设置摇摆-自复位桥墩和黏滞阻尼器的斜拉桥纵向减震性能.pdf
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1、为发展具有自复位功能的斜拉桥减震体系,降低其纵向地震响应,提高震后可恢复能力,本文提出了由黏滞阻尼器与自复位桥墩组合成的新型斜拉桥体系。基于 OpenSees 有限元分析平台,建立了 3 种不同设计方案下的斜拉桥有限元分析模型,并选取 5 组近场地震动对各模型进行非线性动力时程分析,对比了各模型斜拉桥的地震反应。结果表明:黏滞阻尼器的存在虽然能够显著提高斜拉桥体系纵向抗震能力,但同时增加了桥墩墩顶的纵向残余位移,不利于桥墩震后修复。摇摆-自复位桥墩可有效改善这一状况,通过增大墩梁相对位移,将地震输入的能量集中于阻尼器,增强了阻尼器的耗能能力并通过摇摆墩的自复位能力有效降低了桥墩的纵向残余位移,
2、有利于实现斜拉桥的震后快速恢复,满足既定的抗震设计目标。关键词:斜拉桥;减震;摇摆墩;自复位;黏滞阻尼器;耗能;残余位移;震后修复DOI:10.11990/jheu.202201030网络出版地址:https:/ 文献标志码:A 文章编号:1006-7043(2023)08-1336-09Longitudinal seismic performance of cable-stayed bridges with rocking self-centering piers and viscous dampersWANG Debin1,GUO Yuchen1,SUN Zhiguo2(1.School
3、of Civil Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China;2.Key Laboratory of Building Failure Mechanism and Disaster Prevention,China Earthquake Administration,Institute of Disaster Prevention,Beijing 101601,China)Abstract:A novel type of seismic self-centering cable-stayed bridge system
4、was developed using viscous dampers and rocking self-centering(RSC)auxiliary piers to reduce the longitudinal seismic response and improve the resili-ence of cable-stayed bridges during severe earthquakes.Three types of finite element models of cable-stayed bridges were built using the OpenSees plat
5、form.In addition,nonlinear dynamic time-historical analysis was performed by imparting five groups of near-field ground motions,and the responses of the bridge models were compared.The re-sults showed that although the utilization of viscous dampers considerably improved the longitudinal seismic cap
6、acity of the cable-stayed bridges,it also increased the longitudinal residual displacement of the pier tops,which is not conducive to post-earthquake repair of the piers.Notably,RSC piers can effectively address this issue.By increas-ing the distance between the piers and beams,the seismic input ene
7、rgy is concentrated on the damper.This en-hances the energy dissipation capacity of the damper and effectively reduces the longitudinal residual displacement of the piers due to their self-centering capability.This approach facilitates the rapid recovery of cable-stayed bridges after an earthquake a
8、nd fulfills the established seismic design goals.Keywords:cable-stayed bridge;damping;rocking pier;self-centering;viscous damper;energy dissipation;resid-ual displacement;post-earthquake repaiir收稿日期:2022-01-15.网络出版日期:2023-06-09.基金项目:国家自然科学基金项目(51978167);大连市青年科技之星项目(2018RQ72).作者简介:王德斌,男,副教授;孙治国,男,副教授
9、.通信作者:孙治国,E-mail:sunzhiguo .强震作用下,漂浮或半漂浮体系的斜拉桥易因主梁纵桥向较大的变形引发与相邻跨引桥的碰撞破坏,成为斜拉桥抗震设计的难点1-5。对斜拉桥纵向抗震理论的研究及相关工程实践表明,在斜拉桥塔、梁结合位置设置纵向黏滞阻尼器可以有效减少主梁纵向位移,改善结构的受力状态,同时黏滞阻尼器由于是速度相关型消能器,正常使第 8 期王德斌,等:设置摇摆-自复位桥墩和黏滞阻尼器的斜拉桥纵向减震性能用状态下不提供附加刚度,允许桥梁因温度变化发生缓慢的变形,在斜拉桥的抗震设计中备受青睐。Martnez 等6以 1988 年 Saguenay 地震中发生破坏的钢斜拉桥抗震加
10、固为例,通过数值分析手段研究了纵桥向采用阻尼器和隔震技术后桥梁的地震反应,推荐了采用黏滞阻尼器的加固方案。Jiang 等7将负刚度装置与液体黏滞阻尼器共同应用于斜拉桥体系,在控制桥面纵向位移的同时,消除了塔底弯矩和剪力增大的不利影响。Xu 等8提出了确定双塔斜拉桥黏滞阻尼器参数的简化方法,通过振动台分析试验,建立了黏滞阻尼器等效阻尼比的经验公式。Shi 等9提出了黏滞阻尼器的等效线性模型,建立了布设黏滞阻尼器的漂浮体系斜拉桥地震响应简化分析方法。Xu 等10提出了基于等效阻尼比和线性化的非线性黏滞阻尼器简化模型,推导出了斜拉桥非线性黏滞阻尼器阻尼系数的解析公式,为斜拉桥非线性黏滞阻尼器的参数选
11、择提供了理论依据。沈文爱等11通过对黏滞阻尼器的阻尼系数 C 和速度指数 进行参数敏感性分析,得出了设置纵向黏滞阻尼器能够显著减小双座串联斜拉桥的纵向位移响应和主梁碰撞概率的结论,并给出了黏滞阻尼器的最优参数取值。近年来,桥梁抗震设计理念逐步由抗倒塌设计向功能可恢复设计方向发展,摇摆-自复位(rocking self-centering,RSC)桥墩应运而生。学者们针对 RSC 桥墩的建模方法以及桥墩体系结构的改进展开了深入研究。孙治国等12提出了 RSC桥墩的数值模拟方法,并与其他学者的拟静力加载试验结果进行对比,验证了其数值模型的准确性,为布置 RSC 桥墩的桥梁结构进行数值分析提供了理论
12、基础。在此基础上,其提出 RSC 双层桥梁排架墩抗震体系13,得出了其在近断层地震动下的地震响应规律,为具有可恢复功能的双层桥梁的抗震设计提供了参考和依据。贾俊峰等14对外置耗能器的 RSC 桥墩抗震性能进行研究,得出外置耗能部件具有良好的可更换性和耗能能力,且 RSC 桥墩的抗震性能在更换前后保持一致的结论。张育智15将铅芯橡胶支座及液体黏滞阻尼器与 RSC 高墩组合形成 2 种减隔震体系,其认为通过布置 RSC 桥墩的方法可以提高阻尼器对地震输入能量的吸收,进而降低主体结构因过高能量耗散而造成的结构损伤。为了实现对斜拉桥纵桥向地震损伤的控制,本文提出在主梁-桥塔、主梁-辅助墩间设置黏滞阻尼
13、器以减少主梁纵向位移反应和主塔的受力。同时为避免辅助墩的破坏,将其设计为摇摆-自复位体系,通过强震下辅助墩的摇摆-自复位特性避免其产生残余变形。为验证该新型减震体系的地震损伤控制效果,本文以某斜拉桥为例,建立其有限元分析模型,并选取 5 组近场地震动,进行不同地震动强度下的非线性动力时程分析,对比研究该体系对斜拉桥纵向抗震性能的影响。1 计算模型建立1.1 斜拉桥有限元模型 本文算例所用斜拉桥模型原始设计具体参数及基于 OpenSees 平台的模型建立过程见文献16,主桥为主跨 240 m 的双塔空间索面斜拉桥,边跨设置3 个桥墩,其跨径布置为(45+42+58+240+58+42+46.5=
14、531.5 m)。索塔采用椭圆形,向岸侧倾斜35,塔底标高 2.5 m,塔顶标高 85.0 m,塔斜向高102.464 m。索塔顺桥向宽度 5 m,椭圆形索塔横桥向宽度由塔顶的 6.2 m 渐变至塔中部的 4.6 m,再渐变至塔根的 9.766 m,塔柱采用六边形横断面。6#、7#、10#、11#辅助墩墩高 14 m,主梁为扁平流线形封闭钢箱梁,斜拉索采用高强度钢绞线拉索,上部结构采用纵向漂浮支承体系,主梁与桥塔、各墩之间通过纵向滑动支座约束主梁竖向位移并限制其横向位移。黏滞阻尼器作为一种速度相关型阻尼器,当加载速度较慢时,阻尼器几乎无内力产生,且其不为结构体系提供附加刚度,对结构的动力特性并
15、无影响。当受到地震、强风作用时,由于加载速度快,阻尼器内力迅速增加,并有效吸收地震输入能量。鉴于上述特点,本文选用黏滞阻尼器作为辅助减震装置将其布置于塔梁与墩梁之间,并将 6#、11#辅助墩设为摇摆墩,以便为斜拉桥组合减震体系提供复位力。斜拉桥组合结构体系及阻尼器布置情况如图 1所示。1.2 RSC 桥墩数值模型 依据文献15 的建模方法建立摇摆墩模型。墩身选用纤维梁单元模拟,通过零长度截面转动弹簧单元配以只受压不受拉弹性本构材料模型模拟RSC 桥墩的摇摆反应。无粘结预应力钢筋采用Truss 单元进行模拟,单元划分与墩身单元划分保持一致。无粘结预应力筋采用 OpenSees 中的 Elasti
16、c-PP 材料模型模拟,通过施加初应变的方法提供初始预应力,本文所用预应力筋在其最大应力达到 0.8倍极限强度时认定失效17。无粘结预应力筋的底部节点固结,顶部节点与墩身顶部节点通过刚臂单元连接,其余节点的水平向自由度与墩身节点耦合,竖向自由运动。耗能钢筋选用 Steel02 单轴材料本构模型,采用 Truss 单元模拟,底部接缝处设置为无粘结状态,单元长度取为无粘结段长度。耗能钢筋7331哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报第 44 卷底部节点固结,顶部节点与墩身节点通过刚臂单元连接,以此保证构件之间的协同变形。通过纤维截面来模拟零长度截面转动弹簧单元并赋予 Elastic-No Tensio
17、n 材料本构模型对接缝处进行模拟,通过底部受压时截面两端的应变差模拟 RSC 桥墩的摇摆响应,RSC 桥墩模型及材料本构模型如图 2 所示。图 1 斜拉桥立面图Fig.1 Elevation view of the cable stayed bridge图 2 RSC 桥墩数值分析模型Fig.2 Numerical analysis model for the RSC bridge piers1.3 黏滞阻尼器数值模型 本文液体黏滞阻尼器采用 OpenSees 中的 two-NodeLink 单元进行模拟,其在桥梁中的布置情况、节点位置和坐标系如图 3 所示。通过定义单轴 Vis-cous 材
18、料的阻尼系数及速度指数来赋予单元的材料属性,其力学模型为:Fv=CV(1)式中:Fv为阻尼力;C 为阻尼系数;V 为阻尼器两端点的相对速度;为速度指数。通过对非线性黏滞阻尼器的力学特性分析可知,其阻尼系数 C 以及速度指数 是控制黏滞阻尼器性能的 2 个关键参数。桥梁工程中黏滞阻尼器的速度指数取值一般为 0.32.018。根据文献15,本文取 C=3 162 kN (s/m),=0.5,将黏滞阻尼器进行纵向布置,使其单独进行减震或与 RSC 桥墩构成组合减震体系。图 3 黏滞阻尼器布置方式Fig.3 The arrangement of viscous dampers2 地震动选择及工况设置2
19、.1 地震动选择 鉴于近断层地震动中包含丰富的长周期高能量脉冲,易造成结构产生较大的变形乃至破坏,明显增大减隔震桥梁的位移需求,本文选择近断层地震动进行分析以期获得在更不利地震动输入下斜拉桥地震响应的估计。从太平洋地震工程研究中心强震数据库选取 5 组近场脉冲型地震动,每组地震动包含3 个平动方向的地震动数据,相关地震动记录信息见表 1。由于斜拉桥在不同桥向具有明显不同的响应特点19,本文仅选择地震动的平行断层分量对斜拉桥进行地震动输入,研究组合减震体系对斜拉桥纵向抗震性能的影响。将地震动的峰值加速度(peak ground acceleration,PGA)分别调至 0.2g、0.4g 和
20、0.6g,对 3 种模型下的桥梁结构体系进行设计地震、罕遇地震以及巨震20作用下的抗震性能研究。本文结构阻尼比取为 5%,选取的地震波反应谱曲线如图 4 所示。2.2 工况设置 本文共设计 3 种分析模型:模型 1 为斜拉桥原桥模型;模型 2 在 6#和 11#辅助墩墩顶与主梁之间、左右桥塔与主梁之间各水平布置 1 个黏滞阻尼器;模型8331第 8 期王德斌,等:设置摇摆-自复位桥墩和黏滞阻尼器的斜拉桥纵向减震性能3 在墩梁和塔梁之间水平布置黏滞阻尼器的基础上,将 6#和 11#辅助墩调整为 RSC 桥墩,如图 5 所示。表 1 选取的地震动记录Table 1 Selected ground
21、motion records序号震级发生日期地震事件地震台震源机制16.91989.10.18Loma PrietaSaratoga-Aloha Ave逆斜断层27.01992.04.25Cape MendocinoPetrolia逆断层37.11999.11.12Duzce_TurkeyBolu走滑断层46.02004.09.28Parkfield-02_CAPARKFIELD-EADES走滑断层56.62004.10.23Niigata_JapanNIG021逆断层图 4 地震动反应谱Fig.4 Response spectra of the selected ground motions
22、图 5 桥梁计算模型示意Fig.5 Sketch of the bridge calculation model 各工况下桥梁模型均进行 0.2g、0.4g 和 0.6g下地震动输入,通过不同强度下的非线性时程分析结果获取结构关键构件的响应均值进行抗震性能分析。同时,为研究组合结构减震体系的残余变形及阻尼器耗能变化情况,本文将对桥梁体系关键部位残余位移及阻尼器耗能情况进行分析。3 桥梁地震响应及自复位特性3.1 减震性能分析 为研究黏滞阻尼器和 RSC 桥墩组合减震体系对斜拉桥纵向抗震性能的影响,本文分别对主梁纵向位移、6#辅助墩墩顶纵向位移和墩底纵向弯矩、左塔塔顶纵向位移和塔身纵向弯矩、墩梁
23、相对位移以及塔梁相对位移的峰值进行计算,对各工况下地震响应取均值作为分析依据,计算结果见表2 和表3。同时,为进一步研究组合减震结构体系的减震效果,以模型 1 各性能指标值作为基准值,计算模型 2 和模型 3 各关键性能指标的减震率21,图 6 给出了不同地震动强度下模型 2 和模型 3 各性能指标的峰值位移减震率。表 2 峰值计算结果平均值Table 2 Average value of peak calculation resultsmm峰值位移地震动加速度峰值为 0.2g地震动加速度峰值为 0.4g地震动加速度峰值为 0.6g模型 1模型 2模型 3模型 1模型 2模型 3模型 1模型
24、2模型 3主梁72.2030.0329.20138.4366.1764.61207.43105.25102.62辅助墩墩顶33.8227.9125.8385.1267.3860.73172.88114.57102.75塔顶58.4033.4432.77116.7972.5170.77174.92115.66112.25墩-梁间82.4915.9920.69181.5735.0546.43264.3654.9275.06塔-梁间62.0521.4620.87124.2351.5049.94186.7385.9681.98表 3 内力计算结果平均值Table 3 Average value of
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