利用调谐粘性质量阻尼器对跨海斜拉桥进行抗震性能评估和基于脆弱性的优化设计

《Ocean Engineering》：Seismic performance assessment and fragility-oriented optimization of sea-crossing cable-stayed bridges using tuned viscous mass dampers

海缆 stayed桥抗震控制策略研究。基于调谐粘滞质量阻尼器（TVMD）构建SCCSB-TVMD集成系统，采用OpenSees建立考虑土-水-结构相互作用的精细化有限元模型，通过随机生成多支点近海地震动进行响应分析，参数敏感性研究表明质量比和调谐频率影响显著，基于性能抗震的脆弱性导向优化确定最优参数组合。

　　海上的跨海斜拉桥（Sea-Crossing Cable-Stayed Bridges, SCCSBs）是连接沿海城市、港口和岛屿区域的重要交通设施。随着沿海经济的快速发展和对岛屿与大陆之间交通需求的增加，这类桥梁的建设日益增多。然而，由于它们通常跨越活跃的地震区域，因此在地震作用下，其结构性能和安全性面临严峻挑战。本文探讨了在这些桥梁中引入调谐粘滞质量阻尼器（Tuned Viscous Mass Dampers, TVMDs）以提升其抗震性能的可行性与有效性。

TVMD是一种被动控制装置，结合了质量放大和能量耗散的功能，能够有效抑制结构在地震作用下的振动。该装置基于惯性器的概念，通过调整其内部的粘滞阻尼器、弹簧和质量块等关键部件的参数，可以实现对桥梁结构动态响应的精准控制。近年来，TVMD在高层建筑和大跨度桥梁中的应用得到了广泛关注，其在地震作用下的控制效果得到了充分验证。然而，对于海上的跨海斜拉桥而言，其特殊的地理位置和复杂的环境条件，使得TVMD的应用研究相对较少。

在实际工程中，SCCSBs不仅要面对地震波的传播，还需要考虑海水层和海底土层对地震波传播路径的影响。因此，准确评估其抗震性能需要综合考虑土壤-桩相互作用（Soil-Pile Interaction, SPI）、水-桩相互作用（Water-Pile Interaction, WPI）以及多支撑点地震动（Offshore Multi-Support Ground Motions, OMGMs）等因素。这些耦合效应不仅增加了地震性能评估的复杂性，也对振动控制策略的设计提出了更高的要求。

本文提出了一种基于TVMD的新型抗震控制策略，旨在提升SCCSBs在地震作用下的整体性能。通过建立一个精细的有限元（FE）模型，结合SPI和WPI的影响，研究团队模拟了多种随机生成的OMGMs，并分析了TVMD及其关键参数对桥梁结构响应的影响。随后，进行了一系列参数敏感性分析，以评估不同设计参数对结构关键部位和整体抗震性能的潜在影响。最后，采用一种以脆弱性为导向的优化方法，确定了在基于性能的抗震工程框架下，TVMD的最佳参数组合。

研究结果表明，TVMD的引入能够显著降低SCCSBs在地震作用下的关键响应，其控制效果随着地震强度的增加而变得更加明显。此外，TVMD的抗震控制性能对其设计参数高度敏感，其中质量比和调谐频率的影响尤为显著，而阻尼比的影响相对较弱。不同TVMD参数组合对SCCSBs的关键部件和系统脆弱性具有不同的影响，因此，最佳配置需根据具体结构特征进行调整。这表明，在设计TVMD时，必须综合考虑其对桥梁整体性能的影响，而不仅仅是单一部件的表现。

本文的研究不仅为SCCSBs的抗震设计提供了新的思路，也为大型跨海桥梁系统的振动控制提供了有价值的参考。通过系统性地评估TVMD的控制效果，并结合脆弱性导向的优化方法，研究团队为实际工程中TVMD的应用提供了科学依据和技术支持。这一研究对于提升海上交通基础设施的抗震能力、保障其长期安全运行具有重要意义。

在实际应用中，考虑到海上的特殊环境，TVMD的设计和优化需要特别关注其对地震动输入不确定性的适应能力。传统的参数优化方法通常依赖于有限的地震记录或特定的地震强度场景，难以全面反映地震动输入的随机性和不确定性。相比之下，以脆弱性为导向的优化方法通过统计分析大量随机地震动样本，能够更系统地描述关键部件和整体结构的抗震性能，从而为设计提供更为可靠的参数组合。

此外，本文还探讨了TVMD在不同地震强度水平下的表现，发现其控制效果在不同地震场景下具有显著差异。这一发现强调了在设计过程中，必须对TVMD的参数进行多层次的优化，以确保其在多种地震条件下都能发挥良好的控制作用。同时，研究结果也表明，TVMD的优化设计不仅需要考虑其自身的性能，还需要结合桥梁结构的具体特征，如跨度、高度、材料特性等，以实现最佳的抗震效果。

本文的研究成果对于未来海上桥梁的抗震设计具有重要的指导意义。首先，它提供了一种新的抗震控制策略，能够有效应对海上桥梁在地震作用下的复杂动态响应。其次，它强调了在设计过程中，必须综合考虑SPI、WPI和OMGMs等多因素的影响，以确保桥梁在多种地震条件下的稳定性和安全性。最后，它通过参数敏感性分析和优化方法，为TVMD的设计提供了科学依据，有助于提高其在实际工程中的应用效果。

总之，本文的研究不仅填补了在海上跨海斜拉桥中应用TVMD的空白，也为未来类似桥梁的抗震设计提供了理论支持和技术指导。通过系统性地评估TVMD的控制效果，并结合脆弱性导向的优化方法，研究团队为提升海上交通基础设施的抗震能力做出了重要贡献。未来的研究可以进一步探讨TVMD在不同地震动输入下的表现，以及其在更复杂结构体系中的应用潜力。