談液壓阻尼裝置在高震區(qū)橋梁工程中的應(yīng)用

黃海霞

(聞垣高速公路建設(shè)管理處，山西運(yùn)城 044000)

橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制系統(tǒng)是近二、三十年人類對(duì)提高建筑物及橋梁抗震能力取得的最顯著的成果，它跳出了傳統(tǒng)增強(qiáng)梁、柱、墩、塔提高抗震能力的觀念，結(jié)合結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能，巧妙地避免或減少了地震以及其他振動(dòng)對(duì)建筑、橋梁、鐵路的破壞。

1 國(guó)外阻尼器應(yīng)用狀況

近20年來(lái)，用于橋梁的減震裝置有了很大發(fā)展，在國(guó)際上迅速發(fā)展并被廣泛接受的減震裝置包括液體粘滯阻尼器、金屬摩擦擺和鉛芯橡膠抗震支座。到目前為止，已經(jīng)有5種不同類型的液體粘滯阻尼器在橋梁工程中得到運(yùn)用，即鎖定裝置、液體粘滯阻尼器、熔斷液體粘滯阻尼器、限位阻尼器和摩擦型液體阻尼器。

常用結(jié)構(gòu)的減震系統(tǒng)主要有以下幾種(見(jiàn)表1)。

大量國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)研究表明，大跨度橋梁結(jié)構(gòu)的塔(墩)、梁之間的連接方式對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的靜力和動(dòng)力性能有很大的影響。橋墩的受力很大程度上取決于墩、梁之間的連接方式，而邊墩的受力也很大程度上取決于邊墩、梁連接方式。因此，對(duì)于大跨度橋梁結(jié)構(gòu)，墩、梁，邊墩、梁之間的合理連接方式應(yīng)滿足以下要求:

1)溫度荷載作用下，梁、墩之間縱橋向的約束很弱，以減小墩的溫度應(yīng)力;

2)汽車活荷載作用下，梁、墩之間有較強(qiáng)的約束，以提高橋梁結(jié)構(gòu)的總體剛度;

3)汽車活荷載和地震作用下，墩、梁之間的約束可以提供較大的阻尼，以減小墩的動(dòng)力荷載。

表1 橋梁結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)

要滿足以上要求，墩、梁之間的聯(lián)結(jié)就不能簡(jiǎn)單地采用滑動(dòng)或固結(jié)的連接方式，而采用合理設(shè)計(jì)的液壓阻尼裝置的連接方式可以滿足以上要求。

國(guó)外，對(duì)于梁塔(墩)之間采用液壓阻尼器的連接方式進(jìn)行了許多研究，并已用于實(shí)際橋梁，如希臘科林斯海峽的雷翁—安蒂雷翁大橋(Rion-Antirion Bridge，見(jiàn)圖1)，就采用了液壓阻尼器，如圖2所示。美國(guó)D.S.TechStar，Taylor(泰勒)等公司針對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)了一系列液壓阻尼器產(chǎn)品。

2 國(guó)內(nèi)阻尼器應(yīng)用狀況

我國(guó)的重慶鵝公巖大橋、上海盧浦大橋、武漢天興洲長(zhǎng)江大橋、武漢陽(yáng)邏大橋也采用了液壓阻尼器。已建成的南京長(zhǎng)江三橋、蘇通長(zhǎng)江公路大橋安裝了美國(guó)泰勒公司生產(chǎn)的大噸位液壓阻尼器。經(jīng)過(guò)幾十年發(fā)展起來(lái)的阻尼器基本構(gòu)成為單出桿阻尼器和雙出桿阻尼器。

圖1 雷翁—安蒂雷翁大橋

圖2 塔、梁連接處設(shè)置阻尼器

對(duì)油阻尼器而言，最初發(fā)展階段，幾乎都設(shè)有外置油庫(kù)。圖3～圖7分別為Mauler，F(xiàn)IP，Alga，Taylor等阻尼器廠家的阻尼器圖片。

20世紀(jì)80年代以后，國(guó)外一些阻尼器生產(chǎn)廠家將用在其他領(lǐng)域的雙出桿阻尼器引到結(jié)構(gòu)工程阻尼器中應(yīng)用，這種雙出桿并沒(méi)有油庫(kù)的阻尼器也就開(kāi)始被大力推廣使用。圖8為武漢天興洲長(zhǎng)江大橋上所采用的Alga公司生產(chǎn)的雙出桿式液壓阻尼器。表2為國(guó)內(nèi)外幾座橋上的阻尼器設(shè)計(jì)參數(shù)。

半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，液壓阻尼器所使用的材料和加工技術(shù)的主要發(fā)展是:

1)采用特制硅油取代溫度穩(wěn)定性能差的硅膠;

圖3 Mauler阻尼器

圖4 FIP阻尼器

圖5 Alga阻尼器

圖6 Enidine阻尼器

圖7 美國(guó)Taylor阻尼器

圖8 天興洲大橋上的Alga阻尼器

表2 國(guó)內(nèi)外幾座橋上的阻尼器設(shè)計(jì)參數(shù)

2)高度密封技術(shù)的完善;

3)活塞孔設(shè)計(jì)改進(jìn)，確保非線性阻尼器的速度只是能在一定范圍內(nèi)自由選擇;

4)單出活塞桿改進(jìn)為雙出桿，提高穩(wěn)定性。

對(duì)于液壓阻尼器，阻尼器裝置因其反力與速度成比例，因此其技術(shù)指標(biāo)為:

1)阻尼裝置在溫度蠕變變形下的抗力接近于零。

2)在動(dòng)力荷載作用下(汽車制動(dòng)力、地震荷載等)，當(dāng)塔梁相對(duì)位移達(dá)到最大變形時(shí)，阻尼器的阻尼力最小，接近于零;在塔、梁相對(duì)位移最小時(shí)(塔、梁墩相對(duì)變形速度最大時(shí))，阻尼器阻尼力達(dá)到最大。

目前常用的液壓阻尼器從力學(xué)特性劃分主要有線性的和非線性粘滯阻尼器。其恢復(fù)力特性可用式(1)表示:

液壓阻尼器恢復(fù)力特性主要由阻尼系數(shù)、指數(shù)系數(shù)確定，根據(jù)大跨度橋梁在溫度、汽車制動(dòng)力及地震荷載作用下的受力特性，研究阻尼系數(shù)、指數(shù)系數(shù)的合理取值及大噸位液壓阻尼裝置的構(gòu)造對(duì)于大跨度橋梁的建造具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。研究分析表明:在綜合考慮液壓阻尼器的耗能特性及橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性后，系數(shù)值一般在0.3～0.5之間時(shí)耗能效果較好。

阻尼器設(shè)計(jì)過(guò)程中，參數(shù)優(yōu)化的目標(biāo)應(yīng)該是整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)的反應(yīng)，而不是單個(gè)阻尼器的簡(jiǎn)單耗能曲線。很多阻尼器的優(yōu)化結(jié)果都表明，綜合各項(xiàng)指標(biāo)，其結(jié)構(gòu)反應(yīng)的最好狀態(tài)并不是阻尼器的速度指數(shù)最小，如蘇通大橋?yàn)棣?0.4;而西堠門大橋?yàn)棣?1。該速度指數(shù)參數(shù)為優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)為橋梁結(jié)構(gòu)的綜合結(jié)構(gòu)反應(yīng)。

3 未來(lái)阻尼器發(fā)展趨勢(shì)

在現(xiàn)有技術(shù)中，應(yīng)用于橋梁工程結(jié)構(gòu)中的減震裝置有多種類型，如金屬阻尼器、摩擦阻尼器、粘滯阻尼器、粘彈性阻尼器、復(fù)合阻尼器等，近幾年液壓阻尼器在大跨度橋梁結(jié)構(gòu)抗震中得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。液壓阻尼器具有阻尼效率高、易于實(shí)現(xiàn)大噸位裝置、體積小、極小的靜力剛度等優(yōu)點(diǎn)，但在國(guó)內(nèi)研究起步較晚，液壓阻尼器的阻尼閥仍然為一般的斜面錐體閥，核心技術(shù)呈不公開(kāi)狀態(tài)，相關(guān)性可參閱的技術(shù)資料有限，經(jīng)過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn):目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上液壓阻尼器的缺陷如下:

1)可承壓噸位小、阻尼作用力小、行程小;

2)速度指數(shù)不可調(diào);

3)密封措施差，阻尼器漏油。

因此，針對(duì)大跨橋梁連接位置在溫度荷載及地震荷載作用下的阻尼器要求，有必要研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大行程、高噸位的液壓阻尼裝置，并對(duì)其進(jìn)行深入分析和探討，掌握其具有核心競(jìng)爭(zhēng)力的技術(shù)和方法，使之實(shí)現(xiàn)阻尼作用噸位大，阻尼效果好，耐久性好等優(yōu)點(diǎn)，并對(duì)橋梁在地震動(dòng)荷載作用下的阻尼器設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)阻尼器的各項(xiàng)基本參數(shù)的可調(diào)性。

［1］ 王天亮.大跨度斜拉橋地震反應(yīng)分析及減震技術(shù)研究［D］.上海:同濟(jì)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007.

［2］ 王天亮.液壓阻尼裝置在斜拉橋抗震設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究［J］.橋梁建設(shè)，2009(2):72-77.

［3］ 強(qiáng)士中.橋梁工程［M］.北京:高等教育出版社，2004.