速度鎖定E型鋼阻尼支座及其應(yīng)用

劉 軍，陳彥北，寧響亮，郭紅鋒，李文斌，許明杰

(株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南株洲 412007)

我國50%的國土面積位于Ⅶ度以上的地震高烈度區(qū)域［1］，是世界上地震活動最強烈和地震災(zāi)害最嚴重的國家之一。橋梁作為地震后救災(zāi)生命線中的重要節(jié)點，提高其抗震性能是我國橋梁工程領(lǐng)域面臨的重要課題。

傳統(tǒng)的橋梁抗震方法是“硬抗”，即通過增加墩和梁的強度來抵抗地震力，但是在大跨度橋梁和多跨連續(xù)梁橋梁中，由于梁體重量大，在低烈度地震時地震力(慣性力)已非常大，增強橋梁自身結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)重量進一步增加，從而增加地震力。可見，增強結(jié)構(gòu)不一定會使橋梁的抗震性能絕對增加，當(dāng)超過臨界點后甚至?xí)箻蛄旱目拐鹦阅芟陆怠Ｒ虼耍瑢τ诖罂缍葮蛄汉投嗫邕B續(xù)梁橋梁的抗震設(shè)計，有必要突破傳統(tǒng)的抗震模式，綜合應(yīng)用多種抗震、減震措施，以提高橋梁抗震性能。

本文介紹一種新型復(fù)合抗(減)震橋梁支座——速度鎖定E型鋼阻尼支座，該支座采用一種復(fù)合抗(減)震模式:減震耗能+分散地震能量。目前速度鎖定E型鋼阻尼支座已在內(nèi)蒙古大城西黃河大橋和沿黃一級公路鄂爾多斯罕臺川大橋上批量應(yīng)用。

1 速度鎖定E型鋼阻尼支座的結(jié)構(gòu)

速度鎖定E型鋼阻尼支座由球型鋼支座、速度鎖定器和E型鋼阻尼元件組成(如圖1)。球型鋼支座是其主體，提供普通橋梁支座豎向承載和轉(zhuǎn)動等功能;速度鎖定器的缸體通過E型鋼與支座下部連接，活塞部分與支座上部連接，支座上部、下部快速相對移動時速度鎖定器鎖定;E型鋼阻尼元件提供減震耗能功能。

圖1 速度鎖定E型鋼阻尼支座結(jié)構(gòu)示意

在慢速滑動情況下，如溫度變化引起的梁體伸縮及混凝土引起的收縮徐變等，速度鎖定E型鋼阻尼支座具備活動型支座的全部功能，此時速度鎖定器的反力很小，E型鋼阻尼元件不起作用。在制動力、風(fēng)載或地震荷載等引起的快速滑動情況下，速度鎖定器鎖定，從而帶動E型鋼阻尼元件運動為支座提供合適的水平抗力，尤其是在地震荷載作用下能快速鎖定，將上部荷載經(jīng)E型鋼阻尼元件傳遞到橋墩，從而分擔(dān)其它支座的地震荷載，提高橋梁結(jié)構(gòu)的水平抗震能力，同時E型鋼阻尼元件在地震荷載作用下反復(fù)塑性變形，消耗地震能量，減輕地震對橋梁的破壞。

速度鎖定E型鋼阻尼支座綜合了阻尼耗能支座的減震功能和速度鎖定支座分散地震能量的抗震功能，提供了一種橋梁抗減震新模式。

2 速度鎖定E型鋼阻尼支座的減震原理

2.1 速度鎖定器的減震原理

速度鎖定器是一種主體為活塞式圓柱形腔體結(jié)構(gòu)的速度鎖定裝置，如圖2所示。腔體內(nèi)填充高黏度流體，流體流過活塞與缸體間隙時具有“速度敏感性”，活塞在低速運動時產(chǎn)生的阻力很小，而隨著速度的增加活塞阻力迅速升高至設(shè)計值，實現(xiàn)缸體、活塞的連接構(gòu)件之間低速下的相對位移和快速下的鎖定。

圖2 速度鎖定器結(jié)構(gòu)示意

速度鎖定器的特性可以用下式［2］表示

式中，F(xiàn)為速度鎖定器的力，C為阻尼系數(shù)，v為活塞的運動速度，α為速度指數(shù)。

圖3是速度鎖定器的速度—荷載試驗曲線［3］，從圖3中可以看出:速度鎖定器的活塞與缸體相對運動速度很低時，推動活塞運動的荷載很小，隨著速度增加，荷載急劇增大。速度鎖定器的這種特性類似汽車“安全帶”。

速度鎖定器一般安裝在橋梁活動支座上，橋梁梁體溫度變化引起的熱脹冷縮帶動支座滑移;梁體熱脹冷縮的速度非常緩慢(＜0.01 mm/s)，因此速度鎖定器阻力很小，不起作用。在地震發(fā)生時，地震力會引起橋梁活動支座快速滑動，使得速度鎖定器鎖定，從而活動支座變?yōu)楣潭ㄖё瑯蛄旱幕顒佣兆兂晒潭ǘ眨梢苑謸?dān)地震荷載，從而分散全橋地震荷載。

圖3 速度鎖定器的速度—荷載試驗曲線

2.2 E型鋼阻尼元件的減震原理

E型鋼阻尼元件可以在橋梁結(jié)構(gòu)中發(fā)揮阻尼耗能和減震作用。

E型鋼阻尼元件耗能減震的原理可以從能量的角度來解釋。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)和耗能結(jié)構(gòu)在地震中任意時刻的能量方程分別為式(2)和式(3)

式中，Ein、E'in分別為地震過程中輸入傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)、耗能結(jié)構(gòu)體系的能量;Ev、分別為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)、耗能結(jié)構(gòu)體系的動能;Ec、分別為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)、耗能結(jié)構(gòu)體系的黏滯阻尼耗能;Ek、分別為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)、耗能結(jié)構(gòu)體系的彈性應(yīng)變能;Eh、分別為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)、耗能結(jié)構(gòu)體系的滯回耗能;Ed為阻尼耗能元件耗散或吸收的能量。

式(2)和式(3)中，Ev和、Ek和 E'k僅使能量轉(zhuǎn)換而不耗散能量，結(jié)構(gòu)未裝黏滯阻尼裝置時Ec和僅占總能量的很小部分(只占5%左右)，可以忽略不計。因此在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，主要依靠Eh耗散輸入結(jié)構(gòu)的地震能量，但結(jié)構(gòu)構(gòu)件在利用自身彈塑性滯回變形耗散地震能量的同時，構(gòu)件本身也將遭到損傷甚至破壞。某一結(jié)構(gòu)耗能越多，則其破壞程度越嚴重。而在耗能結(jié)構(gòu)體系中，阻尼耗能裝置會先于主體進入塑性狀態(tài)而率先耗能，耗散大部分地震能量，主體結(jié)構(gòu)本身耗能很少，從而有效地保護主體結(jié)構(gòu)的安全，避免或減少地震損傷或破壞［4］。

E型鋼阻尼元件是一種優(yōu)良彈塑性阻尼耗能元件，在地震中，E型鋼阻尼元件在地震力的作用下反復(fù)塑性變形，滯回阻尼，耗散地震能量。圖4給出了E型鋼阻尼元件試驗滯回曲線，該曲線為多次滯回變形形成的，從圖4可看出，每次滯回變形的曲線重合度非常高，在元件疲勞破壞前滯回特性非常穩(wěn)定。同時，E型鋼阻尼元件試驗滯回曲線非常飽滿，耗能效果良好，理論上最大可吸收70%的地震能量。試驗表明彈塑性鋼元件在設(shè)計阻尼位移的有效阻尼比為30%～40%，且滯回變形30次以上仍不破壞［5］。

圖4 E型鋼試驗滯回曲線

結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)(地震加速度)與結(jié)構(gòu)的基本周期密切相關(guān)［6-7］(如圖5)，當(dāng)結(jié)構(gòu)的周期較長時，結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)較小，傳遞到結(jié)構(gòu)上的地震力也小，因此，延長結(jié)構(gòu)的固有周期(增加結(jié)構(gòu)的柔性)可以降低結(jié)構(gòu)的地震力，達到減震目的。

圖5 地震加速度反應(yīng)譜

從圖4和圖5可以看出，彈塑性鋼阻尼元件具有變剛度特性，彈性階段剛度大，塑性階段剛度小。在地震力作用時，彈塑性鋼阻尼元件處在塑性滯回變形中，剛度變小，增加了結(jié)構(gòu)的柔性，延長了結(jié)構(gòu)的固有周期，避開了地震能量集中的周期范圍，從而降低了結(jié)構(gòu)的地震力。

3 應(yīng)用效果分析

在大跨度連續(xù)梁橋梁中，存在固定墩和固定支座承擔(dān)的地震荷載太大，活動墩抗震能力又難以發(fā)揮的難題。在連續(xù)梁橋梁中，一聯(lián)梁體要跨幾孔橋墩，考慮到梁體的熱脹冷縮，一聯(lián)梁體只能設(shè)置一個(組)固定墩(如圖6)，安裝固定支座，其他墩必須設(shè)置為活動墩，安裝活動支座。在地震時，活動墩上活動支座能夠自由滑動，無法承擔(dān)地震載荷，連續(xù)梁體的地震力全部由固定墩及墩上的固定支座承受，固定墩和固定支座強度必須非常大。而連續(xù)梁的跨度較長(如大跨度、連續(xù)多跨等情況)時，梁體的重量巨大，固定墩及固定支座結(jié)構(gòu)強度再大也已難以承受連續(xù)梁產(chǎn)生的巨大地震力(慣性力)。同時，活動墩要承擔(dān)梁體的重量和具有一定防撞能力，其自身要有一定的結(jié)構(gòu)強度，因而也有一定的抗震能力，但地震時又不承擔(dān)地震荷載，無法發(fā)揮其抗震能力。

圖6 應(yīng)用普通支座的連續(xù)梁橋梁示意

速度鎖定E型鋼阻尼支座的應(yīng)用可以解決大跨度連續(xù)梁橋梁的抗震難題。速度鎖定E型鋼阻尼支座設(shè)置在連續(xù)梁橋梁的活動墩上(如圖7)，在梁體熱脹冷縮時支座可以自由滑動;在地震工況時，速度鎖定器鎖定支座滑動，活動墩分擔(dān)地震荷載，與固定墩一起協(xié)同抗震。速度鎖定E型鋼阻尼支座鎖定后，由E型鋼阻尼元件承擔(dān)地震荷載，在地震中滯回耗能和減震，進一步減少地震能量。計算分析表明，速度鎖定器的應(yīng)用能使連續(xù)梁固定墩的墩底剪力和彎矩減少40%以上，且連續(xù)梁跨墩越多減震效果越明顯;E型鋼阻尼支座的應(yīng)用能使連續(xù)梁所有橋墩的墩底剪力和彎矩減少20%～40%。速度鎖定器和E型鋼阻尼元件的抗震機理不同，互不干擾，能夠產(chǎn)生乘數(shù)效應(yīng)。由于E型鋼阻尼元件的耗能減震作用，活動墩在滿足豎向承載和防撞的情況下，一般不需另行加強。而固定墩由于速度鎖定E型鋼阻尼支座的復(fù)合抗震作用，地震荷載可以減少50%以上，這些顯著減少了固定墩和固定支座的結(jié)構(gòu)尺寸和強度。速度鎖定E型鋼阻尼支座的應(yīng)用，保證了連續(xù)梁各墩能夠協(xié)同抗震，使橋梁梁體的各部分地震荷載更均衡，有利于減少連續(xù)梁結(jié)構(gòu)尺寸。

圖7 應(yīng)用速度鎖定E型鋼阻尼支座的連續(xù)梁示意

為了說明速度鎖定E型鋼阻尼支座用于橋梁結(jié)構(gòu)后的效果，下面就某3跨連續(xù)梁橋梁進行減(隔)震方案分析，見圖8。該橋設(shè)2個橋墩，邊跨與橋臺相連接。在減(隔)震方案中，左墩(固定墩)設(shè)置具有雙向阻尼器功能的E型鋼固定支座，右墩設(shè)置速度鎖定型E型鋼阻尼支座，邊墩均設(shè)置普通盆式支座。其左、右墩在縱向E型鋼屈服力分別為9 000 kN和6 000 kN。為了與普通盆式支座方案進行比較，也計算了左墩為固定支座而其它墩均為普通盆式支座的方案。地震動峰值加速度為0.2g，Ⅱ類場地。采用Midas/Civil軟件進行非線性時程分析，計算中考慮滑動支座的摩擦，摩擦系數(shù)取0.02。

圖8 橋梁三維模型示意

本文僅給出E2地震作用下的對比結(jié)果。表1給出了設(shè)置速度鎖定E型鋼阻尼支座后和設(shè)置普通盆式支座的對比結(jié)果。在未減震前，左墩(固定墩)承擔(dān)總地震荷載的90%以上，地震荷載分布極不均衡。采用速度鎖定E型鋼阻尼減震支座后，左墩底彎矩減小86%，左墩底剪力減小85.5%;右墩底彎矩增大77%，右墩底剪力增大51%，這是因為活動墩安裝了速度鎖定E型鋼阻尼支座，使活動墩也起到了協(xié)同抗震作用，從而使全橋的受力更為均勻;同時，總體地震響應(yīng)(總體的彎矩和剪力)與未減震時相比也大幅降低，這是因為設(shè)置E型鋼減隔震支座后改變了結(jié)構(gòu)周期，使得結(jié)構(gòu)的總體地震反應(yīng)下降。因此，采用速度鎖定E型鋼阻尼支座的減隔震方案不但能夠充分發(fā)揮活動墩的抗震能力，還降低了整體的地震作用。

表1 E2地震作用下墩底最大內(nèi)力對比

表2給出了在E2地震作用下兩種方案的最大位移對比，主梁位移及支座位移均有所增加，這是因為采用E型鋼阻尼支座方案后降低了整個上部結(jié)構(gòu)的剛度，從而使得空間的變形量增加，符合減隔震“以空間變形換取小的地震作用”的思想。

表2 E2地震作用下最大位移對比 m

總之，采用速度鎖定E型鋼阻尼支座后，通過E型鋼阻尼元件的滯回耗能有效地減少了橋墩承受的彎矩和剪力，降低了墩頂位移。雖然活動墩的彎矩、剪力有所增大，主梁和支座的位移也相應(yīng)增加，但大大減小了固定墩的受力，且充分發(fā)揮了活動墩的抗震能力，取得了良好的減隔震效果。

4 結(jié)語

速度鎖定E型鋼阻尼支座采用一種復(fù)合抗(減)震模式:減震耗能+分散地震能量，開創(chuàng)了一種橋梁支座抗(減)震新模式。

速度鎖定E型鋼支座抗(減)震性能優(yōu)良，能夠有效解決大跨度連續(xù)梁橋梁的抗震難題。

速度鎖定E型鋼阻尼支座在國內(nèi)橋梁已有應(yīng)用案例，這些應(yīng)用案例為此類新型支座在橋梁減震中的應(yīng)用起到了良好的示范作用。

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