基于履带式金属阻尼器的半漂浮体系斜拉桥减震研究

摘要

大跨度斜拉桥投资大，社会地位重要，震后修复工作难度极大，一旦在地震中损坏，将切断震区的交通生命线，严重拖延抗震救灾工作，加剧震后人员伤亡与经济损失。在大跨度斜拉桥上合理设置耗能减震装置来耗散地震输入的总能量，可较大幅度的减少结构的振动反应，在有些情况下采用这些技术是解决实际抗震问题的唯一有效途径。金属阻尼器具有形式多样、造价低廉、性能稳定、耗能效果好以及安装维修简便等诸多优点，然而阻尼器参数的设计目前多采用试算的方式，计算量大，在一定程度上阻碍了此类阻尼器在斜拉桥中应用。针对这一问题，本文研究了履带式金属阻尼器耗能减震半漂浮体系斜拉桥的地震响应随阻尼器参数的变化规律，并分别对纵桥向和横桥向提出两种不同的阻尼器参数优化设计方法。主要研究内容包括： （1）推导履带式金属阻尼器弹性极限强度、塑性极限强度、初始屈服位移与初始弹性刚度及极限位移计算公式，建立了履带式金属阻尼器的动力分析模型，分析了阻尼器几何参数对其力学参数的影响，为履带式金属阻尼器减震斜拉桥的地震响应分析提供了基础。 （2）采用有限元分析，以某主跨820m半漂浮体系混合梁双塔斜拉桥为工程背景，研究了大跨度半漂浮体系混合梁斜拉桥振动特性一般规律。分析表明，半漂浮体系斜拉桥第一阶振型为纵飘，斜拉桥主梁和索塔在地震作用下产生较大纵桥向位移，应采用金属阻尼器加以控制。 （3）采用非线性时程分析，探讨在纵向和横向激励作用下履带式金属阻尼器参数对结构地震响应的影响规律。结果表明：履带式金属阻尼器对半漂浮体系斜拉桥的塔顶以及梁端纵桥向位移减震效果显著，在纵向激励作用下，塔顶、梁端纵桥向位移大体上随着阻尼器初始弹性刚度的增大而减小；在横向激励作用下，若在过渡墩、辅助墩横桥向安装金属阻尼器会引起过渡墩、辅助墩墩底横桥向弯矩的增大。 （4）在纵桥向和横桥向提出不同的阻尼器参数优化方法。纵桥向将半漂浮体系斜拉桥简化为单质点振子模型，根据等效线性化反应谱理论，提出了阻尼器参数的优化方法。横桥向采用数值拟合方法建立了减震率与阻尼器参数的计算公式，综合考虑结构位移、内力减震效果构建效果评估函数，运用现代智能算法中的模拟退火算法优化阻尼器参数，并通过有限元分析验证了上述阻尼器参数优化方法的有效性。

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