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摘要:總結和歸納目前國內外橋梁工程中使用的不同類別的液體黏滯減振裝置:鎖定裝置、液體黏滯阻尼器、熔斷液體黏滯阻尼器、限位阻尼器和摩擦型液體阻尼器。...

橋梁用液體黏滯阻尼器的減振設計和類型選擇

陳永祁  耿瑞琦  馬良喆

(北京奇太振控科技發展有限公司,北京100037)

    近20年來,用于橋梁減振的結構保護系統有了很大的發展。在國際上迅速發展并被廣泛接受的結構保護系統包括液體黏滯阻尼器、金屬摩擦擺和鉛芯橡膠抗震支座。在橋梁上設置液體黏滯阻尼器,衰減大橋縱橫2個方向運動已經成為設計工作者的一個重要選擇。

    液體黏滯阻尼器在工程應用中得到很快的發展。到目前為止,已經有5種不同類型的液體黏滯阻尼器在橋梁工程中得到應用的,鎖定裝置、液體黏滯阻尼器、熔斷液體黏滯阻尼器、限位阻尼器和摩擦型液體阻尼器。本文的目的是系統地介紹并完善它們的計算公式、分析模型和選用原則;介紹國內幾個應用阻尼器減振的橋梁工程實例和它們的控制效果;還談及一個我們認為國內急需認識和解決的問題——阻尼器的測試和檢驗。希望能給未來的設計提供一個參考。

1、阻尼器的發展和應用

    我們可以從兩個方面了解液體黏滯阻尼器的發展過程和目前的國際水平:一是阻尼器內部結構和性能的完善和提高;二是對阻尼器質量控制體系的建立和發展。

    半個世紀來,阻尼器所使用的材料和加工技術的主要發展是:

    1)采用特制硅油取代溫度穩定性能差的硅膠;

    2)高度密封技術的完善;

    3)活塞孔設計改進,確保非線性阻尼器的速度指數能在一定范圍內(0.31.0選擇;

    4)單出活塞桿改進為雙出桿,提高穩定性;

    5)在確保不漏油的基礎上取消了油庫;

    6)不設置任何閥門,減少阻尼器破壞的可能。   

    另一方面,阻尼器在結構工程應用上的發展過程,可以說是質量保證的發展過程。對于工程中采用的材料和設備的質量,當然是工程師們最關心的。80年代末,美國結構工程師和研究人員開始考慮把軍事、機械、宇航等成熟應用的阻尼器技術試用在土木結構工程中。美國國家地震研究中心(NCEER MCEER)和美國加州伯克利地震研究中心(EERC)大量的模型試驗都證明了用阻尼器來減少結構在地震和大風中的振動理念是非常成功的。工程師們更想知道的是阻尼器在各種工程環境下是否能保證長期、穩定和可靠的使用。為了更好地回答這一問題,分別由美國科學基金會(NSF)以舊金山金門大橋抗震加固工程為例[23和美國土木工程學會(ASCE)高速公路創新技術評估中心(HITEC)E3 2,組織了兩次大型聯合鑒定測試。這兩次鑒定證明,成功通過試驗的阻尼器完全可以在結構工程中使用;它不僅成為后來編制相關規范的參考,也成為日后使用者選擇產品的重要依據。

    在產品的材料、技術和工程應用鑒定兩個方面的充分發展得到肯定并進入規范后,液體黏滯阻尼器開始在美國、日本等國得到了大量的應用,上百座的橋梁已經安置或將要安置這一有效的結構保護系統。框圖1示出了阻尼器在工程應用上的這一發展過程。

1液體黏滯阻尼器的發展過程

    1999年竣工的西雅圖棒球場在可開啟屋蓋上安置了8個液體黏滯阻尼器,為了考驗阻尼器在實際工程中的表現,安置了在線健康監測系統。在2003年一次5級地震中阻尼器表現完好并由監測系統采集了該次地震的加速度記錄m。安置了液體黏滯阻尼器的墨西哥市長大樓在200376級墨西哥地震中安然屹立。而該地震造成2700棟建筑倒塌或嚴重破壞,13600棟建筑不同程度損壞。這座57225 m高的南美最高建筑也就成了結構工作者抗震工程的一個榜樣。2005年百年不遇的卡特里娜颶風對安置了68個泰勒公司懸索阻尼器的Cochrane大橋的塔和懸索沒有帶來任何破壞。這些經歷了地震和大風的實例給了我們更多的信心和經驗。

    我國正在建設的大型橋梁,為了達到減少各種振動對橋梁的影響,也紛紛考慮加設液體黏滯阻尼器。中交公路規劃設計院(中交院)設計的世界第一大斜拉橋——蘇通長江大橋[4]所使用的加有特殊限位的特大阻尼器(限位力到l0000 kN)是世界首創,設計者提出的對阻尼器的全面測試和鑒定將在最近完成。1999年完工的江陰長江大橋瞪],通車幾年來,發現大橋伸縮縫處開始有較嚴重破壞,經觀測發現:伸縮縫的滑塊發生過脫落,有的橫梁下底面不銹鋼板被擠出,有的部位縫隙最大開口達81 cm。因伸縮縫開口過大,密封橡膠被拉裂,伸縮縫工作很不正常,嚴重影響了伸縮縫的使用壽命,不利于橋梁的安全運行。通過中交院完成的動力分析,大橋決定采用目前世界上最大行程(±1000 mm)的大型阻尼器控制其振動。這是我國用阻尼器補強加固大橋的首例,在橋梁工程中的地位同樣舉足輕重。在南京長江三橋工程上,首次在引橋上設計和使用了54個液體黏滯阻尼器。  

    這三個長江大橋上的阻尼器的應用實例必將對我國橋梁事業的發展帶來巨大影響。

2、同阻尼器的選擇

    減少和控制橋梁主要結構的受力和位移是我們加設阻尼器的主要目的。一般說來,它應該安置在結構最大位移之處。簡述它的放置,可以有以下幾種目的:

    1)控制橋梁的縱向振動(減少橋梁與橋墩、橋塔或地面的相對運動和結構受力)

    2)控制橋梁的橫向振動(減少橋梁與橋墩、橋塔或地面的相對運動和結構受力)

    3)控制橋面的垂直方向振動,可以用阻尼器直接控制,也可以用TMD減振;

    4)采用TMD系統控制斜拉或懸索橋塔的水平振動;

    5)控制斜拉橋上斜拉索的振動;

    6)控制開啟或旋轉橋梁的碰撞和振動(緩沖器)緩沖船只對橋墩的可能碰撞(緩沖器)

    本文主要介紹用來控制橋梁主橋縱橫兩方向運動的黏滯阻尼器,用其控制橋梁結構的位移和橋墩、橋塔的受力。這里,我們把在國內外工程中已經使用過的液體黏滯阻尼器從應用的角度作一個介紹對比。  

    在世界橋梁工程中遇到的直接用來控制橋梁縱橫兩方向運動的黏滯阻尼器有以下幾種:

    1)鎖定裝置;

    2)液體黏滯阻尼器;  

    3)熔斷阻尼器;

    4)限位阻尼器;

    5)摩擦型液體黏滯阻尼器。

    這幾種都是活塞形式的液體阻尼器。其中鎖定裝置和液體黏滯阻尼器是最常用的兩種。除活塞上小孔的大小不同外,產品的其他結構完全相同,可以把鎖定裝置看成是黏滯阻尼器的一種特例。熔斷阻尼器和限位阻尼器是根據設計者在實際工程中的不同的設計需要,發展出的液體黏滯阻尼器的最新產品。摩擦型液體黏滯阻尼器為最近幾年研制生產的一種阻尼器,其滯回曲線接近方形,性能與傳統意義上的摩擦阻尼器相近。

    2.1(Lock-Up Devicesor ShockTrans- mission Unit)

    鎖定裝置如圖2所示,是一種類似速度開關的限動裝置,當橋梁運動到某一速度時啟動并鎖定裝置上兩個安置點間的相對位移。它在橋梁上的工作原理就像汽車上的安全帶,在慢速運動中它不限制,在急速運動中會起到制動作用。該裝置不能耗散能量。用在大橋上的鎖定裝置,在溫度和正常活荷載下可以自由變形;但對于中小地震荷載、較大的風荷載帶來的橋梁各部分間的運動、受力和碰撞,可有效地起到減少、轉移和限制作用。鎖定裝置的控制速度通常選擇在0127025 mms之間。

    鎖定裝置可以用下列公式來模型化。設計人員要預先設定一個速度開關V。,在V>V。時鎖定裝置可按一個剛性連桿計算。計算出的鎖定力為:

其中Fmax為最大鎖定力。

2密蘇里比爾·埃莫森紀念橋上680 t鎖定裝置

    2.2滯阻尼器(Fluid Viscous Damper)

    很多文獻都對液體黏滯阻尼器作過全面的介紹[1]。這里,我們特別要強調一點:液體黏滯阻尼器是一種需要并且能夠精確計算的定量減振產品,絕不僅是一個定性的緩沖器。產品的選擇一定要經過精確的計算分析。

    液體黏滯阻尼器的運動速度和阻尼力的關系為:

   F=CVα          

    (2)式中:F為阻尼力;C為阻尼系數;V為阻尼器兩端的相對速度;α為速度的指數(常用031.0)。阻尼力和最大沖程是阻尼器的主要指標,而阻尼系數和速度指數是阻尼器控制作用大小的兩個關鍵參數。

    2.3尼器(Fuse Damper)

    根據不同的工程要求,設計工作者有時期望阻尼器具有下面兩個階段的特性:對于風、溫度、剎車、小地震等常規荷載,阻尼器像剛性連桿一樣,不發生兩端相對運動;而在大風和大地震、超過一定動力荷載時,阻尼器開始相對運動,并消耗振動能量。

    熔斷阻尼器可以很好地實現這一愿望。這種阻尼器比一般的液體黏滯阻尼器多一個金屬熔斷裝置,起到控制開關作用。在美國舊金山附近的Richmond San Rafael大橋上,泰勒公司提供了設計值為2270 kN的熔斷阻尼器裝置,裝置上設計了在1250 kN(to)時斷裂的金屬保險片(3)。如果阻尼器受到風荷載、剎車荷載或者小的地震荷載,受力低于1250 kN時,金屬片限制了阻尼器兩端的相對運動;如果地震導致了1250 kN甚至更大的荷載時,金屬保險片斷裂,阻尼器將像一個一般的2270 kN的阻尼器那樣耗能工作。保險片斷裂以后,只要簡單地更換保險片,阻尼器可繼續使用。金屬熔斷阻尼器的計算模型為:

 

    F。為金屬熔斷開關力。

 

3加州里奇蒙德大橋熔斷阻尼器

    2.4限位阻尼器(Limited Displacement Damper) 

    考慮到蘇通長江大橋橋位風速大、風況復雜、抗震要求高,為了防止預想不到的靜力荷載、特大風可能給橋梁帶來的超量位移,設計了一種新型帶限位的阻尼器。在常規阻尼器的基礎上,在阻尼器運動的雙方向上加設限位裝置。當該阻尼器最大相對位移超過±750 mm時,阻尼器進入兩端限位階段。限位由非線性彈簧板(用彈簧表示)實現。限位可達最大附加位移±l00 mm,限位力可達l0000 kN。這一超大的阻尼器見圖4。限位阻尼器的計算公式應為:

 

    Flim為最大限位力,Dmax一為阻尼器開始限位前的最大位移。

4蘇通大橋限位阻尼器

    2.5摩擦型液體黏滯阻尼器

    在上述阻尼器的基本關系式(2)中,當速度的指數α非常小時,該關系式近似為:

    阻尼力就變成與速度無關的曲線。由于目前橋梁計算分析通用軟件SAP2000程序中速度指數定義的范圍為0220,當α小于02時,計算可能不收斂。

    這種阻尼器的滯回曲線呈方形,接近摩擦阻尼器。它很容易有摩擦阻尼器的特性,也可以把它看成帶有屈服性能的鎖定裝置。

1鎖定裝置和阻尼器的對比和選用辦法

 

    在上述五種阻尼器中,如何選用?我們的意見是:從大多數橋梁的需要來看,應該首選常規的鎖定裝置和液體黏滯阻尼器。到底是選用鎖定裝置還是黏滯阻尼器,建議利用下述內容進行分辨和選擇。

    在橋梁的設計或加固工程中,有時希望施加一定剛度,在中小風振、地震和車輛荷載時希望阻尼器協助鎖死時,可以選用熔斷黏滯阻尼器。當橋梁所處的環境復雜、不可預見性高、又不希望阻尼器有過大的位移,希望通過限位阻尼器來實現時,可以考慮使用帶限位的液體黏滯阻尼器。

    匯總以上各種液體黏滯阻尼器的理論和性能對比,列于表2加以說明。

2各種阻尼器性能對比

3、尼器的應用和控制效果

    目前,國內外都是采用非線性(如果阻尼器設計成非線性)時程分析的計算程序來分析加了阻尼器前后的地震反應,最常用的是SAP2000非線性分析程序。我們只要在橋梁動力分析的SAP2000模型上,按預定的阻尼器的位置,加上阻尼器的計算單元,輸入設計地震的時程記錄,進行時程分析,就可以得到初步的結構地震反應。當然,我們還要對計算的結果進行評估,看得到的結果是否滿足各方面的要求。通常,經過一個反復迭代過程,就可以得到一個相對滿意的結果。阻尼器參數的選取和優化也可以采用阻尼器參數和結構反應間的對比優化得出[8]。這里,簡單介紹幾個常見形式的橋梁工程阻尼器的安放位置和幾個我國實際工程的計算分析結果,從中可見阻尼器在這些橋上的減震效果。

    3.1鋼筋混凝土梁橋

    連續梁橋和簡支梁橋的支座,一般都由固定支座和滑動支座所組成。地震和大風的水平縱向動力荷載將由固定支座和其橋墩所承擔。如果我們能在滑動支座的梁和墩之間安置鎖定裝置,該橋墩也就參與分擔固定墩的受力,從而減小固定支座的水平剪力(見圖5)。鎖定裝置起分散受力的作用。在吉林松花江龍華七孔連續梁橋上的l6個鎖定裝置可以將固定支座上的水平剪力減少453

 

5鋼筋混凝土梁橋鎖定裝置安置示意圖

    3.2鋼管拱橋

    對某城市內環城公路大橋的計算分析表明,即便對剛度比較大的鋼管橋,同樣可以減少橋梁縱向位移達19%。該橋還是我國首次設計成縱橫兩個方向減震。這個兩方向起作用的阻尼器,減少橫向位移達15(見圖6)

    3.3斜拉橋

6鋼管拱橋阻尼器的安置示意圖

    由于全漂浮體系橋塔之間無任何約束,阻尼器對于這類斜拉橋的振控作用最為顯著(7)。通過對阻尼器參數優化可將大橋縱向運動的減振率達到50%以上。蘇通大橋的設計者通過優化將大橋的縱向位移降低了594%,主塔在大震中的受力也降低了17%左右,如前所述,該裝置上還施加了世界首創帶限位裝置的阻尼器

7斜拉橋阻尼器的安置示意圖

    3.4懸索橋

    作為大跨柔性結構,懸索橋具有超長周期及較寬的頻率范圍,其動力特性決定這類結構易受到外界動力荷載的激勵,其抗風及抗震設計一直是研究及設計人員的工作重點。我國建成的第一座跨千米大橋——江陰長江大橋在兩端伸縮縫處設置的4個阻尼器,可以使其縱向位移減少55%,加固前的振動問題應該可以得到很好的解決(8)。我國舟山群島的跨海大橋上將安置的阻尼器具有經過優化計算出的阻尼器參數

8懸索橋阻尼器的安置示意圖

    把以上提到的工程和阻尼器的參數、計算結果列在表3中,阻尼器減振的效果是很容易看出的。

4、同阻尼器檢測驗收的要求

    在橋梁上的車輛和風振等動荷載作用下,結構保護裝置應用前的嚴格檢測對保證產品長期穩定工作非常重要。對于控制偶發振動的減振產品,它幾乎更是唯一有效的辦法。這里,我們討論一下不同液體黏滯阻尼器在測試驗收上的相同和不同點。

3不同類型橋梁的減震效果

  

    4.1Lock-up裝置

    美國AASHT0規范首先提出對鎖定裝置的測試  驗收要求,這是以后阻尼器測試規程和規范發展的起點。

    4.2滯阻尼器(Fluid Viscous Damper)

    液體黏滯阻尼器的測試,和鎖定裝置的檢測原則上要求相同。不同點是:液體黏滯阻尼器的基本速度和阻尼力之間的關系式(2)要得到定量的驗證。這里結合美國FEMA450ASCE07 110沖的相應規定談一點我們的看法。

    4.2.1預檢測

    在先進的阻尼器技術和產品進入我國橋梁領域的七八年歷史中,已有十幾座橋梁安置或正在安置不同的阻尼器。然而,在我國現行橋梁規范中,還沒有關于應用阻尼器的規定,也就更沒有對于阻尼器測試驗收的相應要求。隨著數以百計的橋梁在我國相繼建設,為了使這一新技術能在我國快速健康地發展,建議我國相關管理部門或協會能對進入我國橋梁市場的所有國內外產品,組織并作一次類似金門大橋口]HITEC3作過的綜合預檢測。

    4.2.2阻尼裝置的原型測試

    美國規范中提出每種類型的阻尼器要抽樣做原型試驗,這是十分必要的。縮尺試驗只能說明產品的理論依據,不能證明產品在真實工作的環境和狀態下的可靠性和耐久性。原型測試的內容應該包括以下幾方面:

    1)對原型樣品按三種不同工作溫度條件對產品作靜力耐壓測試和動力測試。

    2)對抽取的樣品在不同頻率下、最大動力沖程情況下的最少三次循環試驗。三次循環中最大阻尼力允許在15%以內浮動。

    3)疲勞能力試驗。經過10000次以上脈動風(低速小位移)循環試驗,觀察密封系統是否漏油,用肉眼檢查密封系統是否由于疲勞磨損引起退化,裝置在第2個和第9999個周期的力一位移特征反應和阻尼器力學曲線的變化都應小于l5%。

    所有原型測試的結構都要滿足阻尼器的基本關系式(2)

    4.2.3產品的出廠檢驗測試

    阻尼器的力學性能要符合阻尼器的技術參數要求。每個黏滯阻尼器都必須進行嚴格并有監督的出廠檢測試驗,使之滿足設計要求。檢驗內容應包括:

    1)外形測試。檢查阻尼器的外形尺寸和外觀,如有無漏油、油漆剝落、外殼損壞等;

    2)耐壓測試。阻尼器油缸和管道在設計阻尼力的15倍安全系數下,恒定受力1 h,不得有任何泄漏;

    3)總行程測試。阻尼器的總行程滿足設計值的要求;

    4)慢速位移最大阻尼力測試。使阻尼器往復慢速運動至少3個周期,記錄阻尼力和位移的關系。要求阻尼器不漏油,阻尼力不大于設計阻尼力的l0%;

    5)動力測試。按設計要求作一個完整的滯回過程,給出以下參數和曲線:a.阻尼力、行程和速度的時程曲線;b.行程和阻尼力的滯回曲線;c.不同沖程下的阻尼力和理論曲線的對比(要求在±15%的誤差范圍內)d.在受拉和受壓情況下的最大阻尼力和最大行程。

    4.3熔斷阻尼器(Fuse Damper)

    熔斷阻尼器的試驗應該分兩部分。熔斷金屬片的測試;阻尼器的測試。熔斷金屬片的測試除了要測試它的受力大小符合設計以外,還要看它被安裝到阻尼器上以后是否可以按要求熔斷和考慮地震后的恢復。阻尼器本身的測試與普通液體黏滯阻尼器的測試相同。

    4.4限位阻尼(Limited Displacement Damper )

在限位阻尼器進入限位階段以前,它的工作原理和普通液體黏滯阻尼器一樣,測試的內容也應該和普通阻尼器一樣。限位部分,就是彈簧的工作原理,除了需要測試它的最大限位力和限位位移外,還要測試整個阻尼器整體的受力能力是否可以滿足設計要求。   

    大型橋梁的阻尼器采購,往往是在招標中完成。招標完成后的測試,很難得到有效的監察。因此,對產品預檢測和過去原型及產品出廠檢驗文件的審閱,就變的更加重要。

5、結論

    本文綜合介紹了5種不同的液體黏滯減振裝置:鎖定裝置、液體黏滯阻尼器、熔斷液體黏滯阻尼器、限位阻厄器和摩擦型液體阻尼器,介紹了它們的性能、計算公式、工程應用上的選用意見和應用前應該經過的嚴格測試檢驗。從目前我國已經安置或將要安置這種減振裝置的幾個橋梁工程的計算分析中,可以看出它們在抗風和抗震中的減振效果十分顯著有效。這是個值得推廣利用的成功的結構保護系統。

參考文獻

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(本文來源:陜西省土木建筑學會     文徑網絡:尹維維 編輯  文徑 審核

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