姜鵬

摘要：隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技水平的提高，建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和建造趨向超高、大跨等高難度結(jié)構(gòu)。面對(duì)更加苛刻的結(jié)構(gòu)需求，剛度和阻尼不斷降低，建筑對(duì)外部荷載的敏感性更高，這就推進(jìn)了結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用，以便保證結(jié)構(gòu)的安全性和舒適性。其中，黏滯阻尼器以其優(yōu)良的性能成為許多建筑控制的首選，但因?yàn)槠渥陨順?gòu)造原因，黏滯阻尼器普遍存在漏液?jiǎn)栴}，所以，黏滯阻尼器損傷對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的影響是一個(gè)極具現(xiàn)實(shí)意義和研究?jī)r(jià)值的重要課題。本文建立了黏滯阻尼器計(jì)算模型，并引入非線(xiàn)性間隙單元用以模擬阻尼器損傷，通過(guò)與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，選定了模擬參數(shù)，模型對(duì)不同損傷程度的阻尼器均能有效描述其滯回性能。

關(guān)鍵詞：動(dòng)力時(shí)程分析;阻尼器損傷;數(shù)值模

中圖分類(lèi)號(hào)：TP3? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）17-0252-06

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

本文針對(duì)黏滯阻尼器泄漏對(duì)于結(jié)構(gòu)整體響應(yīng)的影響進(jìn)行了參數(shù)化研究。本研究中損壞的阻尼器位置為橋塔處?？紤]不同的工況下阻尼器退化對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響如：裂縫長(zhǎng)度的變化，對(duì)稱(chēng)和非對(duì)稱(chēng)的損傷分布和不同的地震動(dòng)輸入等。

實(shí)際工程中阻尼器的損壞多為罐體泄漏，為模擬這種損傷，在模型中人為地加入裂縫。定義了一系列漸進(jìn)損傷，裂縫程度分別等于裝置最大工作行程的25%、50%、75%和100%。100%損壞的阻尼器的結(jié)構(gòu)響應(yīng)等于阻尼器非工作狀態(tài)（C=0和K=0）下的響應(yīng)。

以北嶺地震為激勵(lì)，模擬了主塔處完全損傷阻尼器的相對(duì)位移時(shí)程，其最大位移為116mm，由圖1給出。其他損傷程度對(duì)應(yīng)的最大位移分別為：30.5mm（25%），58.4mm（50%），88.9mm（75%）。

1 環(huán)境振動(dòng)分析

環(huán)境振動(dòng)分析以能夠產(chǎn)生與正常交通條件相同效果白噪聲為激勵(lì)。如前所述，在模擬阻尼器的響應(yīng)的滯回曲線(xiàn)時(shí)，設(shè)備中的損傷被模擬為裂縫。為模擬不同的損傷程度，定義了四個(gè)損傷等級(jí)，分別對(duì)應(yīng)裂縫長(zhǎng)度為25%、50%、75%和100%的裝置最大行程。最大的損傷等級(jí)相當(dāng)于裂縫貫穿阻尼器缸體，結(jié)構(gòu)在100%等級(jí)損傷的阻尼器控制下的響應(yīng)相當(dāng)于沒(méi)有阻尼器控制的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。損傷的阻尼器分為兩種，分別連接主跨和邊跨。

1.1 位移影響分析

連接主跨的阻尼器的最大相對(duì)位移為24.9mm，其他三種損傷程度依次為6.1mm（25%），12.5mm（50%）和18.8mm（75%）。同樣的，對(duì)于邊跨，阻尼器最大相對(duì)位移為95.5mm，相應(yīng)的其他三種損傷程度依次為24.8（25%），47.8（50%），71.6（75%）。

為研究黏滯阻尼器損傷對(duì)于結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)的影響，在橋梁有限元模型中選取了4個(gè)典型節(jié)點(diǎn)進(jìn)行研究，如圖2所示，它們分別為：

1. 主跨的中點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)號(hào)為298。

2. 邊跨的中點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)號(hào)為232，2164。

3. 橋塔頂點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)號(hào)為11392。

數(shù)值模擬結(jié)果如表1所示?？梢钥闯?，主跨中點(diǎn)（298）沿橋縱向的位移受阻尼器損傷影響較大。圖3-圖5給出298節(jié)點(diǎn)和11392節(jié)點(diǎn)在不同損傷工況下的位移時(shí)程曲線(xiàn)。

由以上模擬結(jié)果可以看出，由于阻尼器損傷導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)差異僅在跨中位置的縱橋向比較明顯。僅x方向?qū)ψ枘崞鲹p傷敏感的結(jié)果說(shuō)明受阻尼器損傷影響最大的振型為第二階振型和第六階振型（圖1和圖3）。

如前所述，模擬損傷的黏滯阻尼器設(shè)置在橋塔處，分為連接主跨和邊跨兩種，分別以節(jié)點(diǎn)250和節(jié)點(diǎn)1848的位移表征其工作行程。當(dāng)阻尼器發(fā)生損傷時(shí)，阻尼器行程發(fā)生明顯變化。尤其連接主跨的阻尼器，其100%損傷時(shí)的位移超過(guò)未損傷位移的兩倍;連接邊跨的阻尼器其損傷后阻尼器行程為未損傷時(shí)的120%。

1.2 阻尼器最大出力分析

分別模擬了連接主跨的阻尼器出力和兩側(cè)邊跨的阻尼器出力峰值，結(jié)果如表2及圖6-圖9所示。

結(jié)果表明，當(dāng)阻尼器受到裂縫的破壞時(shí)，峰值力會(huì)更高。其原因在于，當(dāng)黏滯阻尼器受到損傷，其對(duì)橋面板運(yùn)動(dòng)的約束降低，則阻尼器的工作變形速度會(huì)變高，出力變大。圖10精確地顯示了由于阻尼器損傷運(yùn)行速度增大而產(chǎn)生阻尼力峰值的情況。

2.1 引言

為研究黏滯阻尼器泄漏對(duì)結(jié)構(gòu)在真實(shí)地震激勵(lì)下的控制效果的影響，采用1994年的Northridge波（里氏6.7級(jí)）作為激勵(lì)輸入。圖11、圖12和圖13分別給出Northridge波三個(gè)方向分量，前20秒的加速度時(shí)程。

2.2 位移影響分析

如前所述，黏滯阻尼器中的損傷建模為其滯回曲線(xiàn)中的缺損。為了模擬這種損傷，人為地在模型中加入了縫隙。定義了四個(gè)損傷等級(jí)，其裂縫長(zhǎng)度分別對(duì)應(yīng)阻尼器工作行程的25%、50%、75%和100%。100%損壞的阻尼器的對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)等于無(wú)控結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。

發(fā)生損傷的阻尼器有兩種，分別將橋塔與主跨和邊跨連接起來(lái)，稱(chēng)為主塔阻尼器和側(cè)塔阻尼器。

以Northridge地震波為激勵(lì)，對(duì)地震中帶損傷的主塔阻尼器的最大相對(duì)位移進(jìn)行了計(jì)算，其中阻尼器的損傷程度為100%。圖16為受損黏滯阻尼器工作變形時(shí)程，其最大伸長(zhǎng)量為116.8mm。其他損傷等級(jí)對(duì)應(yīng)的最大伸長(zhǎng)量分別為：30.5mm（25%），58.4mm（50%），88.9mm（75%）。

對(duì)側(cè)塔阻尼器進(jìn)行相同的分析，100%損傷對(duì)應(yīng)的最大相對(duì)位移為55.9mm，相應(yīng)的，其他三種損傷等級(jí)對(duì)應(yīng)的最大位移分別為15.2mm（25%），27.9mm（50%），43.2mm（75%）。

為研究黏滯阻尼器損傷對(duì)于結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)的影響，在橋梁有限元模型中選取了4個(gè)典型節(jié)點(diǎn)進(jìn)行研究，如圖所示，它們分別為：

1. 主跨的中點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)號(hào)為298。

2. 邊跨的中點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)號(hào)為232，2164。

3. 橋塔頂點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)號(hào)為11392。

數(shù)值模擬結(jié)果如表3所示。

圖17、圖18和圖19分別為x、y、z方向，各節(jié)點(diǎn)在不同損傷工況下峰值位移。可以看出，唯一受阻尼器損傷影響較明顯的為主跨中點(diǎn)（298）沿橋縱向的位移受。不同損傷程度的最大位移差距達(dá)到60%。邊跨的豎向位移受損傷影響程度最大為15%。而橋塔頂端的位移幾乎不受阻尼器損傷的影響（最大差距為5%）。

圖20到圖21為跨中節(jié)點(diǎn)在不同損傷程度下的各方向位移時(shí)程。如圖20所示，由于阻尼器的損壞而引起的位移僅沿著縱橋方向差異顯著。另外，在側(cè)跨跨中（節(jié)點(diǎn)232）的豎向位移和塔頂（節(jié)點(diǎn)11392）的縱橋向位移中可以看到較小的差異。

2.3 阻尼器變形和出力分析

主塔阻尼器和邊塔的變形分別由節(jié)點(diǎn)250和節(jié)點(diǎn)1848位移表征，二者時(shí)程如圖25和圖26所示。由圖可見(jiàn)，主塔阻尼器最大損傷等級(jí)對(duì)應(yīng)的位移峰值為未損傷時(shí)的4.5倍，側(cè)塔阻尼器損傷位移峰值與未損傷位移峰值之比為2。

不同損傷程度下，兩種阻尼器的最大行程如圖27和圖28所示。圖中對(duì)角線(xiàn)表示裂縫長(zhǎng)度，所以數(shù)值條紅色部分代表有效工作行程，從圖中能夠看出，隨著裂縫增大，有效行程減小，即耗散能量降低。

從以上模擬結(jié)果可以看出，一個(gè)非破壞性的Northridge波對(duì)阻尼器激發(fā)比橋梁正常的交通荷載更大。然而，在Northridge波激勵(lì)下的阻尼器行程只有是17.3mm，這樣微小的變形對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的能量吸收的影響非常小?？梢?jiàn)，安裝黏滯阻尼器對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的正常使用狀態(tài)和中小地震中的響應(yīng)影響不大。

在有限元模型中，阻尼力由連接阻尼單元的監(jiān)測(cè)器單元給出，分別模擬了主塔阻尼器和側(cè)塔架阻尼器兩側(cè)的阻尼力，結(jié)果如表4所示。

圖29和圖30為Northridge波激勵(lì)下，主塔阻尼器和側(cè)塔阻尼器在各個(gè)損傷等級(jí)下的出力時(shí)程。從圖中可以看出，隨著阻尼器損傷程度增加，阻尼力呈現(xiàn)先增后減的規(guī)律，與之前論述結(jié)果相符。當(dāng)主塔阻尼器損傷為25%時(shí)，其出力值相比未損傷時(shí)增加一倍。

【通聯(lián)編輯：梁書(shū)】