在結(jié)構(gòu)抗震的發(fā)展過程中,傳統(tǒng)的抗震結(jié)構(gòu) 是采用”硬抗”的方法,即通過加強結(jié)構(gòu)、加大結(jié)構(gòu)斷面、多配筋等途徑來提高結(jié)構(gòu)抗震性能。這樣不僅使造價大大提高,而且實質(zhì)上是把結(jié)構(gòu)本身及主要承重構(gòu)件作為”消能”構(gòu)件。結(jié)構(gòu)的彈性變形是不能消能的,所以結(jié)構(gòu)必須付出塑性變形的代價來耗散地震輸入結(jié)構(gòu)的能量,從而使整個結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不同程度的損傷。又由于地震的隨機性及結(jié)構(gòu)抗震能力變異性,對結(jié)構(gòu)在地震中的損傷程度難以控制,特別是出現(xiàn)強烈地震時,結(jié)構(gòu)難以確保安全。因此,結(jié)構(gòu)的減隔震技術(shù)越來越引起工程界的注意,因為它可以有效地克服傳統(tǒng)抗震方法的不足。
1:結(jié)構(gòu)減隔震控制機理和方法
結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)存在以下兩條基本規(guī)律:
(1)延長結(jié)構(gòu)基本周期,避開地震卓越周期區(qū)域,從而避開地震能量集中的范圍,降低結(jié)構(gòu)地震力;
(2)增大結(jié)構(gòu)阻尼,從而使結(jié)構(gòu)的耗能能力增強,從而減少結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。
以上規(guī)律可以由地震加速度反應(yīng)譜直觀地顯示出來。對于長大橋梁結(jié)構(gòu)而言,延長結(jié)構(gòu)周期通常會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)位移的進一步增大。長大橋梁一般就具有自振周期較長,地震位移較大的特點。故延長結(jié)構(gòu)周期的減隔震技術(shù)對于長大橋梁應(yīng)該慎重應(yīng)用。而通過增大結(jié)構(gòu)的阻尼,可以同時減小結(jié)構(gòu)的地震力和地震位移,一般對于長大橋梁的地震反應(yīng)控制可以起到良好的作用。
2:我國橋梁抗震阻尼器介紹
阻尼器的作用主要是提供阻尼。阻尼器種類很多,有鉛擠壓阻尼器,鋼阻尼器、摩擦阻尼器以及液體黏滯阻尼器等。其中,較為成熟且適用于大跨度橋梁的主要是液體黏滯阻尼器。液體黏滯阻尼器工作示意圖如圖1所示。
液體黏滯阻尼器的運動速度和阻尼力的關(guān)系為: F=CVa 式中:F為阻尼力;C為阻尼系數(shù);V為阻尼器兩端的相對速度;a為速度指數(shù)(從抗震角度,常用0.3~1)。
阻尼力和最大沖程是確定阻尼器的兩個主要指標,而阻尼系數(shù)和速度指數(shù)是阻尼控制作用大小的兩個關(guān)鍵參數(shù)。當a=1時,阻尼力與相對速度成正比,這種阻尼器稱為線性阻尼器,其滯回曲線形狀近似橢圓,阻尼力和結(jié)構(gòu)彈性力之間有90o的相位差,因此,并不增加下部結(jié)構(gòu)受力。
3:液體黏滯阻尼器在中國長大典型橋梁的應(yīng)用
3.1:蘇通大橋
蘇通長江公路大橋位于中國江蘇省長江口南通河段,主航道橋橋跨布置為(100+100+300)m+1088m+(300+100+100)m,是目前世界上最大跨徑的斜拉橋。大橋橋址處建設(shè)條件復(fù)雜,抗震要求高,設(shè)計時,在全漂浮體系基礎(chǔ)上世界首創(chuàng)地加設(shè)帶有附加限位功能的特大型液體黏滯阻尼器。蘇通大橋照片見圖2所示,蘇通大橋使用的液體黏滯阻尼器照片見圖3.
根據(jù)通過計算分析所得到的液體黏滯阻尼器設(shè)計參數(shù)要求,設(shè)計者決定在一個塔梁連接處順橋向設(shè)置4個液體黏滯阻尼器,全橋共8個。單個阻尼器設(shè)計參數(shù)見表1。此處該阻尼器還帶有限制位移功能,在主梁順橋向正負750mm的位移內(nèi)不約束主梁運動,以減小常規(guī)作用下(溫度、正常風(fēng)、交通荷載)結(jié)構(gòu)受力,當相對位移大于750mm時,單個阻尼器提供上限9870kN的限位力。表1給出了蘇通大橋單個阻尼的性能參數(shù)。
對加裝阻尼器的全橋地震反應(yīng)計算分析可知,蘇通大橋加裝阻尼器后,縱向位移降低59.4%,橋塔剪力降低14%,橋塔彎矩降低24%。計算結(jié)果表明,這種集限位、阻尼兩種功能于一體的液體黏滯阻尼器有效地提高了蘇通大橋橋梁剛度,改善了結(jié)構(gòu)阻尼,解決了該大跨度橋梁設(shè)計中遇到的關(guān)鍵技術(shù)問題。
3.2：江陰長江大橋
江陰長江公路大橋是我國大陸建成的第一座千米級大型懸索橋。該橋位于長江三角洲地段中部,中跨跨徑1385m,矢跨比1/10.5,主纜中心距32.5m,吊索間距16m,橋塔采用鋼筋混凝土門式塔,主梁為扁平閉口流線型鋼箱梁。
該橋自1999年建成運營幾年后,發(fā)現(xiàn)主跨兩端的伸縮縫在橫橋向和縱橋向的變形不均勻,伸縮縫工作狀況不正常。經(jīng)實測,主梁最大縱向擺動速度 和擺動加速度分別為2.67mm/s和24.2mm/s2 ,梁在支座處的橫向擺動速度和橫向擺動加速度最大值分別為0.225mm/s和0.018mm/s2。
通過對全橋進行的各個工況下的動力分析和比較,中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司最終決定在主梁兩端伸縮縫處設(shè)置4個液體黏滯阻尼器對大橋動力位移進行控制以改善大橋動力性能,表2為經(jīng)過計算分析最終確定的單個阻尼器技術(shù)參數(shù),大橋所采用的阻尼器沖程達到1000mm,是目前世界上行程最長的大型阻尼器之一。江陰長江大橋照片見圖4所示,江陰長江大橋使用的液體黏滯阻尼器照片見圖5,表2給出了江陰長江大橋單個阻尼器的詳細參數(shù)。
通過加裝阻尼器后對全橋動力數(shù)值分析表明,液體黏滯阻尼器的使用使得該橋在車輛振動條件下位移減少87%,風(fēng)振位移響應(yīng)減少51%,地震位移 響應(yīng)減少56%。這是我國第一次對已建大橋采用阻尼器進行的加固改造,對于我國橋梁上安裝液體黏滯阻尼器具有重要的意義。
3.3:西堠門大橋
西堠門大橋是我國舟山大陸連島工程中規(guī)模最大的跨海特大橋之一。其走向由北到南,北連冊子島,南連金塘島。該橋跨徑布置為(578+1650+485)m。由于地形的原因,主橋在北邊跨和中跨的主梁設(shè)計為連續(xù)加勁梁,北邊跨和北塔之間為懸吊結(jié)構(gòu),設(shè)置有橫向抗風(fēng)支座,北塔設(shè)有下橫梁。因此,加勁梁的實際連續(xù)長度為2228m,南塔的下橫梁和北錨碇上設(shè)置反力墻,在加勁梁端和反力墻之間設(shè)置阻尼器。
經(jīng)過計算分析,從保護反力墻和抗震角度,阻尼器參數(shù)選取為a=1.0,C=1000,此時,梁端位移為0.1752m,相對于體系為梁端自由時減小一半,主梁南端反力墻作用力為1955kN,主梁北端反力墻上作用力為2045kN。
4:結(jié)語
隨著新材料的推廣以及抗震設(shè)計理念和抗震分析手段的不斷進步,阻尼器在長大橋梁建設(shè)中的應(yīng)用也越來越廣泛。通過實橋的分析和測試也證明阻尼器在加強長大橋梁動力性能方面起到了積極作用。但目前長大橋梁使用的阻尼器類型還比較單一,關(guān)于各種類型阻尼器在長大橋梁使用中的優(yōu)化還有待進一步研究。
