液体粘滞阻尼器是一种类似车辆减震器的活塞筒状装置,其装置内填硅油,在活塞的往复运动中液体硅油起粘滞作用,耗散地震能量,对结构起到耗能、减震控制作用(陈永祁,2012)。这种内置硅油的速度型阻尼器,性能相对可靠稳定,并已经发展成从规范、设计规程到分析计算程序、产品检验的完整体系(UNI EN 15129—2009)。

图1 粘滞阻尼器构造示意图
Fig.1 Schematic chart of liquid viscous damper conformation

F=CV^α.(1)

式中,F为阻尼力; C为阻尼系数; V为阻尼器冲程速度; α为阻尼指数,其值范围在0.1～2.0,从抗震角度看,常用值一般在0.2～1.0。

液体粘滞阻尼器自发明以来,经历了几次技术革新,目前已较为成熟,满足工程需要的各种不同参数的阻尼器在国内外的重点桥梁工程中发挥着重要作用(表1)。

表1 阻尼器在国内外应用的部分实例
Tab.1 Parts of application examples of liquid viscous damper at home and abroad

粘滞阻尼器产生的阻尼力与速度和温度有关,在应用这类阻尼器时应予以注意。此外,油压的调整、漏油、灰尘的侵入等也需采取相应的措施,并进行必要的维护。由于粘滞阻尼器具有方向性,在其安装设置时需考虑,而且制作加工精度要求高,较大体积的粘滞阻尼器制作、安装较为困难。

双曲面球型减隔震支座是在球型支座基础上,用大半径球面摩擦副代替平面摩擦副,并设置抗剪装置而形成的一种新型支座(图2),彭天波等(2007)对其进行了深入的理论分析和试验研究。双曲面球型减隔震支座的减隔震原理与FPS 减隔震支座相同(焦驰宇等,2007),均为摩擦钟摆原理。双曲面球型减隔震支座在地震不发生的情况下,其功能与普通球型支座一致,可满足桥梁的正常运行。

当地震发生且水平横向力超过预定值时,限位装置的抗剪销和安全螺钉被剪断,支座的横向限位约束被解除,大半径球面摩擦副横向即可自由滑动,其平面尺寸主要由最大设计位移控制。该支座利用简单的钟摆机理延长了桥梁的自振周期,从而降低加速度反应; 地震过后,结构自重又可形成恢复力,帮助桥梁上部结构回到原来的位置。通过调整支座转动半径可得到不同的减震效果,增加支座转动半径,减震效果增强,但同时也会增大支座的水平位移。

1:下支座板; 2:导向板; 3:抗剪销; 4:安全螺钉;

5:上座板; 6:防尘密封装置; 7:球面不锈

钢滑板; 8:四氟乙烯板; 9:中座板

图2 双曲面球型减隔震支座构造
Fig.2 Conformation chart of double spherical aseismic bearing

铅芯阻尼器充分利用铅具有密度大、熔点低、塑性高、强度低、润滑能力强等特点,同时由于铅具有较高的延性和柔性,在变形过程中可以吸收大量的能量,并且具有较强的变形跟踪能力,通过动态恢复和再结晶过程,其组织和性能还可恢复至变形前的状态(周云等,1999)。因此铅芯阻尼器具有以下优点:(1)使用寿命不受限制;(2)提供的阻尼力可靠;(3)对位移变化敏感;(4)构造简单,工作中不需维护。但它具有恢复性差和易对环境造成污染等缺点。

中铁第一勘察设计院集团有限公司减隔震攻关小组利用“支座功能分离”的设计理念,已成功开发了简支梁上使用的减震榫装置(李承根,高日,2009)。在此基础上,沿用“支座功能分离”的设计理念,采用球型钢支座提供竖向支撑,将铅芯橡胶支座改造成为叠层钢环内装铅芯的构造装置,此装置水平向利用钢环的水平间隙发生大的变形来满足地震时的位移需要,同时装置内的铅芯发生重结晶耗散地震能量。初步的试验结论表明该装置具有较大的耗能能力。

图3 铅芯阻尼构造及变形示意图
Fig.3 Schematic diagram of structure and transmogrification of lead core damper

根据几种减隔震装置的特点介绍,结合(80+2×128+80)m连续梁桥的结构构造、受力和场地特点,制定了4种减隔震方案:(1)纵向设置粘滞阻尼器;(2)采用双曲面球型减隔震支座;(3)纵向设置粘滞阻尼器+双曲面支座方案;(4)铅芯阻尼器方案。在优化各方案减隔震装置参数的基础上,分别采用4种方案对该铁路连续梁桥进行动力仿真模拟,提取计算结果对各方案进行综合评价分析。

本文以某高速铁路一联(80+2×128+80)m连续梁为例,桥址位于地震动峰值加速度0.3 g的高烈度地震区,场地特征周期Tg=0.55 s,上部结构梁体重达28 000 t。该桥具有跨度大、上部结构质量重、场地地震烈度高3个明显特点。全桥采用三维空间梁单元模型,阻尼器采用基于Maxwell模型的滞后系统进行模拟,双曲面减隔震支座采用摩擦摆及间隙和钩单元模拟,有限元模型如图4所示。

图4 (80+2×128+80)m全桥梁有限元模型
Fig.4 The FEA model of(80+2×128+80)m

根据场地安评报告提供的3条罕遇地震下的人工地震波,50年超越概率2%的最大地震动峰值加速度达0.6 g,将地震波输入到计算模型中,采用时程分析法计算结构在各种减隔震方案下的响应(图5)。

针对墩顶的纵向水平力、墩底弯矩进行对比分析,对比结果见图6、图7。

由图6a可以看出,就各墩墩顶水平力的大小和分布而言,采用方案2即采用双曲面球型减隔震方案效果最佳,不仅各墩的水平力分配较为均匀,而且各墩墩顶水平力也是这4种方案中相对最小的; 方案1与方案3两种方案的效果基本相当; 方案4采用铅芯阻尼的效果的位于方案2与方案1、3之间。从减震的效果来看,4种方案的减震效果均较为理想,均可以将次主墩、主墩的墩顶纵向水平力控制在23 000 kN以内,可将过渡墩的墩顶纵向水平力控制在13 000 kN内。由图6b可以看出,除1号墩的弯矩比其它几种方案大外,方案2其余桥墩纵向弯矩均比其余方案小。4号墩几种方案的弯矩均比较接近,相差最大的为2、3号墩,采用阻尼器+双曲面的方案时,2、3号墩墩底弯矩比单独采用阻尼器或单独采用双曲面支座的都大,说明结构设计中减隔震措施要设置适当。一个结构中同一部位的减隔震措施并不是越多越好,还涉及到各减隔震措施之间能否协同工作,需慎重考虑。

图5 50年超越概率为2%(罕遇地震)的3条人工波
(a)罕遇地震时程样本1;(b)罕遇地震时程样本2;(c)罕遇地震时程样本3
Fig.5 Three artificial waves of 2% of the 50 years transcendental probability (a)rare earthquake time history of swatch 1;(b)rare earthquake time history of swatch 2; (c)rare earthquake time history of swatch 3

图6 4种减隔震方案对比分析结果
(a)各桥墩墩顶纵向水平力对比;(b)各桥墩墩底纵向弯矩对比;(c)各桥墩墩顶
横向水平力对比;(d)各桥墩墩底横向弯矩对比
Fig.6 Comparison and analyze result of 4 kinds of seismic mitigation and isolation schemes(a)comparision of longitudinal force of the top of pier;(b)comparison of longitudinal bending monent of the bottom of pier; (c)comparison of lateral force of the top of pier;(d)comparison of lateral bending moment of the bottom of pier

图6c给出了不同方案下桥墩墩顶横向水平力的对比,由于方案1仅在纵桥向设置阻尼器,因此横桥向的墩顶水平力与未采用减隔震方案的相同。可以看出由于采用了双曲面球型减隔震支座,延长了结构周期,方案2和方案3实施后墩顶横向水平力得到很大幅度的降低,方案4由于铅芯的高耗能能力,也使墩顶水平力降低很大; 且采用方案2、3、4后,各墩横向受力较未采用减隔震方案前更为均匀。图6d得到的墩底横桥向弯矩图与图8的变化趋势一致。

图7给出了4种方案下和未采用减隔震方案前(80+2×128+80)m连续梁顺桥向、横桥向位移的对比图。分析时考虑到结构构造及梁缝的设置,认为纵向位移宜控制在30 cm以内,否则可能使梁体发生碰撞损伤或相邻孔发生落梁危害。由图7可以清楚看到,无减隔震方案下,纵横向位移均较小,但桥墩和基础受力最大,桥墩可能发生倒塌破坏; 采用方案1纵向位移可以得到保证,横向位移较小的原因是由于横向约束未放开的缘故,是以桥墩横向承受很大地震力为代价的; 采用方案2即双曲面支座,周期延长,地震力减小,支座发生大位移,纵、横向位移均较大,无法保证结构的合理性; 方案3在双曲面支座基础上纵向设置阻尼器,控制了纵向位移,但横向位移仍过大; 方案4采用铅芯阻尼的方案对纵、横向位移控制相比其他方案是4种方案中最好的。

通过上面数据和图表的对比分析,将各方案对大跨连续梁桥减隔震的控制效果列表如下,综合考虑各种因素,在(80+2×128+80)m连续梁的抗震设计中,方案3减隔震原理明确,实施效果好,且该方案减隔震装置性能稳定,可针对方案3横向位移过大的问题继续开展研究,采用适当构造措施如使用防落梁装置限制横向位移或调整阻尼器设置角度来解决,建议将方案3作为该桥减隔震设计的推荐方案。

图7 4种不同方案下(80+2×128+80)m连续梁位移对比图
Fig.7 Comparison chart of(80+2×128+80)m continuous girder displacement of four different schemes

表2 不同方案下减震效果的比较
Tab.2 Comparison of seismic mitigation effects for different schemes