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作为大跨度桥梁中的典型,斜拉桥在交通运输工程中起着十分关键的作用,其抗震性能备受关注。在斜拉桥的纵桥向,通常采用飘浮体系来减小结构地震内力,并在塔梁间设置粘滞阻尼器控制主梁地震位移。飘浮体系斜拉桥属于典型的柔性体系,地震动特性对其动力响应影响很大,同时也会对阻尼器的减震效果产生显著影响。为了研究地震动特性对纵飘斜拉桥粘滞阻尼器减震效果的影响规律,首先基于纵飘斜拉桥的动力响应特征,建立了双质点简化分析模型,采用正弦波荷载对简化模型进行解析求解;然后,针对一座双塔纵飘斜拉桥建立全桥精细化有限元分析模型,选取9条不同特性的典型实际地震动记录,研究了阻尼器参数与地震动特性对粘滞阻尼器减震效果的影响规律,并与简化模型解析解进行对比验证;最后,基于响应面原理,进一步提出了考虑地震动特性的纵飘斜拉桥粘滞阻尼器参数优化分析方法。主要研究工作与结论如下:
(1)基于刚度法推导了飘浮体系斜拉桥纵向一阶自振周期的简化计算公式,并与国内10座已建斜拉桥的有限元计算结果进行对比验证,结果吻合良好,平均误差仅为-0.38%;说明简化计算公式精度较高,可用于估算飘浮体系斜拉桥的自振周期。
(2)通过动力特性和地震波时程结果对比分析表明,双质点模型简化分析方法计算精度高,实用性强且适用性广,与全桥有限元模型相比,双质点模型建模简单、计算高效,采用数值方式求解时能适应各种复杂地震荷载输入,可为阻尼器参数优化提供更简便的计算模型。
(3)双质点简化模型和全桥有限元模型对比验证分析均表明,在塔、梁间设置粘滞阻尼器不仅可以有效地控制主梁地震位移,同时还能改善塔底的受力状况;其中,阻尼系数Cd对阻尼器耗能能力的影响很大,而速度指数α的影响则非常小,它只反映粘滞阻尼器的非线性特征。
(4)粘滞阻尼器对斜拉桥的减震效果受地震动特性的影响很大。随着地震动强度的增大,相同参数的阻尼器减震作用逐渐降低,且阻尼器减震效果对地震动频谱特性的高频成分较为敏感。因此,在斜拉桥粘滞阻尼器参数优化时,不宜将地震动强度Ap作为单一的参考指标,可将Ap/Vp值作为补充指标;此外,在具体个例分析时,除了Ap、Ap/Vp等指标外,还应尤其注意地震动加速度时程曲线形状与细节的反常影响。
(5)采用响应面法拟合了斜拉桥关键构件地震响应关于阻尼器参数的函数表达式,残差分析和方差分析表明,各响应面模型的误差服从正态分布,且判定系数R2均大于0.95,说明对于本文桥例而言,四阶多项式响应面模型具有良好的拟合精度,可利用该模型精确模拟桥例地震响应与粘滞阻尼器参数之间复杂的隐式关系,确保阻尼器参数优化的精度要求。
(6)采用响应面法对纵飘体系斜拉桥进行粘滞阻尼器参数优化,将阻尼器参数优化问题转化成一个非线性规划问题,既可以考虑局部场地差异、地震动强度等因素的综合影响,又可以避免单纯依靠经验选取阻尼器参数所带来的不确定性,对同类斜拉桥的抗震分析和减震设计具有积极参考意义。
(1)基于刚度法推导了飘浮体系斜拉桥纵向一阶自振周期的简化计算公式,并与国内10座已建斜拉桥的有限元计算结果进行对比验证,结果吻合良好,平均误差仅为-0.38%;说明简化计算公式精度较高,可用于估算飘浮体系斜拉桥的自振周期。
(2)通过动力特性和地震波时程结果对比分析表明,双质点模型简化分析方法计算精度高,实用性强且适用性广,与全桥有限元模型相比,双质点模型建模简单、计算高效,采用数值方式求解时能适应各种复杂地震荷载输入,可为阻尼器参数优化提供更简便的计算模型。
(3)双质点简化模型和全桥有限元模型对比验证分析均表明,在塔、梁间设置粘滞阻尼器不仅可以有效地控制主梁地震位移,同时还能改善塔底的受力状况;其中,阻尼系数Cd对阻尼器耗能能力的影响很大,而速度指数α的影响则非常小,它只反映粘滞阻尼器的非线性特征。
(4)粘滞阻尼器对斜拉桥的减震效果受地震动特性的影响很大。随着地震动强度的增大,相同参数的阻尼器减震作用逐渐降低,且阻尼器减震效果对地震动频谱特性的高频成分较为敏感。因此,在斜拉桥粘滞阻尼器参数优化时,不宜将地震动强度Ap作为单一的参考指标,可将Ap/Vp值作为补充指标;此外,在具体个例分析时,除了Ap、Ap/Vp等指标外,还应尤其注意地震动加速度时程曲线形状与细节的反常影响。
(5)采用响应面法拟合了斜拉桥关键构件地震响应关于阻尼器参数的函数表达式,残差分析和方差分析表明,各响应面模型的误差服从正态分布,且判定系数R2均大于0.95,说明对于本文桥例而言,四阶多项式响应面模型具有良好的拟合精度,可利用该模型精确模拟桥例地震响应与粘滞阻尼器参数之间复杂的隐式关系,确保阻尼器参数优化的精度要求。
(6)采用响应面法对纵飘体系斜拉桥进行粘滞阻尼器参数优化,将阻尼器参数优化问题转化成一个非线性规划问题,既可以考虑局部场地差异、地震动强度等因素的综合影响,又可以避免单纯依靠经验选取阻尼器参数所带来的不确定性,对同类斜拉桥的抗震分析和减震设计具有积极参考意义。