墩與主梁輔助墩與主梁主塔與主梁縱橋向滑動(dòng)滑動(dòng)無(wú)或阻尼橫橋向約束約束約束豎向約束約束約束根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)的試驗(yàn)結(jié)果15,16，大行程板式鉛阻尼器的本構(gòu)關(guān)系可以用Bouc-Wen模型模擬17，該模型公式如下： （1） （2）上式中，z為滯變位移；為阻尼器變形；為阻尼器的屈服位移；為阻尼器的屈服力；為阻尼器屈服后的第二段剛度與彈性剛度的比值；、n為模型的形狀常數(shù)。當(dāng)1.0時(shí)，可用于模擬鉛阻尼器的滯回曲線；參數(shù)n控制阻尼器彈性剛度到屈服后剛

13、度之間過(guò)渡弧段的曲率半徑，n越大曲率半徑越小，則Bouc-Wen模型越接近雙線性模型。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，大行程板式切阻尼器的相關(guān)參數(shù)可以取為：0，=0.9，=0.1，n=10。3.3 減震效果分析在塔梁結(jié)合處設(shè)置8個(gè)大行程板式鉛阻尼器。在布置位置和數(shù)量一定的情況下，減震效果大小與鉛阻尼器的初始剛度和屈服力有關(guān)系。普通板式鉛阻尼器的初始剛度一般在106kN/m以上，然而隨著阻尼器行程的增加，阻尼器的初始剛度會(huì)有所減小。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，大行程板式鉛阻尼器的初始剛度值一般在105kN/m106kN/m之間。從圖89可知，在屈服力一定（1500kN）的情況下，不同的初始剛度對(duì)塔頂縱向位移、梁端縱向位移和塔底

14、縱向彎矩的影響很小。而在初始剛度一定（1106）的情況下，阻尼器的屈服力對(duì)塔頂縱向位移、梁端縱向位移和塔底縱向彎矩的影響較大（見(jiàn)圖1011）。圖8 不同初始剛度下的縱向位移圖9 不同初始剛度下的縱向彎矩圖10 不同屈服強(qiáng)度下的縱向位移圖11 不同屈服強(qiáng)度下的縱向彎矩結(jié)合上述分析，對(duì)于該懸索橋的減震控制，大行程板式鉛阻尼器的屈服強(qiáng)度和初始剛度可分別取1500kN和1106kN/m。根據(jù)數(shù)值分析的結(jié)果（表1），減震前后，塔頂縱向位移分別為0.367m和0.170m，減震率為53.8%；梁端縱向位移分別為0.329m和0.153m，減震率為53.5%；塔底縱向彎矩分別為1.411E+06 kNm和1

15、.065E+06 kNm，減震率為24.6%。相關(guān)時(shí)程曲線對(duì)比見(jiàn)圖1214。表2 結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)最大值項(xiàng) 目塔頂縱向位移(m)梁端縱向位移(m)塔底縱向彎矩(kNm)無(wú)減震0.367 0.329 1.411E+06鉛阻尼器0.170 0.153 1.065E+06減震率(%)53.8%53.5%24.6%圖12 塔頂縱向位移時(shí)程圖13 梁端縱向位移時(shí)程圖14 塔底縱向彎矩時(shí)程從上面的分析結(jié)果來(lái)看，大行程板式鉛阻尼器對(duì)該懸索橋地震響應(yīng)的減震效果明顯，尤其是結(jié)構(gòu)縱向位移。為了進(jìn)一步研究大行程板式鉛阻尼器的減震效果，以應(yīng)用最為廣泛的粘滯阻尼器減震方案為例進(jìn)行對(duì)比分析。塔梁結(jié)合處設(shè)置4個(gè)縱向帶限位的粘

16、滯阻尼器，縱向限位150mm。阻尼器的速度指數(shù)=0.3，阻尼系數(shù)C=2500。從表3中的數(shù)據(jù)來(lái)看，在兩種減震方案下結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)最大值（塔頂縱向位移、梁端縱向位移和塔底縱向彎矩）相當(dāng)，二者的時(shí)程對(duì)比和阻尼器的本構(gòu)關(guān)系見(jiàn)圖1518?？梢哉f(shuō)，大行程板式鉛阻尼器可以達(dá)到粘滯阻尼器的減震效果。表3 結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)最大值項(xiàng)目塔頂縱向位移（m）梁端縱向位移（m）塔底縱向彎矩(kNm)粘滯阻尼器0.189 0.176 1.219E+06鉛阻尼器0.170 0.153 1.065E+06圖15 塔頂縱向位移時(shí)程圖16 梁端縱向位移時(shí)程圖17 塔底縱向彎矩時(shí)程（a）大行程板式鉛阻尼器（b）粘滯阻尼器圖18 阻尼

17、器的本構(gòu)4 結(jié)論通過(guò)上述獨(dú)塔自錨式懸索橋的減震控制研究，可得出如下結(jié)論：（1）大行程板式鉛阻尼器可以有效地減小獨(dú)塔自錨式懸索橋的地震響應(yīng)，尤其是塔頂和梁端縱向位移；（2）只要選型（相關(guān)力學(xué)參數(shù)）恰當(dāng)，大行程板式鉛阻尼器可以達(dá)到粘滯阻尼器的減震效果?？紤]到板式鉛阻尼器構(gòu)造簡(jiǎn)單，成本低，后期的維護(hù)也比粘滯阻尼器簡(jiǎn)單，故大行程板式鉛阻尼器具有更高的性?xún)r(jià)比。參考文獻(xiàn)1 陳書(shū)平. 獵德大橋自錨式懸索橋地震響應(yīng)分析與減震措施研究D. 長(zhǎng)沙：長(zhǎng)沙理工大學(xué)，2009:8-10.2 宋旭明,戴公連,曾慶元. 自錨式懸索橋的粘滯阻尼器減震控制J. 華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，37(3):104-108.3王亞飛.

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