在结构抗震的发展过程中,传统的抗震结构 是采用”硬抗”的方法,即通过加强结构、加大结构断面、多配筋等途径来提高结构抗震性能。这样不仅使造价大大提高,而且实质上是把结构本身及主要承重构件作为”消能”构件。结构的弹性变形是不能消能的,所以结构必须付出塑性变形的代价来耗散地震输入结构的能量,从而使整个结构出现不同程度的损伤。又由于地震的随机性及结构抗震能力变异性,对结构在地震中的损伤程度难以控制,特别是出现强烈地震时,结构难以确保安全。因此,结构的减隔震技术越来越引起工程界的注意,因为它可以有效地克服传统抗震方法的不足。

1:结构减隔震控制机理和方法 

结构的地震反应存在以下两条基本规律: 

 (1)延长结构基本周期,避开地震卓越周期区域,从而避开地震能量集中的范围,降低结构地震力; 

(2)增大结构阻尼,从而使结构的耗能能力增强,从而减少结构的地震反应。

以上规律可以由地震加速度反应谱直观地显示出来。对于长大桥梁结构而言,延长结构周期通常会导致结构位移的进一步增大。长大桥梁一般就具有自振周期较长,地震位移较大的特点。故延长结构周期的减隔震技术对于长大桥梁应该慎重应用。而通过增大结构的阻尼,可以同时减小结构的地震力和地震位移,一般对于长大桥梁的地震反应控制可以起到良好的作用。

2:我国桥梁抗震阻尼器介绍

阻尼器的作用主要是提供阻尼。阻尼器种类很多,有铅挤压阻尼器,钢阻尼器、摩擦阻尼器以及液体黏滞阻尼器等。其中,较为成熟且适用于大跨度桥梁的主要是液体黏滞阻尼器。液体黏滞阻尼器工作示意图如图1所示。

液体黏滞阻尼器的运动速度和阻尼力的关系为: F=CVa 式中:F为阻尼力;C为阻尼系数;V为阻尼器两端的相对速度;a为速度指数(从抗震角度,常用0.3~1)。 

阻尼力和最大冲程是确定阻尼器的两个主要指标,而阻尼系数和速度指数是阻尼控制作用大小的两个关键参数。当a=1时,阻尼力与相对速度成正比,这种阻尼器称为线性阻尼器,其滞回曲线形状近似椭圆,阻尼力和结构弹性力之间有90o的相位差,因此,并不增加下部结构受力。

3:液体黏滞阻尼器在中国长大典型桥梁的应用

3.1:苏通大桥

苏通长江公路大桥位于中国江苏省长江口南通河段,主航道桥桥跨布置为(100+100+300)m+1088m+(300+100+100)m,是目前世界上最大跨径的斜拉桥。大桥桥址处建设条件复杂,抗震要求高,设计时,在全漂浮体系基础上世界首创地加设带有附加限位功能的特大型液体黏滞阻尼器。苏通大桥照片见图2所示,苏通大桥使用的液体黏滞阻尼器照片见图3.

根据通过计算分析所得到的液体黏滞阻尼器设计参数要求,设计者决定在一个塔梁连接处顺桥向设置4个液体黏滞阻尼器,全桥共8个。单个阻尼器设计参数见表1。此处该阻尼器还带有限制位移功能,在主梁顺桥向正负750mm的位移内不约束主梁运动,以减小常规作用下(温度、正常风、交通荷载)结构受力,当相对位移大于750mm时,单个阻尼器提供上限9870kN的限位力。表1给出了苏通大桥单个阻尼的性能参数。

对加装阻尼器的全桥地震反应计算分析可知,苏通大桥加装阻尼器后,纵向位移降低59.4%,桥塔剪力降低14%,桥塔弯矩降低24%。计算结果表明,这种集限位、阻尼两种功能于一体的液体黏滞阻尼器有效地提高了苏通大桥桥梁刚度,改善了结构阻尼,解决了该大跨度桥梁设计中遇到的关键技术问题。

3.2：江阴长江大桥

江阴长江公路大桥是我国大陆建成的第一座千米级大型悬索桥。该桥位于长江三角洲地段中部,中跨跨径1385m,矢跨比1/10.5,主缆中心距32.5m,吊索间距16m,桥塔采用钢筋混凝土门式塔,主梁为扁平闭口流线型钢箱梁。

该桥自1999年建成运营几年后,发现主跨两端的伸缩缝在横桥向和纵桥向的变形不均匀,伸缩缝工作状况不正常。经实测,主梁最大纵向摆动速度 和摆动加速度分别为2.67mm/s和24.2mm/s2 ,梁在支座处的横向摆动速度和横向摆动加速度最大值分别为0.225mm/s和0.018mm/s2。

通过对全桥进行的各个工况下的动力分析和比较,中交公路规划设计院有限公司最终决定在主梁两端伸缩缝处设置4个液体黏滞阻尼器对大桥动力位移进行控制以改善大桥动力性能,表2为经过计算分析最终确定的单个阻尼器技术参数,大桥所采用的阻尼器冲程达到1000mm,是目前世界上行程最长的大型阻尼器之一。江阴长江大桥照片见图4所示,江阴长江大桥使用的液体黏滞阻尼器照片见图5,表2给出了江阴长江大桥单个阻尼器的详细参数。

通过加装阻尼器后对全桥动力数值分析表明,液体黏滞阻尼器的使用使得该桥在车辆振动条件下位移减少87%,风振位移响应减少51%,地震位移 响应减少56%。这是我国第一次对已建大桥采用阻尼器进行的加固改造,对于我国桥梁上安装液体黏滞阻尼器具有重要的意义。

3.3:西堠门大桥

西堠门大桥是我国舟山大陆连岛工程中规模最大的跨海特大桥之一。其走向由北到南,北连册子岛,南连金塘岛。该桥跨径布置为(578+1650+485)m。由于地形的原因,主桥在北边跨和中跨的主梁设计为连续加劲梁,北边跨和北塔之间为悬吊结构,设置有横向抗风支座,北塔设有下横梁。因此,加劲梁的实际连续长度为2228m,南塔的下横梁和北锚碇上设置反力墙,在加劲梁端和反力墙之间设置阻尼器。

经过计算分析,从保护反力墙和抗震角度,阻尼器参数选取为a=1.0,C=1000,此时,梁端位移为0.1752m,相对于体系为梁端自由时减小一半,主梁南端反力墙作用力为1955kN,主梁北端反力墙上作用力为2045kN。

4:结语

随着新材料的推广以及抗震设计理念和抗震分析手段的不断进步,阻尼器在长大桥梁建设中的应用也越来越广泛。通过实桥的分析和测试也证明阻尼器在加强长大桥梁动力性能方面起到了积极作用。但目前长大桥梁使用的阻尼器类型还比较单一,关于各种类型阻尼器在长大桥梁使用中的优化还有待进一步研究。