王蜀豫
重庆华融天泽基础设施发展有限公司重庆市渝中区
摘要：几十年来，全球地震灾害频发，桥梁工程作为重要的基础建设工程，地震过程中如若遭受严重破坏，将切断震区交通生命线，造成极大的救灾困难。本文以某大桥为工程背景，利用大型有限元软件ANSYS建立该斜拉桥的有限元模型，进行地震作用下的动力非线性时程分析，并以COMBIN37单元模拟非线性粘滞阻尼器，研究了粘滞阻尼器参数对桥梁抗震性能的影响规律，并确定了合理的阻尼器参数取值。并对未设置与设置粘滞阻尼器的桥梁结构地震响应进行数值分析与比较，分析结果表明:合理设置粘滞阻尼器，可以有效降低桥梁结构关键部位在地震作用下的位移响应，并对结构内力也有一定的降低。本文研究结果为大跨度斜拉桥振动控制分析及工程应用具有重要的指导意义。
关键词:大跨度斜拉桥;有限元模型；地震响应;抗震性能
中图分类号:TU;TU文献标志码:A
1、前言
随着我国经济的高速发展，占据交通网络枢纽重要位置的桥梁工程的建设向着大跨、轻柔的方向发展。此类桥梁阻尼低，对风、地震及行车极为敏感，一旦发生破坏将导致更为严重的次生灾害。基于此，结构振动控制技术越来越广泛地用于提高此类桥梁的抗震性能。
桥梁结构的振动控制不是一个新概念，年美籍华裔JamesTPYao首次将其用于土木工程结构上。结构振动控制是指采用某种措施，使结构在动力荷载作用下的响应不超过某一限值，以满足工程需要。传统的桥梁结构振动控制方法是先对结构进行动力分析，找到其薄弱部位，然后增强薄弱部位的刚度和强度，以此来减小桥梁结构的动力反应。随着结构振动控制理论和技术的不断发展，一种新的桥梁结构振动控制的方法和思路开始发展起来:通过在结构响应较大的部位安装控制装置，耗散输入到结构体系中的部分能量，从而减小桥梁结构的动力反应，使之满足正常使用的要求［1］。
目前来讲，桥梁结构振动控制方法根据是否需要外部能量，可分为被动控制、主动控制、半主动控制及混合控制四种。其中，混合控制综合了以上几种控制的优点，发展潜力巨大，而目前在实际工程中应用较多的还是被动控制。被动控制技术出现较早，控制方法简单、性价比高，发展较为成熟。在被动控制技术中当前应用最为广泛的是隔震和耗能减震技术［2］。
2大桥及其耗能体系纵向地震响应分析
2.1地震波的选取
根据地震安全性评价报告和考虑地震作用的随机性，本项目采用50年超越概率2%的地震波(地震水平II，简称E2概率)进行时程分析，选取一条人工波和两条天然波，加速度时程峰值为0．13g，竖向设计加速度按纵向设计加速度的2/3取值［3］。结构阻尼比取值5%。地震波反应谱曲线，特征周期Tg=0．35s，加速度峰值对应0．32g。
2.2无控结构的纵向地震响应分析
对大桥未设置粘滞阻尼器时(简称无控结构)进行纵向地震反应分析。全桥各关键点的位移响应。分析结果表明，未设置粘滞阻尼器的斜拉桥，在三条地震波作用下塔顶纵向位移达到0．m，梁端纵向位移则达到0．m，超出了桥梁橡胶支座剪切变形能力验算所需满足的梁端纵向位移限值0．4m，亦容易发生落梁等危害，因此需要加以控制［4］。
2.3控制方案
斜拉桥纵向设置粘滞阻尼器，一方面利用阻尼器来降低斜拉桥关键部位的位移，如主梁和主塔顶部位移，避免或减轻主梁在地震作用下和桥台发生碰撞破坏;另一方面利用阻尼器改善结构关键部位的受力特性，如主塔底部、辅助墩底等部位的轴力、剪力和弯矩等的响应。由式(1)可知粘滞阻尼器的参数取值对其力学性能影响很大，因此对结构抗震性能的影响也具有很大差异性。因此本文首先研究阻尼器参数变化对结构响应的变化规律，以确定合理的粘滞阻尼器参数，达到理想的减震控制效果。根据该桥梁结构特点，并考虑粘滞阻尼器的安装方便，在桥塔与主梁连接处各设置4个粘滞阻尼器，全桥共设置8个阻尼器，具体布置位置［5］。
2.4减震效果分析
根据已确定的非线性粘滞阻尼器参数和基于已建立的有限元模型，对香溪河大桥进行了三条地震波作用下的减震效果分析，主梁和塔顶的纵向位移响应分析结果。设置粘滞阻尼器并选择合理的参数后对桥梁的纵向位移有很好的控制作用。塔顶纵向位移减震率最大可达59．6．0%。
结论
本文对大桥进行了地震作用下的非线性时程分析，研究了纵向布置非线性粘滞阻尼器对桥梁抗震性能的影响，主要得到以下结论［6］:
(1)未设置粘滞阻尼器的香溪河大桥，在地震作用下塔顶纵向位移及梁端纵向位移过大，超出了桥梁橡胶支座剪切变形能力验算所需满足的梁端纵向位移限值，亦容易发生落梁等危害，因此需要加以控制。
(2)由于实际桥梁存在桥型、场地条件及地震作用等因素不同，非线性粘滞阻尼器参数的取值需对桥梁进行综合分析后确定。综合考虑阻尼器参数对该桥梁减震控制效果的影响规律，确定非线性粘滞阻尼器的阻尼常数C为kN·(m/s)，速度指数α取0．3。
(3)通过选取合理的粘滞阻尼器参数对该桥进行减震控制分析表明，所选取的粘滞阻尼器对桥梁各关键点的纵向位移均有良好的控制效果，最大减震率可达55．0%。对内力而言，设置粘滞阻尼器后对塔底剪力影响不大，但对塔底弯矩有较好的控制作用。
参考文献
[1]基于主梁轴力的部分地锚斜拉桥极限跨径及关键部位力学响应[J].陈恒大，邬晓光，姚丝思，李铸.北京工业大学学报.(06)
[2]大跨度部分地锚式斜拉桥抗风稳定性参数研究[J].张新军，姚美.桥梁建设.(03)
[3]部分地锚斜拉桥自振频率的近似计算[J].陈鑫，聂国隽，贾丽君，孙斌.力学季刊.(04)
[4]部分地锚斜拉桥经济性能分析[J].孙斌，肖汝诚，CAICS.同济大学学报(自然科学版).(10)
[5]大跨度部分地锚斜拉桥力学分析与参数研究[J].肖汝诚，卫璞，孙斌.东南大学学报(自然科学版).(05)
[6]超大跨径部分地锚交叉索斜拉桥的概念设计[J].邵旭东，胡佳，赵华.重庆交通大学学报(自然科学版).(S2)
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