采用补充振动控制装置的孤立桥梁的抗震升级

《Soil Biology and Biochemistry》：Seismic upgrade of isolated bridges with supplemental vibration control devices

本研究提出了一种新型桥梁抗震保护策略，采用扩展K Damper (EKD)作为附加振动控制装置。通过参数分析和约束优化，证明EKD在减少桥梁加速度、位移和剪切力方面优于传统质量相关系统（如TMD和TMDI），且附加质量最多减少25倍。优化方法结合人工地震记录验证，展示了EKD在提高抗震性能和降低质量需求方面的显著优势。

　　本文探讨了一种创新的桥梁抗震保护策略，利用扩展型KD阻尼器（EKD）作为附加振动控制装置。EKD的内部机制被用于增强桥梁结构的抗震性能，其设计被集成在一座两跨连续桥梁的桥面结构中，与桥墩和桥台的隔震器并行安装。通过构建一个详细的桥梁系统数学模型，该研究评估了EKD以及其他如调谐质量阻尼器（TMD）和调谐质量阻尼器惯性元件（TMDI）等质量相关振动控制装置（VCD）的性能。研究首先进行了参数分析，以探究关键设计参数对桥梁动态响应的影响。随后，基于工程性能标准和制造限制，定义了最优设计变量的范围，并构建了一个约束单目标优化框架，以确定最佳的VCD配置。为了评估优化装置的抗震性能，研究使用了一组涵盖真实近断层和远断层地震记录以及与EC8地震谱兼容的人工加速度图的综合地面运动数据集。

本文研究的桥梁结构是采用传统支座进行隔震处理的两跨连续桥，作为研究的基准结构。桥梁的桥面和桥墩参数如表1所示，其中桥面的截面面积为3.57平方米，桥墩的截面面积为4.09平方米，桥面和桥墩的弹性模量均为20.64 GPa，密度为2.4吨/立方米，跨长为30米，桥墩高度为8米。隔震桥的隔震频率可以通过简化表达式计算，如式（1）所示。在此研究中，未控制桥的隔震频率被设定为0.83赫兹。图2展示了该简化模型以及并行安装的VCD配置，包括EKD、TMD和TMDI。

EKD的配置是通过引入负刚度（NS）元件和正刚度元件来实现的，这些元件分别连接附加质量与桥面下方的隔震层和桥墩顶部。研究指出，EKD不仅在减震效果上优于传统的质量相关VCD，还显著减少了附加质量的需求，最高可达传统VCD的25倍。这一发现表明，EKD作为一种高效的、轻量的、实用的抗震保护解决方案，具有重要的应用潜力。

在参数分析部分，研究探讨了TMD、TMDI和EKD的主要设计变量对桥梁动态响应的影响。对于TMD，附加质量比和阻尼比被设定为0%到10%和0%到30%。TMDI的附加质量比和频率比被设定为0%到30%和0%到30%。对于EKD，名义频率和阻尼比分别被设定为0.4到0.65赫兹和0%到30%。研究还指出，EKD的负刚度比被设定为20%到35%，以确保系统的稳定性。

在优化部分，研究采用了一个约束的工程标准驱动优化方法，以确定最佳的VCD设计参数。优化过程考虑了几何和制造约束，以确保设计的可行性。研究还指出，EKD的负刚度比对系统性能有显著影响，因此在优化过程中被特别关注。此外，研究还考虑了负刚度元件的相对位移限制，以确保其在实际应用中的可行性。

在性能评估部分，研究使用了30个人工加速度图和8个真实近断层地震记录以及8个真实远断层地震记录作为输入，以评估不同VCD的抗震性能。结果显示，EKD在减震效果上显著优于TMD和TMDI，同时其附加质量需求显著降低。此外，研究还指出，在实际地震记录下，质量相关的VCD（如TMD和TMDI）并不总是能带来积极的效果，而EKD则表现出更强的鲁棒性。

在结论部分，研究总结了主要发现，包括EKD在优化设计参数上的优势，以及其在减震效果和质量效率上的卓越表现。此外，研究还指出了未来研究的方向，包括扩展多目标优化方法以探索动态响应之间的权衡，以及考虑土壤-结构相互作用（SSI）对基于KD阻尼器概念的振动控制系统的潜在影响。