大跨度塔桥的地震反应缓解两种类型的约束系统

文摘

斜拉桥的主塔的压力取决于塔之间的连接类型和甲板上。为了研究最合适的为大跨度斜拉桥纵向阻尼模式。在本文中,建立了非线性有限元模型基于一个大跨度混凝土斜拉桥主跨680米。不考虑横向约束的影响,弹性连接装置的阻尼效应和纵向地震荷载时粘滞阻尼器模拟输入。结果表明,主梁的刚度增加了安装弹性连接装置,所以纵向主光束的漂移频率增加,但不改变结构的刚度安装粘滞阻尼器。粘滞阻尼器和弹性连接结构可以减少梁的纵向位移,但粘滞阻尼器更有利于主塔的压力。的阻尼效果,粘滞阻尼器更适合大跨度斜拉桥,但是,在经济和参数控制方面,弹性连接装置有更多的优势。

1。介绍

成熟的桥梁施工技术在过去的几十年中,斜拉桥主梁不同类型,如混凝土梁和钢梁,已在世界各地广泛采用,主要跨度可能达到1000多米。在存在大量的大跨度斜拉桥,这些桥梁的抗震性能引起了极大关注工程社区由于地震易损性的桥梁。half-floating系统广泛应用于(即纵向方向。在girder-tower连接),附加阻尼装置。因此,这个系统的地震效应取决于变形能力随着温度的升高和足够的位移能力在地面运动1,2]。在过去的十年里,许多实验测试进行了发展约束的大跨度斜拉桥纵向方向。选择振动控制系统输入能量消散提出并被广泛使用(例如,被动控制系统,半活性控制系统,和主动控制系统)。在这三个系统中,被动的被广泛使用。在典型的被动控制系统中,粘滞阻尼器(VD) [3)和弹性连接设备(本研究)4)可以有效地减少振动响应和大跨度桥梁地震作用下的结构位移。他们也可能减少的关键部分桥梁的内力,这使他们可行的适用于大跨度桥梁。

浮动或半浮式系统,另一方面,这样做的好处是:主塔的内力相对较小的地震作用下;然而,他们更有可能遭受大位移梁。这尤其适用于大跨度桥梁girder-end位移甚至更大。因此,如何采取有效措施控制浮动的girder-end位移或半浮式斜拉桥桥塔获得了许多研究的兴趣。

1.1。VD在斜拉桥中的应用

阻尼器可以分为不同类型由于其能量耗散原理(即。、铅挤压阻尼器、钢阻尼器、摩擦阻尼器,VDs公司等)。使用最广泛的一个用于斜拉桥是VD [5]。命名,VD的阻尼力产生的粘性流体阻尼器通过孔板。确保满意的性能的阻尼器,里面的液体材料应该符合以下要求:(1)它有很强的粘度和低温敏感性;(2)具有较强的化学稳定性;(3)不易燃,不挥发性,无毒,低压缩性。

许多文献中出现的滞回模型,可以合理地描述VD的机械性能。最具代表性的一个是麦克斯韦模型(6,7),简化了阻尼器阻尼元素和一个弹簧元件。Ruangrassamee和Kawaskima8]调查地震效应的非线性粘性阻尼力方案和两步摩擦阻尼力计划的基准。结果表明,非线性粘滞阻尼器有更好的有效的控制响应阻尼力能力较低。朱et al。9VDs]调查的影响下的斜拉桥随机生成地震激发和讨论了C(阻尼系数)和两个关键参数α(阻尼指数)通过简化VD麦克斯韦模型。结果表明,非线性VD有更好的性能在减少斜拉桥的地震响应与线性VD相比。VDs的使用对斜拉桥中讨论一些以前的作品。费雷拉和摄影记者10]研究了四种不同的技术包括无法控制,VDs公司,和VDs公司被动和半活性曲调质量阻尼器,以及被动阻尼器和一个混合的影响控制系统组成的被动的粘滞阻尼器安装在与半活性分析脉冲阻尼器研究的模型和44近场地面运动记录(11]。数值模拟结果表明,被动VDs公司可以减少力的需求在强烈的地震。VDs的参数灵敏度分析的非线性时间历史方法(12]。安装粘滞阻尼器的控制效果塔和主梁之间减少梁的纵向振动引起的列车制动或运行进行了研究。结果表明,塔梁之间的粘滞阻尼器安装可以有效地减轻结构的地震反应,减少梁的纵向振动和塔的动态反应引起的列车制动或运行。

上述文献综述表明,作为一个有用的耗能和阻尼装置,VDs公司可以有效地控制塔桥梁的地震效应和减少+结构位移响应。他们还可以减少内力在一座桥的关键部分,有不同的影响在不同类型的地震。

1.2。本研究在斜拉桥中的应用

本安装在塔和梁也被用来减少斜拉桥的地震响应。本研究适用的刚度时,桥梁和梁的强度和变形能力可以考虑13),但主光束的位移控制的能力是非常有限的14]。其中,弹性层压电缆和橡胶轴承被广泛使用。阿里和Abdel-Ghaffar [15]调查层压板的使用橡胶轴承塔和主梁之间地震减灾。结果表明,相比之下,没有缓解设备安装,儿童早期开发可以有效地减少梁的纵向位移结束,但也可能增加塔基础剪切力和力矩。Wesolowsky和威尔逊[16]分析了儿童早期开发的地震减灾效应在近场地震。结果表明:本研究安装塔和梁之间的有效的减少girder-end位移。本研究的地震响应和VDs公司相比。本研究的混合应用程序的影响和VDs公司在纵向地震反应比较17]。结果表明,混合应用程序是一个更具成本效益的地震测量和脉冲地面运动期间具有良好的性能。但是由于大跨度斜拉桥的地震反应更严重的震动比PGA增加,因此,本研究不适合控制girder-tower的位移。李等人。18]调查一公里尺斜拉桥的抗震设计方法由于过程统一的地震作用。三个地震系统的非线性动态分析(即。,the儿童早期开发,thefluid viscous damper (FVD), and the combination device of the two were used between the towers and beams, resp.) was carried out. Based on the target damping rate, if the span is more than 1 km, the hybrid seismic system has a better effect, while if the span is more than 500 meters and less than 1 km, the ECDs system is suitable [19]。和过程不均匀型地震作用下,VDs的弯矩减少疗效塔楼底部甚至贫穷的弹性连接装置(20.]。上面的评论表明,本研究也可以有效减少梁的位移响应的斜拉桥在地震但可能不利地增加的主塔内力反应。

尽管粘性阻尼器对内力的控制有更好的作用,它是复杂的安装和昂贵的。随着girder-tower位移目标,本研究更有效果。张,刘21)提出了残差方法之间CDFs基于应变监测数据和Zhang et al。(22]研究维纳过程可以协助验证这两种方法的利弊,VD和本研究,在一定程度上。本文探讨抗震性能的双塔楼斜拉桥与不同的抗震结构体系,最适合双塔楼的大跨度斜拉桥的地震系统下强大统一的地震被选中。

2。原型桥梁

2.1。结构配置

原型桥认为本文是大跨度斜拉桥双塔楼。主跨度680米,桥的总长度是1280 m钢箱主梁和七个跨度(60 + 90 + 150 + 680 + 150 + 90 + 60米),如图1。主梁是一个单独的盒子three-chamber流线型扁平整体式钢框梁高度为3.5米,宽30.6米,如图2。主塔混凝土结构与220米塔座位和21对斜拉桥电缆两侧;比较图3(如果异形钢sheeting-concrete桥面,高的相关研究等。23可以引用)。

2.2。结构配置

根据公路桥梁的抗震设计指南24抗震设防类别地震),会被考虑桥,这表明桥继续运营有限postearthquake伤害受到E2地震行动。根据三个E2地震时间历史本文中提供输入,加速度反应谱是在良好的协议与设计加速度反应谱。E2-2,地震波最大的地震响应,被选中进行结论分析。地震输入,如图4将用于以下分析“福建地震和地质工程勘察研究院,闽江大桥工程场地地震安全性评价报告25)”,这是基于获得的原位地质调查和对应的概率超过4%在100年。在图的地面加速度记录4被归类为E2地震行动。纵向和垂直方向将考虑地震荷载和垂直值是50%纵向的球迷,你们(26]。

3所示。动态非线性模型

3.1。造型上结构

桥的有限元(FE)模型建立了基于有限元软件SAP2000,那里的空间梁单元用于模拟钢梁(cf,图2)。转动惯量的影响动量由于梁质量也成立。电缆是由梁单元模拟的抗弯刚度被忽视。电缆的垂度效应被认为是通过使用一个等价的杨氏模量。钢筋混凝土弹塑性梁柱元素分配主塔和皮尔斯考虑强震下的塑性变形行为。考虑到钢筋混凝土结构的弹塑性特性,梁柱单元的广义力分布如图5,在这P代表了轴向力,问_y和问_z分别代表的剪刀y和z的方向,T介绍了扭,米_y和米_z现在,分别的时刻y和z的方向。所产生的轴向正应力P,米_y,米_z和横向剪切应力是由问_y,问_z,T。此外,以下假设适用于梁柱元素:(1)线弹性的理想塑性moment-curvature使用关系(2)剪切和扭转的优势足以防止结构脆性破坏(3)产生轴向力和力矩是独立的剪切应力,可以由正常应力分布的部分(4)三维标准屈服曲面的轴向力和力矩可以显式地表达(稍后详细讨论)(5)潜在的塑性变形只发生在梁的元素,而不同元素之间的节点保持弹性不考虑塑性区长度(6)这部分可能是除以副标题。它应该提供一个简洁而精确的描述实验结果,他们的解读,可以得出实验结论

轴向力和力矩之间的关系表达的RC结构的帮助下屈服面如下: 在哪里f()是屈服面函数,如详细的图6, 在这P_u代表了单轴产生张力,P₀代表了单轴产生的压力,米_y0代表纯收益的时刻y方向,米_z0re介绍了纯收益的时刻z方向。

3.2。建模支持连接

原型桥认为本文是半浮式系统,与纵向滑动轴承(横向约束)和双向滑动轴承安装在主塔和主梁和桥墩之间。此外,横向防风轴承装备也是塔和梁之间的横向位移约束。滑动支持使用之间的主塔,塔梁和辅助墩模拟铰链纵向约束,主塔的底部和码头应由钢板,应与摇表的表板固定钢板和螺栓,并固定。连接的布局结构如图7。

在有限元模型中,这些连接的边界条件如表所示1,在那里Δx,Δy,Δz分别代表,沿纵向位移、垂直和横向方向的桥,和θx,θy,θz分别代表对纵向转动角度,垂直和横向方向。在表1,1代表约束和0代表释放。

3.3。造型的桥梁桩基础

six-spring模型是用来模拟桥梁桩基础,包括三个平移弹簧(刚度K_x,K_y,K_z)和三个转动弹簧(转动刚度K_xx,K_yy,K_zz),在图6一般公式所示: 在这P₁代表产生的垂直力在火刑柱上提示单元纵向垂直位移时产生在火刑柱上小费。P₂代表产生的水平力在火刑柱上提示单元水平位移时生成的股份提示;x_我和y_我分别代表的纵向和横向距离我^th根的股份从承台的中心点;和N是股份的数量。P₁和P₂是由m方法决定的。

3.4。有限元建模的摘要

建立了非线性三维有限元模型对整个桥在SAP2000,如图8。主塔、码头和桩基础的桥都是钢筋混凝土结构泊松比为0.2和2549公斤/米的质量密度³。杨氏模量是34.5的绩点,平均绩点32.5,和30.0的绩点,分别对主塔,皮尔斯和桩基础。钢梁和保持电缆,泊松比为0.3,质量密度是7850公斤/米³。杨氏模量是20.6的绩点和19.5的绩点,分别为钢梁和保持电缆。这些配置都代表一个现实的大跨度斜拉桥塔桥”造型上部结构”部分中介绍。

4所示。地震行为相关的两种类型的地震减灾系统

为了比较两种类型的地震减灾系统的影响在桥梁抗震性能,本部分分析了动态特性和双塔楼斜拉桥地震反应的影响。纵向位移的主要控制目标是减少的主梁斜拉桥在地震作用。在有限元建模,结构本身是在弹性范围内,控制和最大位移小于极限没有结构性破坏。

4.1。两种类型的地震减灾系统的介绍

VDs气缸通常用于桥梁。内部结构和典型VDs图所示9。提供的阻尼力VD主要取决于活塞的运动速度相对于容器。VDs的阻尼力是由方程(4),如 在这代表了阻尼系数,代表符号函数,代表活塞速度,代表着速度指数。

本研究主要包括弹性电缆和强化橡胶轴承。滞后的力F儿童早期开发是一个线性函数的塔之间的相对位移和梁;也就是说, 在这K_e代表儿童早期开发的刚度。在地震荷载作用下,安装本塔和主梁斜拉桥之间可以增加结构刚度和减轻girder-end位移。

的地震减灾效应(即两种类型的约束系统。,damping-based system and elastic restraint system) will be compared in the following. For both seismic mitigation systems, the installation scheme is shown in Figure10。

为了比较阻尼约束系统的阻尼效应和弹性约束系统的设置粘滞阻尼器在后台和弹性电缆项目如下:安排的计划安排2纵向粘滞阻尼器阻尼器之间较低的每个主塔和主光束的光束。弹性的安排电缆是设置2弹性电缆降低梁和主光束之间的每个主要的塔。因为这座桥是一个对称的结构,只有一个阻尼器或弹性电缆用于研究。

在有限元模型中,VD由非线性阻尼表示元素,和儿童早期开发由考虑刚度模型K_e在方程(5);的刚度K_e是2.5×10⁴本研究kN / m。VD阻尼系数设置为3000 kN(米/秒)^−α,阻尼指数α= 0.4(参看方程(4))

4.2。动态特性之间的比较

前十(10)订单桥的地震特征如表所示2,包括自然振动频率与主梁的一阶扭转和相应的模态形状。自阻尼对固有频率的影响可以忽略不计,桥上安装了VD的频率大约是一样的,如果没有安装VD设备。

从表可以看出2桥频率之间的主要区别与儿童早期开发VD安装,安装与第一和第六的振动模式。注意,一阶模式由主梁的纵向漂移。使用儿童早期开发,桥的一阶振动频率增加从0.1106赫兹到0.2110赫兹,暗示桥的纵向刚度与儿童早期开发显著提高。sixth-order模式,主要的反对称垂直弯曲梁主导,这座桥从0.3625 Hz频率增加到0.3744赫兹如果安装ECD,削弱了区别与一阶模式。

4.3。地震反应和机理分析

因为纵向一致地震激励反对称荷载特点和双塔楼斜拉桥通常是对称结构,其结构地震反应的特点是反对称的。均匀纵向地震下,主光束girder-end位移的双塔斜拉桥,主塔的底部的时刻,和剪切力主要由一阶纵向主光束的漂移,主要梁的低阶反对称垂直弯曲模式,和高模式。其中,横向地震波输入是不考虑。

比较纵向方向的内力和位移的斜拉桥在地震作用下具有不同的地震减灾系统(VD和ECD)提出了表3。此外,两个系统的地震减灾比率表给出4,缓解率是计算(减轻峰值响应−峰值响应没有缓解)/峰值响应没有缓解×100%。

从表3塔基础的最大力矩小于屈服的时刻(3.648×10⁶kN·米)没有地震缓解措施,这意味着这座桥是在弹性范围内,两种类型的设备。

儿童早期开发时使用,在主梁的纵向位移,减少主塔一端,而没有缓解设备安装的情况。例如,在梁的纵向位移结束从1.414减少到0.951。地震减灾与纵向位移相关的比率在梁和塔分别为32.74%和28.10%,分别。然而,在主塔基础时刻仅略有降低,和基底剪力主要塔是不利地增加。

对于VD-based约束系统,同时在主梁纵向位移端和塔端也减少了。此外,地震减灾比率与基底剪力和基础时刻塔分别为18.69%和19.15%,分别。这表明安装VD可以显著降低桥梁的地震反应方面的纵向位移和内力。

总而言之,与桥没有地震减灾设备相比,纵向位移在梁端和塔端可以减少这两种类型的设备,和VD-based系统性能更好,因为它不仅导致较小的位移,也会导致一个较弱的内力。另一方面,儿童早期开发有一个相对较小的效率减少内力(回想一下,甚至增加了剪切力在塔底座)。因此,VDs公司的结构抗震性能优于本。

为了解释儿童早期开发的缓解机制,VD-based系统、地震响应光谱绘制在图11。通过注意的事实,即一阶振型的桥是由主梁的纵向漂移,如果我们让T₀表示的自然周期纵向漂移模式,T₀将位于地区加速度反应谱随周期(cf,图12(一个))。因此,延长结构固有振动周期和/或增加结构阻尼比将进一步削弱加速度和结构地震反应。在图12 (b),增加结构阻尼比将导致一个更小的位移。然而,增加振动周期(超出T₀)将导致更大的结构位移。因此,一个更大的结构阻尼比主要是指减少地震响应的内力和位移。然而,一个较小的振动周期,或者说更大的结构刚度,将产生一个更小的位移,但更大的内力。这一事实再次表明VD-based减灾系统的优势与ECD-based相比的。

因为大跨度斜拉桥的主要破坏地震下主梁的纵向位移纵向桥太大,这可能会导致梁下降或损坏伸缩接头,因此有必要讨论的纵向地震反应的大跨度斜拉桥长期电缆,它是非常重要的。详情,请参阅贾等人的相关研究的冲击特性和梁之间的合理区间长度主要梁在不同立地条件(27- - - - - -30.]。探讨不同的减震参数的影响,和横向分析也在进一步的实验研究。更多信息,请参阅徐et al。31日]。

达到进一步了解这两种类型的地震减灾机制缓解系统的斜拉桥,结构地震反应的时间历史曲线绘制在图11和13塔的底部的剪切力。比较的目的,ECD紧张和阻尼力(cf,方程(4)和(5)也提出了数字11和13,分别。可以看出,总体来说,VD的阻尼力大于ECD,暗示VD-based系统提供了一个更有效的克制桥的地震反应。

在图11儿童早期发育的影响,塔剪切力可以用图来解释14显示了两个传输路径的地震惯性力主梁的基础:第一个是,第二个是“girder-cable-tower-foundation girder-ECD-foundation。“就后者而言,由于桥纵向刚度增强ECD,内力在电缆之间的同步和塔塔的底部会导致更大的剪切力。

VD-based系统如图14,因为VD不会影响结构刚度,之间有一个明显的相位差VD和塔的内力,占较小的剪切力塔的底部。此外,随着手臂的VD的阻尼力小于塔剪力,VD的缓解效果的时刻塔楼底部相比还是增强儿童早期开发。这是与观察从表一致4。数据之间的比较11和13再次表明VDs公司比本研究具有更好的抗震性能。

5。结论

本文提出了一种比较两种类型的设备的抗震减灾效应对大跨度塔桥,即VD和儿童早期开发。桥的动态特性进行了分析通过原型桥的三维有限元建模。以下的结论可以由本文。(1)桥之间的主要区别与儿童早期开发系统和VD系统相关联的动态特性是1^圣秩序和6^th以振动。而没有地震减灾设备安装,当原型桥是配备了一个儿童早期开发,一阶振动频率增加从0.1106赫兹到0.2110赫兹,暗示纵向刚度显著增强。(2)在桥塔端纵向位移和梁VDs公司可以减少本和结束。使用VDs公司时缓解效果更好。此外,VDs公司也可以大大削弱桥塔的内力,而本研究将不利地增加塔剪切力。因此建议VD-based缓解系统有一个更好的性能比ECD-based系统对大跨度桥梁。(3)从传输图的地震惯性力主梁斜拉桥的主梁惯性力的弹性约束系统是传播的基础部分通过电缆上塔,部分通过低弹性有线或粘性阻尼器塔。弹性约束体系,弹性约束梁的纵向刚度增加,弹性和地震水平力传播的电缆是同步的时间旅行曲线底部的内力的主要塔,塔的底部剪切力增加。对于阻尼约束系统,光束的纵向刚度不增加,和梁体的水平地震力受阻尼器inversus成比例的时间旅行曲线底部的内力的主要塔,相位差。因此,塔的底部剪切力减少,和地震能量传播的阻尼比手臂底部的小塔,塔的底部弯矩减少超过了剪切力。从阻尼机制的分析,可以发现,粘滞阻尼器有很好的阻尼效应,是一种理想的阻尼装置。(4)本文研究的假设前提下,刚度、质量和阻尼的斜拉桥结构本身并没有显著改变。研究结论只适用于在线弹性范围的斜拉桥结构本身,主要研究了地震响应特性和阻尼效应的大跨度的双塔斜拉桥纵向方向纵向地震作用下,虽然研究阻尼不同跨度的斜拉桥横向地震作用下仍有待进一步研究。

数据可用性

一些数据、模型或代码生成或使用在研究可从相应的作者要求(SAP2000建模文件和生成的输出)。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究是由福建省自然科学基金(批准号2020 j0113)。作者也承认Zhenzheng方的帮助下,人工智能气,甄林进行振动台试验。

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