在伸缩缝处设置粘滞性阻尼器来进行桥梁的抗震保护外文翻译资料

在伸缩缝处设置粘滞性阻尼器来进行桥梁的抗震保护

玛丽亚.冯，杰米.金，方信筱冢，瑞帕.比拉辛格

摘要：本文介绍了在公路桥梁伸缩缝处使用粘弹性阻尼器来防止上层建筑夹板在严重地震之中脱落或相互摩擦的研究结果。在开尔文和麦克斯韦模型中，对弹性弹簧和线性粘滞阻尼器的串联和并联分别进行了分析。一个使用双线性滞回模型对桥梁子结构关节的二位有限元分析在一座有一两个伸缩缝的例桥上进行了试验，结果表明阻尼器能够有效抑制相对位移伸缩缝，并且不会为子结构引入显著增加延性的需求。结果还显示, 开尔文和麦克斯韦模型的弹簧组件对阻尼器的组件的影响甚微。该研究明确表明,使用线性粘滞阻尼器对通常来自桥梁伸缩缝的地震的问题提供了一种实用的解决方案。

介绍

过去的地震，特别是1994年的北岭地震表明，加州（巴尔克1994，交通局1994）现有的1960葡萄酒桥和其他桥梁在伸缩缝钢铁抑制设备方面还有很大提升空间。这些设备都是加州交通局在1971年沙费尔南地震后为了抗震加固所安装的，这表明多达1250座桥梁伸缩缝很脆弱，在一个严重的地震（赛迪集团等。1992年，1993年）超出了它们的可用座位宽度的地震响应时，会很容易崩溃。由当前的设计指导原则,这些钢铁重铸设备(电缆或棒)是专为他们的弹性反应; 他们没有消除大量的地震能量,因此可能在一场严重的地震中引起要么电缆/棒或隔膜断裂,要么墙壁上的桥的两端有线/棒被击穿。

使用耗能设置来限制伸缩缝的想法被提出。在他们以往的研究中，努力证明了耗能设备在原则上是有效的，为了证实这一点，对曾在北岭地震中遭受过局部坍塌的加文峡谷交叉点使用线性桥模型(克洛斯克 等等 1995;冯1997)进行了分析。在这项研究中,两个代表典型加州交通局建造的带有伸缩缝的桥的通用模型被认为是对线性和非线性响应分析。SAP90有限元计算机代码（计算机测试版和结构1995年）广泛地被用嵌入塑料铰链的桥柱二维响应分析（纵向和垂直方向）。

粘弹性阻尼器对于减少伸缩缝桥面之间的相对位移的的成效是本研究的主要兴趣。同样重要的是,要确定相对运动是一个关闭或打开的联合。此外，还要关注当受到地震作用时，安装在伸缩缝的阻尼器是否会在桥梁主要子结构产生附加弯矩作用。

输入地震运动

四个地震地面运动,每个都有两个组件,被用作输入的2 D仿真分析。他们都被记录在埃尔森特罗地震(NS组件,UD组件,1940),塔夫特地震(N21E组件,UD组件,林肯学校隧道,1952),洛马普列塔(EW组件,UD-组件敦巴顿桥,1989),以及在美国的北岭地震(NS组件,UD组件,纽荷尔,1994)。原始地面的水平组件加速度呈线性扩展,这样他们的峰值加速度(PGAs)是0.70 g，按照由交通局在抗震设计谱的使用的最大PGA。这些地面运动的垂直组件相应下滑。这些被选出的运动代表不同的持续时间和频率成分各种地震运动。

实例桥梁

这是典型的有超过4跨度的伸缩接头位于接近拐点(即,1/4到1/5的跨度) 的加州公路桥梁。这座桥桥面由箱式梁与或增强或者预应力混凝土组成。本研究考虑了两座典型的有伸缩缝的交通局桥梁：

• 模型桥1：跨度为5，1个伸缩缝，柱高度等于19.83米（65英尺）。
• 模型桥2：跨度为5，2个伸缩缝，柱高度等于19.83米（65英尺）。

桥梁模型的几何形状和边界条件如图1所示。桥梁模型的材料和截面特性如表1所示。这些桥梁在每个由伸缩缝分割的独立框架中都有周期范围为0.5~1.0秒的主导横向自由振动模式。

大桥的建模使用SAP90计算机代码的有限元分析的测试版本。简化的2 D线性模型首先被建立，紧随其后的是考虑在桥柱中用塑料铰成型的非线性模式。伸缩缝的相对运动被假定为在垂直方向上有所限制，但在水平和旋转方向上是自由的。下部结构柱被假定为在其底座固定，桥墩被建模为辊支持。本研究选择了阻尼器的开尔文和麦克斯韦型线性粘弹性阻尼器，其中包括了并联弹性弹簧的粘性阻尼器，前者和后者是串联的。然而，从热膨胀的角度看，麦克斯韦类型是原则上显而易见的选择。

图1 实例桥梁海拔

表1 示例桥梁的材料和横向属性

表2 自然频率和主导模式的群体性因素

(a) 例桥 TY1H

(b) 例桥 TY2H

线性分析
两种类型的阻尼器被用作分析：弹簧和粘滞阻尼器并联而成的开尔文类型，弹簧和粘滞阻尼器串联组成的麦克斯韦类型。21组不同的弹簧常数k和阻尼系数c在c0＃K＃350.4千牛/厘米（0＃K＃200基普/）和0＃C＃350.4千牛/厘米的范围内进行了研究。到目前为止，231个不同的迷你用例已经测试了每个模型桥梁。

表2所示的是无伸缩缝安装阻尼器的桥梁模型的水平运动的固有频率，周期，和主导模式的群众性因素。这些桥梁的每个模型都会因为伸缩缝的垂直相对位移所施加的约束，而作为一个单独的结构被激发。表2还显示每一帧由伸缩缝分离和在其两端的两个辊所支持的桥梁的固有频率和周期。

表3 关节处没有阻尼器的相对位移峰值

a．1英寸=2.54厘米

b．规模运动的PGA是0.70克

注意：括号里的值是最大的闭包而其他是最大的开放。

没有在伸缩缝处安装阻尼器的情况下，首先执行了使用SAP90的数字模拟。在上述地震输入下所产生的伸缩缝处的相对位移相应峰值如表3所示。由于几何对称性，在桥梁TY2H左右关节处的相对位移是完全相同的。相对位移根据是以下假设计算出的：相邻两层甲板的初始相对位置是这样的，他们可以容纳所计算的相对位移而不包括从底座的冲击或下降。

开尔文型阻尼器被安装在伸缩缝，桥梁的反应是再次在相同的地震地面运动情况下被模拟。对于桥TY1H，在伸缩缝安装开尔文型阻尼器的相对位移的标准化峰值如图2所示。同一桥梁没有安装阻尼器的被标准化的峰值位移如表2所示。最后，对在伸缩缝安装了麦克斯韦型阻尼器的桥梁的地震响应进行了模拟。对于同样的桥TY1H，在同一标准下的伸缩缝处的相对位移峰值如图3所示。

开尔文与麦克斯韦模型中，是弹性的弹簧组件有效抑制了相对运动峰值，而不是所谓的粘性阻尼器组件，尤其是当阻尼系数大的时候。这表明，相当大的值C的线性粘滞阻尼器，而不是粘弹性阻尼器的开尔文和麦克斯韦类型，可以有效地用于抑制相对位移伸缩缝。实际上，不论桥梁所受的地震是怎样，基于k=0的开尔文模型和基于一个大的k（比如6000千磅/英尺）的麦克斯韦模型的相对位移曲线几乎是相同的。同时,在这两种情况下, 最大开放的规范化值和最大闭包的几乎相同，独立于地震地面运动,图2和3所示的是它们的区别。

除了在关节的相对位移，对在每一桥柱底部的弯矩也进行了计算。图4和图5分别为TY1H和TY2H阻尼系数值不同的功能绘制了被My = 32.54 MN/m (24,000 千磅-英尺)标准化的峰值。此时，阻尼器是没有弹簧组件的粘滞阻尼器。

在图4和5，阻尼系数为0的点代表伸缩缝没有安装阻尼器。与没有安装阻尼器的桥柱相比，安装了阻尼器的桥柱的弯矩峰值会根据输入的地面震动略有增加或降低。此外，弯矩峰值的或多或少和阻尼系数的功能保持一致，特别是阻尼系数越大。因此，它表明，在伸缩缝安装了阻尼器不会在桥梁子结构处产生任何额外的显著地震力。

图2. 开尔文阻尼器的标准化相对位移峰值(100千磅/英尺 = 17.52 MN/m)

图2. 麦克斯韦阻尼器的标准化相对位移峰值(100千磅/英尺 = 17.52 MN/m)

图4 桥TY1H的桥柱弯矩峰值

图5 桥TY2H的桥柱弯矩峰值

非线性分析

上述的线性分析结果主要是学术的，从某种意思上说，是主要成员的力量。特别是桥柱的弯矩，远远超过了产量距；在已经的4个地震中，桥梁TY1H的最大弯矩是产量距的5倍，而桥梁TY2H则是7倍。如果这4

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