大跨度悬索桥阻尼器参数分析及地震易损性研究

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随着减隔震设计的发展和结构抗震需求的提升,粘滞阻尼器在大跨度悬索桥中被广泛运用,在悬索桥的减振控制中发挥了重要作用,阻尼器的参数设置直接影响了其消能减震的控制效果。而在日常使用过程中,漏油是阻尼器常见的一种病害,伴随着阻尼介质的泄露,阻尼器的工作状态发生改变,增加了地震作用下桥梁和阻尼器本身的不确定性。因此,讨论阻尼器参数及健康状态对结构地震响应的影响,并开展阻尼器在地震作用下的易损性分析,是涉及阻尼器正常工作和桥梁安全使用的关键问题,有必要开展相关研究。基于此,本文开展了以下工作:(1)为研究粘滞阻尼器参数对悬索桥地震响应的影响,采用非线性时程分析法,基于SAP2000有限元分析软件建立了考虑材料结构非线性、粘滞阻尼器非线性、主缆垂度效应、桩土相互作用的独塔异形悬索桥全桥模型,在多水平的阻尼系数C和阻尼指数?下对主梁纵向位移、桥塔纵向位移、塔底横向剪力及纵向弯矩等响应指标进行了考察,主要结论有:不同的阻尼系数和阻尼指数下,各地震响应波动范围之间存在明显差异,主梁纵向位移波动达到84.52%,而塔底横向剪力波动仅有1.7%;结构不同的地震响应的变化趋势存在明显差异,从阻尼器参数优化的角度出发:阻尼系数取小值、阻尼指数取较大值时有利于降低主梁纵向位移、塔顶纵向位移、塔底纵向弯矩;阻尼系数取大值、阻尼指数取小值时,塔底横向剪力有减小趋势,综合考虑各指标,最终选定阻尼系数C=2000k N·s/m,阻尼指数?=0.4为本桥粘滞阻尼器拟最优参数。(2)考虑到实际桥梁工程中粘滞阻尼器漏油病害频发,需要一种简单合理、可描述阻尼器漏油的力学模型。本文在总结各种传统阻尼器力学模型的基础上,指出各模型的优缺点及适用范围,同时引入已有的阻尼器漏油模型,分析了此模型在频率和量化描述上的局限性,随后在经典Maxwell模型的基础上,通过对阻尼系数和等效消能刚度进行修正,提出了简单易行的考虑阻尼器漏油病害的力学模型,实现了对阻尼器漏油程度的量化定义。(3)为研究阻尼器漏油对悬索桥地震响应的影响,以选定的阻尼器拟最优参数为默认值,定义了0%(完好)、10%、20%、40%四种漏油量的阻尼器模型,采用非线性时程分析法,讨论不同阻尼器漏油量对悬索桥地震响应和阻尼器工作状态的影响,主要结论有:阻尼器消能效果不仅受阻尼器参数的影响,还和自身的工作状态有关。在未考虑极限状态的情况下,阻尼器漏油对各项结构地震响应的影响存在差异,且会显著改变阻尼器的滞回耗能特性。在阻尼器漏油量由0%增加到40%后,阻尼器的阻尼力输出减小了34.57%,同时阻尼器的位移增大了12.6%,很大程度上改变了阻尼器工作耗能状态,增加阻尼器在地震作用下的不确定性,有必要开展基于概率可靠度的阻尼器抗震性能评估。(4)针对现有研究缺少大吨位粘滞阻尼器损伤指标的问题,参考大吨位粘滞阻尼器极限状态试验和国内外规范,首次定义了阻尼器基于强度和基于位移的两种损伤指标,并在每种损伤指标下定义了“超限工作”、“中等损坏”、“完全破坏”的三种水平的损伤状态。(5)为开展地震作用下悬索桥粘滞阻尼器的易损性研究,选用基于损伤指标的能力需求比模型的拟合曲线法作为易损性曲线的生成方法,并考虑了阻尼器漏油病害对各损伤指标超越概率的影响,对“强度损伤指标”、“位移损伤指标”、“强度/位移联合控制的损伤指标”三种情况下的阻尼器易损性展开讨论,主要结论有:(1)考虑阻尼器漏油后,不同损伤指标下,0%、10%、20%、40%四种阻尼器漏油量下阻尼器易损性曲线存在明显差异。随着漏油量的增加,在PGA为1.5g的水平下,基于阻尼器强度损伤指标的阻尼器损伤超越概率明显降低,该指标下阻尼器“完全破坏”的概率由14.82%降低到0.03%;与此同时,基于阻尼器位移损伤指标的阻尼器损伤超越概率明显上升,该指标下阻尼器“完全破坏”的概率由29.35%上升到38.4%。(2)考虑两种损伤指标的联合控制后,随着阻尼器漏油量由10%增加到40%,“中等损坏”水平下的阻尼器损伤超越概率由强度指标控制变化为由位移指标控制,联合超越概率由56.13%降低到51.2%;“完全破坏”水平下的阻尼器损伤超越概率严格由位移指标控制,联合超越概率由29.35%增加到38.4%。本文针对大跨径异形悬索桥,开展地震作用下的阻尼器参数敏感性分析,给相关设计提供了参考;提出了简单易行的考虑漏油的阻尼器参数模型,对地震作用下阻尼器漏油病害产生的影响进行量化讨论,在此基础上首次提出了阻尼器的两种损伤指标并开展易损性分析,希望对后续大吨位粘滞阻尼器的健康评估、加固检测、专项设计提供一定参考资料及设计依据。
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