防落梁油阻尼器設計及工程應用研究[1]

范衛星 郭 迅 劉 洋 張 寶 駱承慧

?

防落梁油阻尼器設計及工程應用研究[1]

范衛星1）郭 迅1）劉 洋2）張 寶1）駱承慧1）

1）防災科技學院，北京 101601 2）中國地震局工程力學研究所，哈爾濱 150080

應用一款自主設計的油阻尼器進行了力學性能及簡支梁橋減振試驗研究。通過用FCS-250kN電液伺服控制作動器對油阻尼器進行加載試驗，得出油阻尼器阻尼系數等參數。試驗結果表明，本試驗所用油阻尼器具有十分理想的速度相關特性，圖形在一定工作速度范圍內呈線性關系，且具有良好的滯回性能。經過與典型實際橋梁的質量、剛度、頻率以及初始阻尼比的組合計算，典型公路、鐵路簡支梁橋安裝本油阻尼器后，在線彈性階段可實現結構總體阻尼比在5%—20%之間可調；在強地震作用下，可實現梁體滑移限位，避免落梁，確保強地震后橋梁的可通行性。因此，油阻尼器在我國中小型簡支梁橋抗震方向具有很大的發展前景。

油阻尼器 防落梁 阻尼系數 作動器 橋梁抗震

前言

破壞性地震對橋梁上部結構的位移震害是極為常見的。這種震害表現為橋梁上部結構發生縱向、橫向和扭轉位移。最為常見的橋梁上部結構震害是縱、橫向位移和落梁。如果能夠防止落梁的發生，將在很大程度上減輕橋梁震害。

在橋梁建設和加固中，能量耗散裝置作為一種新的方法被廣泛應用，其中以油阻尼器改善結構性能最為常見，它可以有效地克服傳統抗震方法的不足和降低結構的造價（聶利英等，2014）。阻尼器技術經過多年發展，已從最初在軍事、機械、宇航等領域的應用逐漸擴展到橋梁建設領域。結構工程用油阻尼器在發展進程中經歷如下3個階段：最初以膠泥為填充材料，稱為第一代黏滯阻尼器；采用各種閥門控制阻尼器參數并使用蓄能器，可稱為第二代阻尼器；最新發展形成的以小孔激流方式控制阻尼器參數的第三代阻尼器（陳永祁等，2014）。近年來第三代油阻尼器在世界結構工程領域取得了飛速的發展，這種結構保護系統在結構工程上的巨大減震作用和經濟性能已經得到抗震工程界廣泛認可（陳永祁等，2012b）。

油阻尼器一般用于大跨度橋梁的減振控制中，主要是在不增加地震力的情況下，有效緩解墩、梁等相對位移較大的問題（焦馳宇等，2009）。目前這項技術在土木工程領域已經進入到規程規范完善及全面推廣實施階段。究其原因，與傳統的加固方案相比，要達到同樣的減震效果，采用油阻尼器作為附加元件，更利于節約成本，減小交通影響，而同時可操作性強（薛恒麗等，2013）。

然而，在我國中小跨度簡支體系橋梁中，油阻尼器消能減震技術的對口應用還是相對較少，因此，研發具有自主知識產權的防落梁油阻尼器具有重大的實際意義和廣闊的應用前景。

1 試驗用油阻尼器構造及其試驗設備

課題組研制團隊成員之一在日本留學期間，在東京工業大學導師指導下，對日本的油阻尼器作了專門調查。參考日本的做法，開發了本文述及的油阻尼器。該油阻尼器構造主要是由桿頭連接耳環、活塞桿、帶孔活塞頭、油缸（被活塞頭分為左油腔和右油腔）、接桿和排氣孔等組成，如圖1（a）所示。本阻尼器的創新點體現在活塞頭上，活塞頭上開有A類（直徑1.0mm）、B類（直徑2.0mm）、C類（直徑3.0mm）三種不同尺寸的通油小孔各4個，這些小孔間隔排列，如圖1（b）所示。通過組合不同種類不同個數的通油小孔，以適應不同阻尼力的設計需求。

（a）油阻尼器內部構造 ??????（b）油阻尼器活塞頭構造

圖1 油阻尼器內部及活塞構造
Fig. 1 Internal structure and piston of oil damper

本阻尼器行程是±50mm。

本試驗中所要用到的設備為FCS-250kN液壓伺服控制系統，其中包括作動器（額定動荷載250kN，附帶位移傳感器和力傳感器）、控制系統及配套電腦，如圖2所示。

（a）FCS液壓伺服作動器 ??????（b）油泵

圖2 FCS液壓伺服控制系統加載裝置
Fig. 2 Loading device of FCS hydraulic servo control system

本文所述油阻尼器消能減震基本原理是小孔通油耗能。具體做法是在阻尼器活塞上開若干細孔，使油通過小孔在活塞左右兩個腔中流動。拉伸時，活塞頭會將油缸中的液壓油從左油腔經由活塞小孔壓到右油腔；壓縮時，活塞會將油缸中的液壓油從右油腔經由活塞小孔壓到左油腔。這樣的往復運動，將外部的機械能轉化成液壓油的內能，通過金屬的外壁再將熱量散發到空氣中，達到耗散外部能量的作用。

2 試驗方案

采用作動器對油阻尼器進行加載，使活塞桿在行程內作往復伸縮運動。加載方式為常幅值三角波加載，位移幅值40mm。通過作動器自帶的位移及力傳感器實時記錄油阻尼器的伸縮位移及阻尼力變化情況，并由相應數據采集系統保存位移及阻尼力數據，試驗時油阻尼器和作動器的安裝情況如圖3所示。

以活塞上不同類型小孔的不同組合形式進行了三種試驗工況。工況一：只打開油阻尼器活塞中4個B類（直徑2.0mm）通油小孔；工況二：只打開2個B類（直徑2.0mm）通油小孔和2個C類（直徑3.0mm）通油小孔；工況三：只打開4個C類（直徑3.0mm）通油小孔。本試驗由于受到實驗室加載裝置及反力裝置條件的限制，在只打開4個A類小孔時，無法進行試驗，故文中工況沒有使用A類小孔，剩余工況將會在實驗室引進新設備后完善。

每個工況按照加載頻率逐級增加的方式分別進行加載，加載頻率分別為0.1Hz、0.2Hz、0.3Hz、0.4Hz、0.5Hz、0.6Hz、0.7Hz、0.8Hz。

3 試驗結果分析

對不同工況的各個加載頻率，記錄其加載頻率與對應阻尼力。作動器在對油阻尼器進行加載時的加載方式為三角波，幅值為40mm，加載頻率逐級增加，由此可通過以下公式換算出作動器加載速率：

=4××（1）

式中，為加載幅值平均值，為加載頻率。作動器在加載時的幅值的輸入值是40mm，但試驗中，隨著加載頻率的增大，由于受到實驗室FCS液壓伺服作動器功能的限制，作動器“犧牲”真實加載行程換取了加載頻率，使其輸出幅值輕微下降，這導致不同工況下，即使加載頻率相同，換算后的加載速率存在細微差別。

由表1中試驗數據，繪制出阻尼力-加載速率關系曲線（-曲線），見圖4。從圖中可以看出，油阻尼器阻尼力與其加載速率近似呈線性關系。用最小二乘法擬合曲線為一直線，即該油阻尼器出力性能為=，其中為阻尼力，為加載速率，為阻尼系數。計算工況一、二、三下其阻尼系數分別為6.28×105N/m/s，3.18×105N/m/s，1.64×105N/m/s。由此可知活塞孔開孔面積越大，其阻尼系數越小。

表1 各工況下油阻尼器加載速率及阻尼力 Table 1 Loading rate and damping force of oil damper under different working conditions

續表

工況一工況二工況三加載頻率f/Hz加載速率V/(mm/s)阻尼力F/kN加載速率V/(mm/s)阻尼力F/kN加載速率V/(mm/s)阻尼力F/kN 0.348.032.746.817.047.011.9 0.462.441.161.621.462.413.9 0.576.050.476.026.877.015.8 0.691.261.191.231.592.418.2 0.7103.671.7106.436.5103.620.5 0.8105.674.7111.039.3105.621.4

限于本文篇幅，目前只對該油阻尼器的以上三個工況進行試驗描述。

4 工程應用研究

結合工程實例，利用以上測試的油阻尼器性能，分析工程實例安裝該油阻尼器后對其抗震特性的影響。本文選取《中華人民共和國交通行業公路橋涵通用圖》中標準跨徑為20m單片T梁（簡支梁）為研究對象。

介紹T梁參數：

某橋為四梁式雙車道簡支梁橋，標準跨徑=20m，計算跨徑=19.5m，常遇荷載與偶遇荷載分別以汽車-15級和掛車-80級進行計算（中交公路規劃設計院，2015），T梁跨中橫斷面如圖5所示。上部結構恒載反力N=190kN，汽車與人群荷載最大反力N=132.6kN，掛車荷載最大反力N=245.6kN，主梁計算溫度差D=35℃（范立礎，1997）。

選取板式橡膠支座為單片T梁支座，為橋梁在外荷載作用下發生位移后提供彈性恢復力。經支座選配，板式橡膠規格定為GJZ200×200×35，滿足支座偏移驗算及抗滑性能驗算。其中1個該規格板式橡膠支座水平側向剛度為1.8kN/mm，而一片T梁采用2個板式橡膠支座，提供水平側向剛度為3.6kN/mm。

由于本文主要研究設置油阻尼器對簡支梁橋抗震性能的影響，而一般橋墩側向剛度較板式橡膠支座側向剛度大兩三個數量級，因此在討論T梁系統地震響應時為減小計算量，忽略橋墩的變形。把單片T梁、油阻尼器及相應板式橡膠支座近似構成單自由度粘彈性阻尼系統（此處不考慮橋墩的變形影響）。得到公式（2）所表示的橋梁地震響應分析模型：

加入油阻尼器后，公式（2）中質量矩陣和剛度矩陣保持不變，阻尼矩陣變為原來由橋梁自身因材料變形的阻尼與油阻尼器提供的附加阻尼的疊加。總體而言，結構地震響應總是因阻尼的增加而減小。

接下來將以單片20m標準跨徑T梁安裝2個板式橡膠支座和4個防落梁油阻尼器為研究內容，分析下列工況，如表2所示。

表2 單片20m標準跨徑T梁安裝油阻尼器工況匯總 Table 2 Summary of working conditions of oil damper installed on the Single 20m standard span T beam

綜合分析以上三種工況下，單片20m跨徑T梁在各加載頻率下（振幅40mm）的振動滯回特性。其中部分滯回耗能分析如圖6所示。

（a）工況一，頻率0.5Hz，位移±40mm （b）工況三，頻率0.5Hz，±40mm

圖6 模擬單片T梁的滯回曲線
Fig. 6 Hysteretic curves of a single T beam

可以看出，當單自由度結構阻尼比為2%時，結構位移從最大值自由衰減一半需要5個周期，而當阻尼比為5%時，只需要2個周期，由于橋梁地震響應就是這些隨時間衰減的脈沖響應函數與地震波的卷積的結果，所以阻尼的增加可顯著減小橋梁地震響應。當考慮橋梁彈性階段的地震響應時，橋梁自身的阻尼比約為2%，與安裝油阻尼器后增加的附加阻尼（以5%計）疊加后達到7%。從圖8顯示的地震反應譜（El Centro地震波）中可以讀出，橋梁地震響應歸一化最大值從0.38減至0.23，相當于地震響應減少40%。

5 結論

本文應用一款自主設計的油阻尼器進行了力學性能及簡支梁橋減振試驗研究，得出如下結論：

（1）通過大量的試驗數據分析，得出該油阻尼器所提供的阻尼器出力與加載速率呈現出較理想的線性關系，與我們最初的期望不謀而合。這樣為實際工程的應用，無論是分析還是設計，都提供了極大的便利。

（2）油阻尼器通過組合設置在活塞頭上的不同種類和不同數量通油小孔來調節總通油孔面積的大小，可以根據工程需要作出匹配的小孔組合，以適用不同工程對阻尼器阻尼系數及最大出力的需求。

（3）將本文中防落梁油阻尼器與20m標準跨徑T梁結合，組成粘彈性阻尼系統，對該系統進行抗力滯回曲線的分析研究表明，該油阻尼器可為系統提供5%—20%的附加阻尼，單對提供5%的附加阻尼進行分析便可知道，作用在簡支體系橋梁上的地震力減少了40%，合理布置可以使橋梁地震力（主要是墩身剪力）降低50%左右，同時還能起到防落梁的作用。

（4）該款油阻尼器還需要進行下一步的試驗，嘗試找出活塞孔不同組合形式對油阻尼器性能影響的具體規律，以及其耐久性、溫度適用性等特性。

因此，這種防落梁油阻力器在我國中小跨簡支梁抗震上有很廣闊的應用前景。

陳永祁，2012a．橋梁工程液體黏滯阻尼器設計與施工．北京：中國鐵道出版社．

陳永祁，曹鐵柱，馬良喆，2012b．液體粘滯阻尼器在超高層結構上的抗震抗風效果和經濟分析．土木工程學報，45（3）：58—66．

陳永祁，馬良喆，2014．粘滯阻尼器在實際工程應用中相關問題討論．工程抗震與加固改造，36（3）：7—13．

范立礎，1997．橋梁抗震．上海：同濟大學出版社．

焦馳宇，李建中，彭天波，2009．塔梁連接方式對大跨斜拉橋地震反應的影響．振動與沖擊，28（10）：179—183.

聶利英，朱宗景，潘哲，劉群，2014．某特大斜拉橋液體黏滯阻尼器抗震參數選擇．江南大學學報（自然科學版），13（2）：196—200．

薛恒麗，秦志源，2013．液體粘滯阻尼器在市政橋梁抗震加固中的優化研究．第22屆全國結構工程學術會議．

中交公路規劃設計院，2015．公路橋涵設計通用規范（JTG D60-2015）．北京：人民交通出版社.

The Design and Engineering Application of Unseating Prevention Oil Damper

Fan Weixing1)，Guo Xun1)，Liu Yang2)and Luo Chenghui1)

1）Institute of Disaster Prevention, Beijing 101601，China 2）Institute of Engineering Mechanics, China Earthquake Administration，Harbin 150080，China

Experimental study on mechanical properties and vibration reduction test of a simple supported beam bridge with a self-designed oil damper are conducted. By using the FCS-250kN electro hydraulic servo control actuator to test the oil damper, the damping coefficient and other parameters of the damper are obtained. The experimental results show that the oil damper has a very good velocity-dependent characteristic as well as good hysteresis characteristics, and itsgraphics in a certain range of working speed is linear. Through the combined calculation of the mass, stiffness, frequency and initial damping ratio of typical of actual bridge, the structure damping ratio of the typical highway, railway simply supported beam bridge can achieve and can be adjusted between 5%～20% in the linear elastic stage after installing the oil damper. It is capable of limiting beams’ displacement and preventing the girders from falling off their supports and to ensuring the bridges’ traversability after a strong earthquake. Therefore, the oil damper has a great development prospect in the earthquake resistant of the small-and medium-sized simply supported beam bridge in China.

Oil damper; Unseating prevention; Damping coefficient；Actuator；Bridge earthquake resistance

范衛星，郭迅，劉洋，張寶，駱承慧，2016．防落梁油阻尼器設計及工程應用研究．震災防御技術，11（1）：86—92．

doi：10.11899/zzfy20160109