一种斜置式桥梁抗震阻尼器及其参数优化方法
技术领域
本发明涉及桥梁抗震技术领域,具体涉及一种斜置式桥梁抗震阻尼器及其参数优化方法。
背景技术
随着我国桥梁设计建造技术的发展和经济发展的需要,大跨度桥梁被大量修建;斜拉桥是大跨度桥梁的首选方案之一,为了延长桥梁结构的周期,降低塔柱在地震作用下的内力,全漂浮体系斜拉桥应用越来越广泛。但是,由于全漂浮体系斜拉桥的约束较少,斜拉桥的主梁在地震作用下的纵桥向和横桥向位移较大,因此需要采取相应的措施控制主梁在地震作用下的纵桥向和横桥向位移。
以下分别介绍4种现有的控制主梁在地震作用下的纵桥向和横桥向位移的装置及缺陷:
(1)授权公告号为“CN102628252B”的中国发明专利公开了一种用于桥梁抗震的速度锁定装置,该专利中的速度锁定器在正常荷载下不发挥作用,允许桥梁结构位移;速度锁定器在强震等突发荷载作用下临时锁定,避免桥梁结构产生大位移。但是,该专利只能适用于中小跨径的桥梁,若用在大跨度桥梁上,强震作用下无法发挥阻尼耗能的作用,速度锁定器在塔-梁连接处将产生巨大的作用力,不利于结构抗震。
(2)公告号为“CN204370296U”的中国实用新型公开了一种提高梁桥横向抗震性能的桥墩-盖梁构造,该专利在桥梁的盖梁内设置粘滞阻尼器,粘滞阻尼器一端连接桥墩,另一端固定在盖梁内部,进而有效提高桥梁的横向抗震性能。但是,该专利的粘滞阻尼器只能控制墩-梁之间的横桥向位移,无法控制墩-梁之间的纵桥向位移。
(3)目前,在大跨度桥梁抗震措施中,应用最广泛的为抗震粘滞阻尼器(例如希腊的Rion-Antirion桥)。横桥向设置带限位的粘滞阻尼器,桥梁日常运营阶段时,主梁横向被约束;发生地震时,限位装置破坏,粘滞阻尼器发生耗能减振作用。但是,该方法无法控制主梁的纵桥向位移,且横向阻尼约束体系需要适应主梁纵桥向的位移变化,进而使得结构比较复杂。
(4)苏通大桥的塔梁之间不设竖向支座,纵向设置带限位的粘滞阻尼器,横桥向设置有抗风支座。发生地震时,粘滞阻尼器会约束该大桥主梁的纵桥向位移;但是,塔柱的横向地震力会较大,而且横向抗风支座需要适应主梁纵向位移变化,进而使得横向抗风支座的构造设计具备一定难度。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷,本发明的目的在于提供一种斜置式桥梁抗震阻尼器及其参数优化方法。本发明在桥梁发生横向地震作用和纵向地震作用时,斜置式桥梁抗震阻尼器均能够起到阻尼耗能作用,进而达到仅用一套斜置式桥梁抗震阻尼器同时控制纵、横向地震作用的效果。
为达到以上目的,本发明提供的斜置式桥梁抗震阻尼器的参数优化方法,包括以下步骤:
S1:建立桥梁动力有限元模型,根据桥梁动力有限元模型计算得到桥梁的横向地震动力响应结果和纵向地震动力响应结果,转到S2;
S2:根据横向地震动力响应结果,优化出1个斜置式桥梁抗震阻尼器的横向等效阻尼系数Ct;根据纵向地震动力响应结果,优化出1个斜置式桥梁抗震阻尼器的纵向等效阻尼系数Cl;根据横向地震动力响应结果或纵向地震动力响应结果,优化出1个斜置式桥梁抗震阻尼器的速度指数α,转到S3;
S3:根据横向等效阻尼系数Ct、纵向等效阻尼系数Cl和速度指数α,计算得到斜置式桥梁抗震阻尼器与桥梁主梁的纵向轴线的斜置夹角β;根据Ct和α、或者根据Cl和α,计算得到斜置式桥梁抗震阻尼器的阻尼参数C;转到S4;
S4:判断斜置式桥梁抗震阻尼器根据横向等效阻尼系数Ct、纵向等效阻尼系数Cl、速度指数α、阻尼参数C和斜置夹角β设计时,是否满足实际桥梁设计需求,若是,输出横向等效阻尼系数Ct、纵向等效阻尼系数Cl、速度指数α、阻尼参数C和斜置夹角β的取值;否则重新执行S2。
在上述技术方案的基础上,S3中所述斜置夹角β的计算公式为:所述阻尼参数C根据Ct和α计算得出时,计算公式为:Ct=C·(sinβ)1+α;阻尼参数C根据Cl和α计算得出时,计算公式为:Cl=C·(cosβ)1+α。
在上述技术方案的基础上,S4之后还包括以下步骤:
S5:根据桥梁的主梁纵向远离桥塔的极限位置、主梁横向远离桥塔的极限位置,计算得出斜置式桥梁抗震阻尼器的最大轴向位移Δmax;根据主梁纵向靠近桥塔的极限位置、主梁横向靠近桥塔的极限位置,计算得出斜置式桥梁抗震阻尼器的最小轴向位移Δmin;根据主梁纵向靠近桥塔的极限位置、主梁横向远离桥塔的极限位置,计算得出斜置式桥梁抗震阻尼器的端部水平角度变化最大值Δθmax;根据主梁纵向远离桥塔的极限位置、主梁横向靠近桥塔的极限位置,计算得出斜置式桥梁抗震阻尼器的端部水平角度变化最小值Δθmin,转到S6;
S6:确定斜置式桥梁抗震阻尼器的轴向位移变化行程(Δmax,Δmin)和端部水平角度变化范围(Δθmax,Δθmin),斜置式桥梁抗震阻尼器的构造设计需要适应(Δmax,Δmin)和(Δθmax,Δθmin)。
在上述技术方案的基础上,所述Δmax的计算公式为:Δmax=Lmax-L0,其中Lmax为斜置式桥梁抗震阻尼器与桥塔连接端至主梁连接端的最大距离,L0为斜置式桥梁抗震阻尼器与桥塔连接端至主梁连接端的初始距离;
所述Δmin的计算公式为:Δmin=Lmin-L0,其中Lmin为斜置式桥梁抗震阻尼器与桥塔连接端至主梁连接端的最小距离;
所述Δθmax的计算公式为:Δθmax=θmax-θ0,其中θmax为斜置式桥梁抗震阻尼器的轴线与桥梁纵向的最大夹角,θ0为斜置式桥梁抗震阻尼器的轴线与桥梁纵向的初始夹角;
所述Δθmin的计算公式为:Δθmin=θmin-θ0,其中θmin为斜置式桥梁抗震阻尼器的轴线与桥梁纵向的最小夹角。
在上述技术方案的基础上,S1中所述横向地震动力响应结果为桥梁在横向+竖向的地震作用下的动力响应结果,所述纵向地震动力响应结果为桥梁在纵向+竖向的地震作用下的动力响应结果。
本发明提供的斜置式桥梁抗震阻尼器,所述斜置式桥梁抗震阻尼器的横向等效阻尼系数Ct、纵向等效阻尼系数Cl、速度指数α、阻尼参数C和斜置夹角β均上述斜置式桥梁抗震阻尼器的参数优化方法得出。
在上述技术方案的基础上,所述斜置式桥梁抗震阻尼器在桥梁上设计时,桥梁的桥塔处纵、横对称设置有4套斜置式桥梁抗震阻尼器。
在上述技术方案的基础上,所述斜置式桥梁抗震阻尼器的端部水平设置有球铰,球铰的面外转动角度变化范围大于斜置式桥梁抗震阻尼器平面外角度变化范围;水平放置的球铰能够适应斜置式桥梁抗震阻尼器在水平运动过程中端部平面内角度的变化。
与现有技术相比,本发明的优点在于:
(1)本发明能够通过桥梁的地震响应动力有限元分析,设计和优化斜置式桥梁抗震阻尼器相应的参数,进而使得斜置式桥梁抗震阻尼器的轴线与桥梁的纵横向均呈一定夹角。与现有技术中只能控制墩-梁之间的横桥向位移或纵桥向位移相比,本发明在横向地震作用下,桥塔(墩)与主梁发生横向相对运动时,该横向相对运动的速度会在斜置式桥梁抗震阻尼器的轴线上产生分量,斜置式桥梁抗震阻尼器在速度分量的作用下会产生阻尼力,进而控制主梁横向的地震动力响应。本发明在纵向地震作用下,桥塔(墩)与主梁发生纵向相对运动时,该纵向相对运动的速度会在斜置式桥梁抗震阻尼器的轴线上产生分量,斜置式桥梁抗震阻尼器在速度分量的作用下会产生阻尼力,进而控制主梁纵向的地震动力响应。
因此,本发明设计出的斜置式桥梁抗震阻尼器使用时,不论桥梁发生横向地震作用还是纵向地震作用,斜置式桥梁抗震阻尼器均能够起到阻尼耗能作用,进而达到仅用一套斜置式桥梁抗震阻尼器同时控制纵、横向地震作用的效果。
(2)本发明在一个桥塔处纵、横对称设置有4套斜置式桥梁抗震阻尼器,由于斜置式桥梁抗震阻尼器在运动过程中,其夹角会发生变化,进而导致阻尼器的纵、横向等效阻尼参数发生变化;因此,在一个桥塔处纵、横对称设置4套阻尼器,能够在保证阻尼效果综合基本不变的同时,使塔-梁的相互作用力分散,避免局部受力过大,比较安全。
(3)本发明的斜置式桥梁抗震阻尼器端部的球铰水平放置,球铰的面外转动角度变化范围大于斜置式桥梁抗震阻尼器平面外角度变化范围;水平放置的球铰能够适应斜置式桥梁抗震阻尼器在水平运动过程中端部平面内角度的变化,比较灵活。
附图说明
图1为本发明实施例中斜置式桥梁抗震阻尼器的参数优化方法的流程图;
图2为本发明实施例中斜置式桥梁抗震阻尼器的最大轴向位移的示意图;
图3为本发明实施例中斜置式桥梁抗震阻尼器的最小轴向位移的示意图;
图4为本发明实施例中端部水平最大角度变化的示意图;
图5为本发明实施例中端部水平最小角度变化的示意图;
图6为本发明实施例中公式(1)~(4)的参数关系图;
图7为本发明实施例中公式(5)~(8)的参数关系图;
图8为本发明实施例中的斜置式桥梁抗震阻尼器在桥梁上设计的总体布置图;
图9为本发明实施例中斜置式桥梁抗震阻尼器与桥梁配合的俯视图;
图10为图9中A-A方向的剖视图。
图中:1-桥塔,2-主梁,3-基座,4-底座,5-斜置式桥梁抗震阻尼器,6-球铰。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
参见图1所示,本发明实施例中的斜置式桥梁抗震阻尼器的参数优化方法,包括以下步骤:
S1:建立桥梁动力有限元模型,根据桥梁动力有限元模型计算得到桥梁的横向地震动力响应结果和纵向地震动力响应结果,转到S2。
S1中的横向地震动力响应结果为桥梁在横向+竖向的地震作用下的动力响应结果,纵向地震动力响应结果为桥梁在纵向+竖向的地震作用下的动力响应结果。
S2:根据横向地震动力响应结果,优化出1个斜置式桥梁抗震阻尼器的横向等效阻尼系数Ct(t为transverse首字母,即横桥向);根据纵向地震动力响应结果,优化出1个斜置式桥梁抗震阻尼器的纵向等效阻尼系数Cl(l为longitudinal的首字母,即纵桥向);根据横向地震动力响应结果或纵向地震动力响应结果,优化出1个斜置式桥梁抗震阻尼器的速度指数α,转到S3。
S3:根据横向等效阻尼系数Ct、纵向等效阻尼系数Cl和速度指数α,计算得到斜置式桥梁抗震阻尼器与桥梁主梁的纵向轴线的斜置夹角β;根据Ct和α、或者根据Cl和α,计算得到斜置式桥梁抗震阻尼器的阻尼参数C;转到S4。
S3中斜置夹角β的计算公式为:阻尼参数C根据Ct和α计算得出时,计算公式为:Ct=C·(sinβ)1+α;阻尼参数C根据Cl和α计算得出时,计算公式为:Cl=C·(cosβ)1+α。
S4:判断斜置式桥梁抗震阻尼器根据横向等效阻尼系数Ct、纵向等效阻尼系数Cl、速度指数α、阻尼参数C和斜置夹角β设计时,是否满足实际桥梁设计需求,若是,输出横向等效阻尼系数Ct、纵向等效阻尼系数Cl、速度指数α、阻尼参数C和斜置夹角β的取值,转到S5;否则重新执行S2。
S5:参见图2所示,根据桥梁的主梁纵向远离桥塔的极限位置、主梁横向远离桥塔的极限位置,计算得出斜置式桥梁抗震阻尼器的最大轴向位移Δmax;计算公式为:Δmax=Lmax-L0,其中Lmax为斜置式桥梁抗震阻尼器与桥塔连接端至主梁连接端的最大距离,L0为斜置式桥梁抗震阻尼器与桥塔连接端至主梁连接端的初始距离。
参见图3所示,根据主梁纵向靠近桥塔的极限位置、主梁横向靠近桥塔的极限位置,计算得出斜置式桥梁抗震阻尼器的最小轴向位移Δmin;计算公式为:Δmin=Lmin-L0,其中Lmin为斜置式桥梁抗震阻尼器与桥塔连接端至主梁连接端的最小距离。
参见图4所示,根据主梁纵向靠近桥塔的极限位置、主梁横向远离桥塔的极限位置,计算得出斜置式桥梁抗震阻尼器的端部水平角度变化最大值Δθmax;计算公式为:Δθmax=θmax-θ0,其中θmax为斜置式桥梁抗震阻尼器的轴线与桥梁纵向的最大夹角,θ0为斜置式桥梁抗震阻尼器的轴线与桥梁纵向的初始夹角。
参见图5所示,根据主梁纵向远离桥塔的极限位置、主梁横向靠近桥塔的极限位置,计算得出斜置式桥梁抗震阻尼器的端部水平角度变化最小值Δθmin;计算公式为:Δθmin=θmin-θ0,其中θmin为斜置式桥梁抗震阻尼器的轴线与桥梁纵向的最小夹角,转到S6。
S6:确定斜置式桥梁抗震阻尼器的轴向位移变化行程(Δmax,Δmin)和端部水平角度变化范围(Δθmax,Δθmin),斜置式桥梁抗震阻尼器的构造设计需要适应(Δmax,Δmin)和(Δθmax,Δθmin)。
本实施例中的桥梁为全漂浮体系斜拉桥时,为了抑制主梁在地震作用下的动力响应,可以采用斜置式粘滞阻尼器;此时,S1具体包括以下步骤:
S101:建立桥梁有限元模型,通过桥梁有限元模型对桥梁结构进行静力分析,桥梁结构的荷载取值根据《公路桥涵设计通用规范》选取公路-I级和整体升温、整体降温的温度荷载。荷载组合I为1/2汽车荷载+升温,组合II为1/2汽车荷载+降温。根据温度荷载和汽车荷载计算得到主梁纵向相对最大位移、以及阻尼器端部竖向角度的变化值,转到S102。
S102:根据桥梁有限元模型建立桥梁动力有限元模型,准确模拟全桥的质量分布和刚度分布;与此同时,考虑桩土的相互作用,将反应谱分析法和地震时程分析法相结合,确定作用在桥梁上的横向+竖向的地震加速度时程参数(即地震参数)、以及纵向+竖向的地震加速度时程参数(即地震参数),转到S2。
S3中阻尼参数C和斜置夹角β的计算原理为:
定义斜置式桥梁抗震阻尼器阻尼力为F、阻尼系数为C、速度为v、速度指数为α,阻尼器与桥梁主梁的纵向轴线夹角为β;塔-梁横向相对速度为vt、横向等效阻尼系数Ct、阻尼器的阻尼力的横向分量Ft;塔-梁纵向相对速度为vL、纵向等效阻尼系数Cl、阻尼器的阻尼力的横向分量FL。
参见图6所示,当塔-梁发生横向相对速度vt时,阻尼器轴向速度v的计算公式为:
v=vt·sinβ (1)
阻尼力F的计算公式为:
F=C·(vt·sinβ)α (2)
当前阻尼力F在横向的分力Ft的计算公式为:
Ft=F·sinβ=C·(sinβ)1+α·vt α=Ct·vt α (3)
通过公式(3)可知:
Ct=C·(sinβ)1+α (4)
同理,参见图7所示,当塔-梁发生纵向相对速度vL时,阻尼器轴向速度v的计算公式为:
v=vL·cosβ (5)
阻尼力F的计算公式为:
F=C·(vL·cosβ)α (6)
当前阻尼力F在纵向的分力Fl的计算公式为:
FL=F·cosβ=C·(cosβ)1+α·vL α=Cl·vL α (7)
通过公式(7)可知:
Cl=C·(cosβ)1+α (8)
从公式(1)~(8)可知,阻尼系数为C、速度指数为α、斜置角度为β的斜置式桥梁抗震阻尼器可以为塔-梁横向连接处提供的横向等效阻尼系数Ct,速度指数仍为α,还可以为塔-梁纵向连接处提供的纵向等效阻尼系数为Cl,速度指数为α,且:
公式(4)和公式(8)均可以作为阻尼参数C的计算公式,公式(9)为斜置夹角β的计算公式。
参见图8、图9和图10所示,本发明实施例中的斜置式桥梁抗震阻尼器,其横向等效阻尼系数Ct、纵向等效阻尼系数Cl、速度指数α、阻尼参数C和斜置夹角β、轴向位移变化行程(Δmax,Δmin)、端部水平角度变化范围(Δθmax,Δθmin)均根据上述参数优化方法得出。
斜置式桥梁抗震阻尼器在桥梁上设计时,桥梁包括主梁2和桥塔1,主梁2上设置有基座3,桥塔1上设置有底座4;斜置式桥梁抗震阻尼器5的一端与基座3连接,另一端与底座4连接。桥塔1处纵、横对称设置有4套斜置式桥梁抗震阻尼器5,每套斜置式桥梁抗震阻尼器5的端部均水平设置有球铰6,球铰6的面外转动角度变化范围大于斜置式桥梁抗震阻尼器5平面外角度变化范围;水平放置的球铰6能够适应斜置式桥梁抗震阻尼器5在水平运动过程中端部平面内角度的变化。
本发明不局限于上述实施方式,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。