2017年10月29日星期日

實際抗震分析中由於阻尼選取不同所產生的問題


  目前,橋梁地震反應分析一般以直接積分的時程分析方法為主。
  (1)Rayleigh阻尼作為一種正交制震阻尼器,適用於阻尼特性分布非常均勻的工程結構。但是大跨橋梁一般來說都不能算作非常均勻的結構。例如,為了提高橋梁的跨越能力,主梁一般采用鋼箱梁或鋼混疊合梁,而主塔和邊墩則采用鋼筋混凝土材料,兩者的阻尼特性相差比較大。即使主梁材料特性與主塔差不多,大跨橋梁由於抗風和抗震的要求,經常會在橋梁結構的某些部位加有人工阻尼裝置,比如橋墩上安放高阻尼的抗震支座、橋塔上安放控制振動的裝置TMD等,這都會產生摩擦阻尼或集中阻尼從而造成阻尼特性的不均勻分布。這樣的阻尼均勻性前提得不到滿足的情況下,仍按照 Rayleigh阻尼模型去計算各階振型對應的阻尼比勢必會造成除ωi和ωj兩階之外其他各階振型阻尼比與真實值有或多或少的差別。
  (2)根據同濟大學土木防災國家重點實驗室對國內幾十座大跨橋梁進行抗震分析後總結的經驗,邊墩。輔助墩等部位是大跨橋梁抗震設施的重點。但是采用Rayleigh阻尼模型時,隔震工程用於計算其他各階振型阻尼比的ωi和ωj一般取的是較低階的振型,而邊墩輔助墩的振動一般都發生在高階振型。根據Rayleigh阻尼模型圖,可以看出離ωi和ωj越遠的振型,其阻尼比就越不准,而且隨著圖上阻尼比按頻率增加的速度越來越快,邊墩部分振動頻率對應的阻尼比比實際值往往偏大,從這一點講會導致邊墩部分反應的計算結果偏於不安全。
  一些橋梁抗震研究人員已經注意到了以上兩個問題,他們采取的措施是根據分析的部位不斷變換所選擇的ωi和ωj,比如計算橋塔的縱向地震反應時就選擇對橋塔的縱向反應起主要作用的兩階頻率作為ωi和ωj,來計算其它各階阻尼比,LRB隔震墊計算其它地震反應時也依此類推。這樣就需要分析人員不斷的重複選擇。和約和進行時程計算,十分繁瑣。
  制震阻尼器解決方法
  由以上論述,我們已經了解到阻尼是一個非常複雜的問題,僅僅依靠Rayleigh阻尼模型,會對大跨橋梁尤其是邊墩輔助墩等部位的地震反應分析出現不應有的誤差。因此,我們嘗試尋找一種既不過分繁瑣又比較准確的方法。
  在前面的論述中,我們發現阻尼比是反應阻尼的一個方便而有效的量,它把阻尼特性和振型頻率聯系起來,使得動力方程分析起來更為簡單,而且阻尼比可以通過橋梁實測測出。

  如果我們直接指定對橋塔。主梁、邊墩等重要部位反應起主要作用的一些振型頻率的阻尼比,而對其餘各階振型頻率的阻尼比采用線性內插的方法確定,這樣做也可以形成阻尼比矩陣。由於我們通過以前的工程實例發現結構各部位的反應來說少數幾階振型的貢獻最為顯著(這些振型的貢獻占到70%~ 80%,甚至更多),因此,這樣做能夠保證計算的正確性,而且並不繁瑣,此對,以實測試驗數據作為基礎,更增加了其准確性。同濟大學橋梁系近十幾年來,通過為國內幾十座大型橋梁進行竣工檢測、成橋檢測積累了大量的阻尼實測資料,並有研究人員准備把這些阻尼資料整理形成橋梁阻尼數據庫。有了這些數據資料為基礎,通過指定主要振型頻率阻尼比,來計算結構動力反應是行得通的,並且結合下面的振型疊加法,會使計算更加簡便。

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