用于斜拉桥横向的新型油阻尼器减震性能研究_牛建涛.pdf

振动与冲击 第 卷第 期 基金项目 国家自然科学基金面上项目国家重点基础研究 发展计划 项目 收稿日期 修改稿收到日期 第一作者 牛建涛 男博士生 年生 通信作者 丁阳 女教授博士生导师 年生 用于斜拉桥横向的新型油阻尼器减震性能研究 牛建涛 丁阳 石运东 天津大学建筑工程学院天津 天津大学滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室天津 摘要为解决斜拉桥横向塔梁固结体系导致地震响应过大的问题兼顾斜拉桥横向抗风隔震需求研制了一 种刚度可变的新型油阻尼器论述了新型油阻尼器的工作原理建立其恢复力模型并通过单轴动力试验进行验证以两 座斜拉桥为例对比了新型油阻尼器与已有两种金属阻尼器的减震性能结果表明所建恢复力模型可准确模拟新型油 阻尼器的力学行为新型油阻尼器活塞滑动前刚度较高活塞滑动后刚度为与两种金属阻尼器相比新型油阻尼器具 有更低的等效刚度和更高的耗能能力更大幅度降低两座斜拉桥的梁端位移与塔底弯矩 关键词斜拉桥横向减震油阻尼器单轴动力试验 中图分类号 文献标志码 斜拉桥性能优越造型美观被大量应用于跨江 跨海大桥等生命线工程大跨度斜拉桥纵向多采用释 放塔梁约束的飘浮体系 大幅降低塔墩及基础 地震响应然而斜拉桥横向承受较大风荷载工程中 多使用抗风支座约束主梁形成塔梁墩梁固结的 约束体系固结体系导致塔墩及基础等构件地震 响应大幅增加以致控制设计 在斜拉桥设计中 多增大各构件截面尺寸以满足设计要求然而通过提 高刚度与强度提高结构抗震能力的传统抗震设计方法 已被证明既不经济又不安全 年台湾集集地 震中集鹿大桥塔底横向发生严重震害证明了斜拉 桥横桥向抗震性能研究的重要性 抗风与隔震对阻尼器刚度的需求存在矛盾为有 效抗风需提高阻尼器刚度以降低结构自振周期隔震 则相反如何兼顾抗风隔震需求一直是设计难题 近年来学者们对斜拉桥塔梁横向连接方式进行了一 系列研究希腊 大桥采用了黏滞阻尼器 与保险锁定装置并用的减震方案但该方案构造过 ChaoXing 于复杂难以推广易江等徐艳等分别研究了 型型弹塑性金属阻尼器的减震性能并进行了振 动台试验沈星等 王晓伟等设计了一种应用 于斜拉桥墩梁横向连接的三角板金属阻尼器 等 比较了剪力支撑防屈曲支撑和三角板金属 阻尼器的减震效果孙利民等提出以拉索连接墩 梁的横向连接形式并进行了缩尺振动台试验游翰 等提出静力作用下拉索提供约束刚度地震作用下 拉索进入塑性利用黏滞阻尼器耗能的弹塑性拉索减 震体系 上述研究多以金属阻尼器为研究对象金属阻尼 器一定程度上兼顾了抗风与减震需求降低了斜拉桥 横向地震响应然而金属阻尼器屈服强度与屈服后刚 度均与材料弹性模量构件尺寸相关为满足抗风需 求金属阻尼器需提供足够高的强度与刚度给抗震设 计带来一定限制 本文以两座斜拉桥为例分析安装于塔梁横向连 接处阻尼器刚度耗能能力对减震效果的影响证明降 低阻尼器刚度对控制梁端位移的重要性基于溢流阀 与油阻尼器性能研制了一种变刚度新型油阻尼器提 出其恢复力模型并通过单轴动力试验进行验证最后 对比了新型油阻尼器三角板金属阻尼器及弹塑性拉 索的减震性能 阻尼器性能对减震效果的影响 有限元模型建立 选取主跨跨径为 的型桥塔斜拉桥 及主跨跨径为 的倒型桥塔斜拉桥 为算例两座斜拉桥均为双塔双索面斜拉桥采 用钢筋混凝土桥塔及钢箱梁拉索采用扇形布置其基 本参数如表所示 表斜拉桥基本参数 桥梁主跨跨度 边跨跨度 主梁宽度 材料塔梁 混凝土钢 混凝土钢 使用 软件建立有限元模型如图所示 桥塔主梁和桥墩均采用梁单元模拟斜拉索采用桁架 单元模拟采用 公式修正拉索弹性模量以考虑其 垂度效应使用陈宇等提出修正的彭金模型得到基 础各向刚度在塔墩底部使用线性弹簧简化模拟土 结构相互作用 地震输入选取 斜拉桥具有明显的方向性忽略纵向地震对斜拉 桥横向地震响应的影响选取地震记录的峰值加速度 为 阻尼比为场地条件为类场地特征周 期为 得到欧洲规范 规定的罕遇地 震作用下加速度反应谱根据该反应谱在美国太平洋 地震研究中心 数据库中挑选了条实测地震记 录各实测记录编号加速度反应谱及其均值如图 所示 图斜拉桥有限元模型 图规范反应谱及所选地震记录 刚度对减震效果的影响 不同种类阻尼器恢复力模型不同其刚度特性与 耗能能力难以直接比较因此使用等效刚度和等效附 加阻尼比表征阻尼器性能使用线性弹簧模拟阻尼器 刚度选取阻尼器等效刚度为 采用振型 分解反应谱法得到斜拉桥地震响应如图所示两座 斜拉桥梁端位移均随阻尼器刚度的增加成倍提高提 高幅度分别可达当 阻尼 器刚度分别达到 时梁端位移已 超过 支座位移随阻尼器刚度的变化趋势与梁 端位移相同数值小于梁端位移随着阻尼器刚度的 提高斜拉桥主梁横向自振周期由约 降低为 位移反应谱幅值大幅提高因此主梁位移大幅提 高降低阻尼器刚度有助于降低主梁横向位移 图反应谱法计算结果 随着阻尼器刚度的提高 塔底弯矩增大幅度 为塔底剪力增大幅度为 塔底弯矩减 振 动 与 冲 击年第卷 ChaoXing 小幅度为塔底剪力减小幅度为塔底弯矩 剪力受阻尼器刚度影响较小 耗能能力对减震效果的影响 工程中附加阻尼比最大取 更高的附加阻尼 比将增大结构自振频率引起不利影响选取附加阻 尼比为和 使用线性阻尼模拟阻尼器耗能能力 采用时程分析法计算斜拉桥地震响应取所选条地 震记录作用下地震响应均值为计算结果如图所示 时程分析法算得附加阻尼比为时梁端位移塔底弯 矩和剪力随阻尼器刚度的变化规律与采用反应谱法结 果相同梁端位移随阻尼器刚度的增加成倍增加塔底 弯矩剪力受阻尼器刚度影响较小相比无阻尼条件 引入 附加阻尼比使塔底弯矩剪力降低 梁端位移降低 但未改变梁端位移随 阻尼器刚度提高而增长的趋势 图时程分析法计算结果 综上塔底弯矩剪力受阻尼器刚度耗能能力影 响较小降低阻尼器刚度可大幅降低梁端位移设计 一种在正常使用状态抵抗风载在地震中提供更低刚 度的新型阻尼器有助于降低梁端位移 新型油阻尼器 工作原理 溢流阀是一种压力控制阀在液压设备中起定压 溢流稳压等作用基于溢流阀及油阻尼器工作原 理设计了一种刚度可变的新型油阻尼器如图所 示液压油在油缸左室与中室间流动需先后通过油管 与溢流阀油阻尼器受外力较小时缸内液压油压强 较低液压油不能通过溢流阀外力不能推动活塞相 当于固结油阻尼器受外力较大时液压油推动溢流 阀活塞自由滑动此时无构件提供刚度刚度为 图新型油阻尼器构造图 将溢流阀开启活塞开始滑动所需外力命名为新 型油阻尼器起动力将新型油阻尼器起动力设定为斜 拉桥主梁正常使用状态所受最大风力可达理想设计 状态正常使用状态下主梁所受外力小于油阻尼器起 动力油阻尼器提供抗风所需高刚度地震作用下主 梁所受外力大于油阻尼器起动力溢流阀开启油阻尼 器提供低刚度有效隔震 恢复力模型 新型油阻尼器恢复力由刚度力分量和阻尼力分量 组成新型油阻尼器刚度特性如图所示图中 和分别为新型油阻尼器初始阶段活塞开始滑动 后和限位阶段刚度 由阻尼器缸体活塞杆和液压 油的尺寸弹性模量等决定 为由阻尼器缸体 活塞杆和限位块的尺寸弹性模量等决定 图新型油阻尼器刚度特性 新型油阻尼器刚度特性可写为 { 式中 为新型油阻尼器刚度 为阻尼器弹性刚度的 折减系数与加载频率相关 为新型油阻尼器恢复 力 为新型油阻尼器起动力 分别为阻尼器位 移限位位移 新型油阻尼器刚度力分量可写为 阻尼力分量由液压油在阀门油管间流动产生的 阻尼力提供写为 式中 为油阻尼器阻尼力分量 分别为油阻尼 器阻尼系数非线性系数由油阻尼器阀门油管长度 直径和形状决定为油阻尼器运动速度 新型油阻尼器恢复力为 单轴动力试验 对新型油阻尼器进行单轴动力试验验证所建恢 复力模型的准确性试验在天津大学滨海土木工程结 构与安全教育部重点实验室进行采用 作动 器进行加载使用导轨保证作动器对新型油阻尼器试 第期牛建涛等用于斜拉桥横向的新型油阻尼器减震性能研究 ChaoXing 件轴向加载试验装置设计及试验现场布置分别如图 图所示在新型油阻尼器端部施加频率为 位移幅值为 的正弦激励 图试验装置布置 图试验现场照片 不同加载频率与加载位移条件下试验所得新型油 阻尼器恢复力位移曲线以及使用恢复力算得恢复 力位移曲线如图所示阻尼器各阶段刚度 和 由试验所得滞回曲线斜率算得见图 新型 油阻尼器活塞滑动前刚度较高活塞滑动后刚度为 达到设计目标 图试验结果及恢复力模型验证 根据试验数据得到刚度折减系数为 { 式中 为加载频率 恢复力模型由刚度力分量和阻尼力分量两部分组 成见图 图 阻尼力分量随着加载速度 的增加而增加刚度力分量随之减小不同加载频率 及加载位移条件下试验结果与恢复力模型吻合均较 好式 式给出的恢复力模型可准确模拟新型 油阻尼器的力学行为 设计方法 新型油阻尼器需满足个设计要求起动力需大 于正常使用状态主梁所受风力需容纳塔梁连接处主 梁横向位移需提供足够耗能能力以控制主梁横向位 移金属阻尼器屈服强度屈服后刚度和极限位移等 参数均与材料弹性模量构件尺寸相关设计时需综合 抗风隔震需求进行取值新型油阻尼器起动力由油 缸面积和溢流阀弹簧预压力决定极限位移由油缸长 度决定耗能能力由油管阀门尺寸决定三者均不相 关可分别设计 新型油阻尼器位移耗能能力根据斜拉桥地震响 应计算结果决定起动力根据公路桥梁抗风设计规 范 进行计算新型油阻尼器 设计参数为 { 式中 分别为油阻尼器极限位移等效阻尼系数 分别为计算所得支座位移阻尼系数需求 为 溢流阀工作压强即溢流阀开启所需压强我国生产溢 流阀 工 作 压 强 可 达 为 油 缸 面 积 为主梁所受静阵风荷载 为空气密度 为设计风速 为风阻系数 为主梁投影高度 为 主梁长度 新型油阻尼器与金属阻尼器减震性能比较 参数设计 选取三角板金属阻尼器弹塑性拉索两种已有的 金属阻尼器与新型油阻尼器进行比较由式求得 和 正常使用状态所受最大静风力分别为 和 根据式及两种金属阻尼器 设计方法算得各阻尼器设计参数如表 表所示 在满足安装条件的基础上适当增加了三角板金属阻 尼器的高度和弹塑性拉索的长度以获得更好的减震效 果新型油阻尼器弹性刚度高于两种金属阻尼器可 在正常使用状态下有效抗风见表 表新型油 振 动 与 冲 击年第卷 ChaoXing 阻尼器由式 式模拟两种金属阻尼器使用 考虑包辛格效应的双折线弹簧单元模拟达到极限位 移后设置限位进行保护力学模型如图所示 表新型油阻尼器设计参数 桥梁 工作压强 内径 长度 弹性刚度 阻尼系数 表三角板金属阻尼器设计参数 桥梁板数 宽度 高度 厚度 弹性刚度 表弹塑性拉索设计参数 桥梁截面面积 长度 弹性刚度 图金属阻尼器力学模型 减震性能比较 定义屈后屈前比为阻尼器屈服后刚度与弹性刚度 之比新型油阻尼器三角板金属阻尼器和弹塑性拉 索屈后屈前比分别为 和 用割线刚度 法求得不同位移条件下各阻尼器等效刚度如图 所示当位移大于 时新型油阻尼器等效刚度 最低新型油阻尼器屈后屈前比为根据割线刚度 法在屈服强度相同的条件下新型油阻尼器可最大程 度降低等效刚度三角板金属阻尼器和弹塑性拉索进 入限位阶段后等效刚度大幅提高 定义位移延性比为阻尼器极限位移与弹性位移之 比三角板金属阻尼器位移延性比可达 弹塑 性拉索位移延性比仅为由表和表算得三角板 金属阻尼器弹塑性拉索极限位移分别为 新型油阻尼器可通过增加油缸长度的方式增 加极限位移位移延性比无限值 不同位移条件下各阻尼器的等效阻尼比如图 所示新型油阻尼器等效阻尼比大于两种金属阻尼 器耗能能力更强这是由于新型油阻尼器屈后屈前 比为滞回曲线更加饱满此外新型油阻尼器可根 据耗能需求提供所需阻尼力进一步增强阻尼器的耗 能能力综上相比于金属阻尼器新型油阻尼器具有 更低的等效刚度更高的极限位移和耗能能力 图不同位移条件下各阻尼器等效刚度 图不同位移条件下各阻尼器等效阻尼比 使用时程分析法计算斜拉桥应用新型油阻尼器与 两种金属阻尼器的地震响应取图所示条实测记 录作用下响应均值为结果如表所示 表三种阻尼器减震效果对比 桥梁 塔梁横向连接方式 塔底弯矩 梁端位移 支座位移 固结 新型油阻尼器 三角板阻尼器 弹塑性拉索 固结 新型油阻尼器 三角板阻尼器 弹塑性拉索 对于 与 相比于塔梁固结体系应 用新型油阻尼器降低梁端位移 应用三 角板金属阻尼器可降低梁端位移 应用 弹塑性拉索可降低梁端位移 对于 由于主跨跨度较小主梁横向抗弯刚度较高使用 塔梁固结体系和三种阻尼器均可较好地降低梁端位 第期牛建涛等用于斜拉桥横向的新型油阻尼器减震性能研究 ChaoXing 移新型油阻尼器效果最佳对于 在塔梁间使 用三种阻尼器均可大幅降低梁端位移新型油阻尼器 效果亦最佳这是由于新型油阻尼器具有更低的等效 刚度和更高的耗能能力在实测地震记录 作 用下两座斜拉桥横向梁端位移时程曲线如图所 示由于新型油阻尼器弹性刚度大弹性位移小震后 残余位移比两种金属阻尼器稍大 条实测记录作用 下新型油阻尼器三角板金属阻尼器和弹塑性拉索残 余位移均值分别为 和 图梁端位移时程曲线 对于 与 相比于塔梁固结体系应 用新型油阻尼器可降低塔底弯矩 应用 三角板金属阻尼器可降低塔底弯矩 应 用弹塑性拉索可降低塔底弯矩 三种 阻尼器对塔底弯矩的减震效果相差较小新型油阻尼 器效果最优在实测地震记录 作用下两座斜 拉桥塔底横向弯矩时程曲线如图所示 图塔底弯矩时程曲线 作用下三种阻尼器的滞回曲线如图 所示三角板金属阻尼器与弹塑性拉索均进入限位阶 段其中弹塑性拉索极限位移较小等效刚度提高幅度 更大新型油阻尼器滞回曲线饱满耗能能力更强等 效刚度更低 作用下梁端运动的傅里叶幅值 图减震装置滞回曲线 谱应用新型油阻尼器大幅降低了主梁振动的傅里叶 谱幅值降低了主梁振动能量如图所示三角板 金属阻尼器亦较大幅度降低了主梁振动的傅里叶谱 幅值 图梁端运动傅里叶谱 结论 本文研究了安装于塔梁连接处阻尼器刚度耗能 能力对斜拉桥横向减震效果的影响研制了一种低刚 度新型油阻尼器并进行了单轴动力试验对比了新型 油阻尼器与已有两种金属阻尼器的减震性能得到以 下结论 塔底弯矩剪力受阻尼器刚度耗能能力影响 较小梁端支座位移随阻尼器刚度的增加成倍提高 提高幅度可达提高阻尼器耗能能力可降低梁 端位移 但未改变其随阻尼器刚度增大而 提高的趋势研制一种在正常使用状态抵抗风力在 地震作用下提供较低刚度的阻尼器可进一步降低斜拉 桥横向梁端位移 新型油阻尼器依靠溢流阀实现变刚度活塞 滑动前提供高刚度活塞滑动后刚度为试验结果证 明所建恢复力模型可以准确模拟新型油阻尼器的力学 行为新型油阻尼器起动力极限位移和耗能能力均 不相关可分别设计简化了设计流程同时满足抗风 与隔震的需求 与已有的两种金属阻尼器相比新型油阻尼 器具有更低的等效刚度更高的极限位移与耗能能力 可更大幅度降低横向梁端位移与塔底弯矩减震性能 更佳 参 考 文 献 焦驰宇李建中彭天波塔梁连接方式对大跨斜拉桥地 震反应的影响 振动与冲击 韩振峰叶爱君千米级斜拉桥的纵向减震体系研究 地震工程与工程振动 振 动 与 冲 击年第卷 ChaoXing 刘彦辉谭平金建敏等地震作用下全浮漂大跨斜拉桥 耗能减震控制研究 振动与冲击 叶爱君范立础超大跨度斜拉桥的横向约束体系 中 国公路学报 杨玉民袁万城范立础大跨斜拉桥横向地震反应及其 分形特征 同济大学学报自然科学版 刘伟庆徐秀丽吴晓兰等大跨度斜拉桥结构横向消能 减震 设 计 方 法 振 动 工 程 学 报