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1、广西南宁大桥液体粘滞阻尼器设计8世界桥梁2007年第4期广西南宁大桥液体粘滞阻尼器设计蒋建军.蒋劲松(四川省交通厅公路规划勘察设计研究院,四川成都610041)摘要:广西南宁大桥主桥为主跨300m的曲线梁非对称外倾钢箱拱桥,属于飘浮体系.为了改善主桥结构的抗震性能,在主梁与肋间平台之间设置了液体粘滞阻尼器.介绍大桥液体粘滞阻尼器的设计.关键词:拱桥;钢箱拱;液体粘滞阻尼器;抗震;设计中图分类号:U448.223;U442.55文献标识码:A文章编号:16717767(2007)040008031工程概况南宁大桥紧邻南宁市东南郊青秀山风景区,北起青山路,跨越邕江,南接蟠龙新区规划路.南宁大桥工程
2、采用双向6车道,城市主干路I级标准,工程全长l314.77m,其中主桥长300.50m,引桥长434.00m,引道长580.27m,桥宽,路基宽均为35m.南宁大桥主桥采用300m跨径曲线梁非对称外倾拱桥(非对称肋拱桥),两岸引桥采用预应力混凝土连续箱梁,分别上跨两岸滨江路(见图1).图1南宁大桥效果2工程场地地震安全性评价根据广西壮族自治区地震局J二程地震研究中心2003年lO月完成的南宁大桥工程场地地震安全性评价结论性报告和2004年6月完成的南宁大桥工程场地地震安全性评价工作报告:场址区的最大历史地震的影响烈度为度,南宁大桥场地类别为类,地震基本烈度定为度.南宁大桥北岸场地5O年超越概率
3、63,lO,5,2的地震基岩水平向峰值加速度值为0.14,0.43,0.57,0.806m/s.;南宁大桥南岸场地5O年超越概率63,10,5,2%的地震基岩水平向峰值加速度值为0.14,0.43,0.58,0.807m/s.3液体粘滞阻尼器设计3.1液体粘滞阻尼器设计原因南宁大桥主梁与肋间平台之间采用双向活动钢支座和侧向抗风支座连接,属于飘浮体系.主桥第一阶振型为主梁纵飘,周期为lO.53S,见图2.lf13图2主桥第一阶振型从弹性位移反应谱曲线可以看出,当周期小于3S时,周期越长,对应的位移就越大j.采用反应谱法分析得到南宁大桥主梁与肋间平台间的相对位移:5O年超越概率1O时为0.367m
4、;50年超越概率2时为0.445m.由于地震作用下主梁位移比伸缩缝容许位移(0.16m)大,且为了减小制动力作用下主梁与肋间平台间的相对位移,在南宁大桥主梁与肋间平台之间设计了液体粘滞阻尼器,两岸设置2个,全桥共4个.南宁大桥液体粘滞阻尼器组装构造见图3.3.2液体粘滞阻尼器参数分析液体粘滞阻尼器的工作特性是:在温度,收缩和徐变作用下,粘滞阻尼器的阻尼力很小;在动力反应下(如地震力和制动力),阻尼力随着活塞的运动速收稿日期:20070423作者简介:蒋建军(1978一),男,工程师,2001年毕业于石家庄铁道学院土木工程分院,工学学士,2005年毕业于同济大学桥梁工程系,工学硕士.广西南宁大桥
5、液体粘滞阻尼器设计蒋建军,蒋劲松9锚固锚固螺栓L2牛腿图3液体粘滞阻尼器组装示惹度增大而增大.粘滞阻尼器提供的阻尼力可以用下式描述:FcC.lUl.sgn(u)(1)式中,是阻尼系数,单位为kN?(s/m).;U是粘滞阻尼器活塞的运动速度;a是阻尼指数,表征粘滞阻尼器的非线性特性,当a一1时粘滞阻尼器为线性,当a1时为非线性,从桥梁工程的应用来看,阻尼指数口的典型取值在0.351.0范围内z.sgn()是关于U的符号函数.根据液体粘滞阻尼器的力学特性,其主要设计参数为阻尼系数C0和阻尼指数a.在桥梁工程的设计中还要考虑最大阻尼力F.不同阻尼指数时阻尼力最大值与速度峰值关系见图4.图4不l司阻尼
6、指数时阻尼力与速度峰值的关系图4表明,当速度峰值小于1m/s时,阻尼指数越小,阻尼力越大,阻尼作用越明显;当速度峰值大于1m/s时,阻尼指数越大,阻尼力越大,阻尼作用越明显.线性粘滞阻尼器的阻尼系数可以根据等效阻尼比进行初步选取.因此,需要对粘滞阻尼器的等效阻尼比进行预期的估计,一般来说液体粘滞阻尼器提供的等效阻尼比在2O3O范围内比较合适.南宁大桥中粘滞阻尼器的等效阻尼比估计值取3O,阻尼系数C可用下式计算:C12ff60一2030kN?s/m式中,叫为主梁纵飘的圆频率;m为主梁换算质量(考虑桥面铺装和防撞栏杆等).南宁大桥的主梁两端各设置2个粘滞阻尼器,其各自的阻尼系数可初步取500kN?
7、(s/m).在此基础上,对有限元分析模型进行非线性时程地震反应分析,对2个设计参数进行研究.本文选取5O年超越概率2的6组地震波进行非线性时程反应分析.液体粘滞阻尼器的阻尼系数取500kN?(s/m).,阻尼指数分别取0.35,0.5和0.75.6组地震波输入下(纵向+竖向),有无设置粘滞阻尼器时主梁与肋间平台之间沿主梁轴线的相对位移最大值和最小值见图5.6组地震波输入下(纵向+竖向),液体粘滞阻尼器的阻尼指数取值不同时,其阻尼力最大值见图6.,鸯静专姆姆专.图5主梁与肋间平台之间的相对位移最值,.静图6阻尼指数取值不同时阻尼力的最大值图5和图6中,N50P22_1表示北岸5O年超越概率2,阻
8、尼比为2的第1组地震波;$50P22_1表示南岸5O年超越概率2,阻尼比为2的第1组地震波,其余含义类似;5000.35表示采用的粘滞阻尼器的阻尼系数为500kN?(s/m),阻尼指数为0.35,其余含义类似.从图5可看出:采用液体粘滞阻尼器可有效地减小主梁与肋间平台之间沿主梁轴线的相对位移;阻尼指数越小,主梁与肋间平台间沿主梁轴线的相对位移越小.当阻尼系数为500kN?(s/m)弘,阻尼指数为0.35时,主梁与肋间平台之间沿主梁轴线OOOOO0O嚼簿靛垦姐厘蔷脒州蚕姗咖咖脚至嚼盟10世界桥梁2007年第4期的相对位移比无液体粘滞阻尼器时平均减小约65.从图6可以看出:阻尼指数越大,阻尼力越小
9、,液体粘滞阻尼器的阻尼效应越不明显;阻尼指数越小,阻尼力越大,阻尼作用越明显.主要原因是主桥第一阶振型(纵飘)的周期较长,主梁与肋间平台的相对速度峰值小于1m/s.此外,对有无设置液体粘滞阻尼器时,主桥拱肋承台底的剪力和弯矩进行了对比,计算结果见图7和图8.委_KR:图蟹啦幅,奄奄鸯奄奄奄.图7有无粘滞阻尼器时承台底剪力最大值图8有无粘滞阻尼器时承台底弯矩最大值从图7和图8可以看出:采用粘滞阻尼器不会增加承台底的剪力和弯矩;且阻尼指数越小,承台底的剪力和弯矩最大值也越小.根据上述分析结果,粘滞阻尼器的阻尼系数为500kN?(s/m),阻尼指数为0.35时,不仅可以大大减小主梁与肋间平台沿主梁轴
10、线的相对位移,还能减小承台底的剪力和弯矩.3.3液体粘滞阻尼器参数选取在设计过程中,还对不同的阻尼系数进行过比较研究,发现液体粘滞阻尼器的阻尼系数越大,其阻尼力也越大,阻尼效应越明显.但是,如果阻尼系数取值过大,又会过多地增加造价,因此,从技术性和经济性两方面考虑,南宁大桥最后设计的液体粘滞阻尼器的规格如下.(1)阻尼系数:500kN?(s/m);(2)阻尼指数:0.35;(3)阻尼力:600kN;(4)最大额定行程:160mm.为了更加形象地阐述设计的液体粘滞阻尼器对主梁与肋间平台间的相对位移的减小作用,图9给出同一组地震波输入下,主梁与肋问平台之间的相对位移时程反应曲线对比结果.潍翻茛罂g
11、啦厘墨州020.1O.O一0.10.20.3,:V051015202530354045时间/s图9主梁与肋间平台的相对位移时程曲线4结语对于飘浮体系桥梁,第一阶振型多为纵飘,周期较长,地震作用下主梁与横梁(肋间平台)的相对位移较大,可能引起落梁等地震灾害.为了减小地震作用下主梁与横梁(肋间平台)的相对位移,有效的处理措施是在其间设置液体粘滞阻尼器.结合液体粘滞阻尼器在南宁大桥的应用情况,介绍了设计方法,并对2个主要设计参数阻尼系数和阻尼指数进行了分析研究.结果表明:液体粘滞阻尼器不仅使主粱与肋间平台的相对位移减小了约65,还使承台底剪力和弯矩均有减小.参考文献:1普瑞斯特雷MJN,塞勃勒F,卡
12、尔维GM.桥梁抗震设计与加固M.袁万城,胡勃,崔飞,等译.北京:人民交通出版社,1997.2WenHsiungLin,AnilKChopra.EarthquakeresponseofelasticSDFsystemswithnonlinearfluidVISCOUSdampersJ.EarthquakeEngineeringandStructuralDynamics,2002,(31):16231642.(下转第50页)50世界桥梁2007年第4期AnalysisofStaticBehaviorofCable-?StayedBridgeUsedwithCFRPCablesandwithSpan
13、LengthGreaterthan1000MetersMEIKuihua,(1.KeyLab.rat.ryf.rBridgesandTunnels.fShanxiProvince,ChanganUniversity,Xian710064,China;2.CoilegeofCivilEngineering,SoutheastUnivers,ty,Nanjing210096,China)Abstract:Basedonthegivencalculationexamples,thefiniteelementmethodsusedtoana-1yzetheinfluencequantityofvari
14、ousnonlinearfactorsofcablestayedbridgeusedwithCFRP(carbonfiberreinforcedplastic)cablesandtheanalysisoftheinfluencequantitYsc0mparedtothatofthecab1estayedbridgeusedwithsteelcables.InconsiderationthatthelnearexPansoncoeffjcients0ftheCFRParefarlessthanthoseofthesteelandconcrete,thestatcforceresPonsesof
15、fourkindsofcablestayedbridgesofdifferentstructuralsystemsrespectivelyusedwthtneCRFPandsteelcablesundertemperatureloadarecalculated.TheresultsofcalculatonindicatethatinasDectofthestaticforce,thecablestayedbridgeusedwiththeCFRPcableshasmoread-vantagesthanthoseofthebridgeusedwiththesteelcables.Kevwords
16、:cablestayedbridge;finiteelementmethod;carbonfiberreinforcedplastic;geometricnonlinearity;temperatureeffect,m,m,.,.m,m,(上接第10页)DesignofFluidViscousDampersforNanningBridgeinGuangxiIANGdian-jun,JIANGdingsong(HighwayPlanning,Survey,DesignandResearchInstitute,Department0fC0mmunications,SichuanProvince,C
17、hengdu610041,China)Abstract:ThemainbridgeofNanningBridgeinGuangxi,structurallyakindofl.tmgY一tem,isacurvedgrderarchbridgewithamainspan300mandwithasymmetr.csteelboxarchribsinclningoutwards.Toimprovetheseismicperformanceofthestructure0themanbrdgethefluidviscousdamperswereinstalledbetweenthemaingirderandarchribplatform?Inthispaper,thedesignofthedampersforthebridgeishighlighted?Keywords:archbridge;steelboxarch;fluidviscousdamper;selsmlcresstance;desgn