橋梁弧形鋼阻尼裝置與工程應(yīng)用

楊 俊，高 昊，錢云峰

（1.上海材料研究所，上海市 200437；2.中交路橋建設(shè)有限公司，北京市 100027；3.上海上材減振科技有限公司，上海市 200437；4.上海消能減震工程技術(shù)研究中心，上海市 200437）

0 引 言

橫向減震體系相比于傳統(tǒng)的固定約束體系，在上部結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點位移控制在可接受范圍內(nèi)的情況下，能夠有效減小通過支承連接處傳遞至下部結(jié)構(gòu)的慣性力，降低相關(guān)地震需求，是一種較為合理的抗震體系。數(shù)值模擬和振動臺試驗表明，以彈塑性鋼阻尼裝置為代表的這種橫向減震體系在懸索橋[1]、斜拉橋[2，3]、拱橋[4]和梁式橋[5]中均可取得較好的控制效果。鋼阻尼裝置類型中，較為常見的阻尼元件形式有柱形、三角形、E（ε 或m）形、C（Ω）形等。如圖1（a）所示，以柱形[6]、三角形[7]阻尼元件為代表的鋼阻尼裝置，一般通過預(yù)留滑道的方式適應(yīng)橋梁上部結(jié)構(gòu)沿順橋向的活動位移（如溫度作用下的伸縮位移），該裝置在使用時，頂?shù)装逍璺謩e與主梁和墩頂進行連接。如圖1（b）所示，以E（ε 或m）形、C（Ω）形[8]元件為代表的鋼阻尼裝置，一般需要通過設(shè)置附加的滑塊和滑槽構(gòu)造以適應(yīng)前述活動位移，該裝置在使用時，裝置可向外懸出一部分，因此相關(guān)空間需求小于棒形、三角形等情況，但這種形式使得裝置本身重量分布不均，對附加的滑槽和滑塊的滑動性能提出了挑戰(zhàn)。

圖1 常見的鋼阻尼裝置構(gòu)造

本文針對上述問題，在保證附屬構(gòu)造滑動性能可控的前提下，進一步利用懸出式裝置的空間優(yōu)勢，提出一種具備多項技術(shù)優(yōu)勢的橋梁弧形鋼阻尼裝置[9]。下文從構(gòu)造形式、技術(shù)優(yōu)勢、試驗驗證與工程應(yīng)用多個方面對本文的鋼阻尼裝置進行詳細的介紹。

1 構(gòu)造形式

如圖2 所示，弧形鋼阻尼裝置依次由主梁連接板、弧形阻尼元件、輔助推力箱、助推銷、導(dǎo)向滑塊和導(dǎo)向滑槽以及墩頂連接板等部件組成。其中以交叉疊置的弧形阻尼元件為主體，構(gòu)成阻尼模塊；以導(dǎo)向滑塊和導(dǎo)向滑槽為主體，構(gòu)成運營模塊。裝置在應(yīng)用時，輔助推力箱和主梁連接板同時和橋梁上部結(jié)構(gòu)進行連接，在橋梁結(jié)構(gòu)正常使用狀態(tài)下，輔助推力箱通過助推銷和弧形阻尼元件共同傳動運營模塊的主體部件導(dǎo)向滑塊沿導(dǎo)向滑槽滑動。由于有雙重傳力路徑的保證，該裝置在日常運營過程中，滑動功能更加穩(wěn)定可控。地震作用下，助推銷可以迅速發(fā)生指定模式的剪斷破壞，此時裝置與橋梁結(jié)構(gòu)的有效連接分別為墩頂連接板和主梁連接板，阻尼模塊中的主體部件弧形阻尼元件可以按照指定模式發(fā)生變形，提供阻尼力。關(guān)于地震作用下裝置的減震消能效果，后文將通過弧形阻尼元件的足尺試驗進一步論證。

圖2 弧形鋼阻尼裝置構(gòu)造

2 技術(shù)優(yōu)勢

本文提出的新型弧形鋼阻尼裝置，與現(xiàn)有的鋼阻尼裝置相比，具有以下技術(shù)特征和技術(shù)優(yōu)勢：

（1）功能可控，具體體現(xiàn)在以下兩個方面：

a. 日常狀態(tài)下，運營模塊的滑動功能可控，這一點通過雙重傳力路徑得到保證，相關(guān)傳力路徑示意見圖3。

圖3 雙重傳力路徑示意

b. 地震作用下，阻尼模塊的減震功能可控，弧形阻尼元件發(fā)生指定模式的變形時，力學(xué)模型為一變截面曲梁，通過平面內(nèi)受彎模式提供相應(yīng)的阻尼力。

（2）空間節(jié)省，具體體現(xiàn)在以下兩個方面：

a. 懸出的構(gòu)造形式，使得鋼阻尼裝置大部分懸空設(shè)置，很大程度減少了像柱形、三角板形一類鋼阻尼裝置必須在墩頂投影空間范圍內(nèi)進行安裝的空間限制。

b. 弧形阻尼元件交叉疊放，相較于傳統(tǒng)的E（ε或m）形、C（Ω）形阻尼元件，該種疊放形式最大程度減小了平面占用空間，為高烈度地區(qū)特大橋梁大噸位阻尼力的減震技術(shù)實現(xiàn)提供可能。

（3）成本優(yōu)勢明顯。本文提出的新型弧形鋼阻尼裝置造價相對較為經(jīng)濟，原因有二：

a. 本文的弧形阻尼元件不存在類似于E（ε 或m）形的邊肢或中間肢，全部節(jié)段參與耗能，其理論材料用量最為節(jié)省。

b. 弧形阻尼元件的加工制作可以直接在鋼板上裁切進行，不同于柱形阻尼元件的鍛造工藝，技術(shù)工藝要求較低；同時受益于弧形阻尼元件的線形，各弧形阻尼元件可在鋼板內(nèi)相互交叉裁切，邊角廢料相對較少，板材的使用率相對較高。

（4）可修可換性強。新型弧形鋼阻尼裝置基于模塊化的設(shè)計思想進行設(shè)計，阻尼元件分別通過螺栓與連接部件進行連接，包括運營模塊中的助推銷等構(gòu)造，可拆卸程度均較高，方便日常運營維修和震后更換。

3 試驗驗證

針對前文提到的弧形鋼阻尼裝置，我方設(shè)計了設(shè)計位移為±305 mm、設(shè)計阻尼力為192 kN 的弧形鋼阻尼元件，并完成了其足尺試驗。試驗參考《公路橋梁彈塑性鋼減震支座》[10]中的加載要求進行，分別進行了0.25 倍、0.5 倍、1.0 倍和1.2 倍設(shè)計位移4 個工況的加載，試驗過程中部分照片見圖4。

圖4 試驗中的弧形鋼阻尼元件

四個工況下測得的阻尼元件的力- 位移曲線關(guān)系見圖5。由圖5 可知，阻尼元件力-位移曲線飽滿，具有良好的滯回耗能特性。

圖5 四種工況下的力- 位移曲線

4 工程應(yīng)用

本文提出的弧形鋼阻尼裝置在國內(nèi)某斜拉橋的邊墩及輔助墩中得到應(yīng)用，用于橫橋向的震動控制，提高大橋的抗震性能，相關(guān)應(yīng)用情況見圖6。截至目前，該裝置功能表現(xiàn)良好。

圖6 本文所涉的弧形鋼阻尼裝置在某大橋中的應(yīng)用情況

5 結(jié) 論

本文結(jié)合各種橋梁用鋼阻尼裝置的特點，提出了一種新型弧形鋼阻尼裝置，并從構(gòu)造形式、技術(shù)優(yōu)勢、足尺阻尼元件試驗以及工程應(yīng)用等情況進行了較為系統(tǒng)的介紹，主要結(jié)果和結(jié)論如下：

（1）本文提出的弧形鋼阻尼裝置由運營模塊和阻尼模塊兩部分組成，具備雙重傳力路徑保證運營模塊滑移功能的穩(wěn)定性，從而滿足橋梁結(jié)構(gòu)正常使用狀態(tài)下需適應(yīng)結(jié)構(gòu)沿指定方向的活動位移的目標需求。

（2）本文提出的弧形鋼阻尼裝置由于懸出式的結(jié)構(gòu)設(shè)計形式以及阻尼元件交叉疊放的布設(shè)方式，使得該裝置的空間普適性和工程實踐性較強。同時得益于弧形元件全部節(jié)段參與阻尼變形，且生產(chǎn)加工過程中對板材的利用率較高，使其又具備明顯的成本優(yōu)勢。

（3）針對本文裝置阻尼模塊中的弧形阻尼元件，本文開展了足尺模型試驗。試驗結(jié)果表明，弧形鋼阻尼具有良好的滯回耗能特性，可以為橋梁減震控制提供有效的技術(shù)解決途徑。最后結(jié)合國內(nèi)某斜拉橋，介紹了該裝置的工程實踐情況，為后續(xù)橋梁減震設(shè)計提供案例借鑒。