谈液压阻尼装置在高震区桥梁工程中的应用

黄海霞

(闻垣高速公路建设管理处，山西运城 044000)

桥梁结构振动控制系统是近二、三十年人类对提高建筑物及桥梁抗震能力取得的最显著的成果，它跳出了传统增强梁、柱、墩、塔提高抗震能力的观念，结合结构的动力性能，巧妙地避免或减少了地震以及其他振动对建筑、桥梁、铁路的破坏。

1 国外阻尼器应用状况

近20年来，用于桥梁的减震装置有了很大发展，在国际上迅速发展并被广泛接受的减震装置包括液体粘滞阻尼器、金属摩擦摆和铅芯橡胶抗震支座。到目前为止，已经有5种不同类型的液体粘滞阻尼器在桥梁工程中得到运用，即锁定装置、液体粘滞阻尼器、熔断液体粘滞阻尼器、限位阻尼器和摩擦型液体阻尼器。

常用结构的减震系统主要有以下几种(见表1)。

大量国内外文献研究表明，大跨度桥梁结构的塔(墩)、梁之间的连接方式对桥梁结构的静力和动力性能有很大的影响。桥墩的受力很大程度上取决于墩、梁之间的连接方式，而边墩的受力也很大程度上取决于边墩、梁连接方式。因此，对于大跨度桥梁结构，墩、梁，边墩、梁之间的合理连接方式应满足以下要求:

1)温度荷载作用下，梁、墩之间纵桥向的约束很弱，以减小墩的温度应力;

2)汽车活荷载作用下，梁、墩之间有较强的约束，以提高桥梁结构的总体刚度;

3)汽车活荷载和地震作用下，墩、梁之间的约束可以提供较大的阻尼，以减小墩的动力荷载。

表1 桥梁结构控制系统

要满足以上要求，墩、梁之间的联结就不能简单地采用滑动或固结的连接方式，而采用合理设计的液压阻尼装置的连接方式可以满足以上要求。

国外，对于梁塔(墩)之间采用液压阻尼器的连接方式进行了许多研究，并已用于实际桥梁，如希腊科林斯海峡的雷翁—安蒂雷翁大桥(Rion-Antirion Bridge，见图1)，就采用了液压阻尼器，如图2所示。美国D.S.TechStar，Taylor(泰勒)等公司针对桥梁结构开发了一系列液压阻尼器产品。

2 国内阻尼器应用状况

我国的重庆鹅公岩大桥、上海卢浦大桥、武汉天兴洲长江大桥、武汉阳逻大桥也采用了液压阻尼器。已建成的南京长江三桥、苏通长江公路大桥安装了美国泰勒公司生产的大吨位液压阻尼器。经过几十年发展起来的阻尼器基本构成为单出杆阻尼器和双出杆阻尼器。

图1 雷翁—安蒂雷翁大桥

图2 塔、梁连接处设置阻尼器

对油阻尼器而言，最初发展阶段，几乎都设有外置油库。图3～图7分别为Mauler，FIP，Alga，Taylor等阻尼器厂家的阻尼器图片。

20世纪80年代以后，国外一些阻尼器生产厂家将用在其他领域的双出杆阻尼器引到结构工程阻尼器中应用，这种双出杆并没有油库的阻尼器也就开始被大力推广使用。图8为武汉天兴洲长江大桥上所采用的Alga公司生产的双出杆式液压阻尼器。表2为国内外几座桥上的阻尼器设计参数。

半个世纪以来，液压阻尼器所使用的材料和加工技术的主要发展是:

1)采用特制硅油取代温度稳定性能差的硅胶;

图3 Mauler阻尼器

图4 FIP阻尼器

图5 Alga阻尼器

图6 Enidine阻尼器

图7 美国Taylor阻尼器

图8 天兴洲大桥上的Alga阻尼器

表2 国内外几座桥上的阻尼器设计参数

2)高度密封技术的完善;

3)活塞孔设计改进，确保非线性阻尼器的速度只是能在一定范围内自由选择;

4)单出活塞杆改进为双出杆，提高稳定性。

对于液压阻尼器，阻尼器装置因其反力与速度成比例，因此其技术指标为:

1)阻尼装置在温度蠕变变形下的抗力接近于零。

2)在动力荷载作用下(汽车制动力、地震荷载等)，当塔梁相对位移达到最大变形时，阻尼器的阻尼力最小，接近于零;在塔、梁相对位移最小时(塔、梁墩相对变形速度最大时)，阻尼器阻尼力达到最大。

目前常用的液压阻尼器从力学特性划分主要有线性的和非线性粘滞阻尼器。其恢复力特性可用式(1)表示:

液压阻尼器恢复力特性主要由阻尼系数、指数系数确定，根据大跨度桥梁在温度、汽车制动力及地震荷载作用下的受力特性，研究阻尼系数、指数系数的合理取值及大吨位液压阻尼装置的构造对于大跨度桥梁的建造具有重大的现实意义。研究分析表明:在综合考虑液压阻尼器的耗能特性及桥梁结构的动力特性后，系数值一般在0.3～0.5之间时耗能效果较好。

阻尼器设计过程中，参数优化的目标应该是整个桥梁结构的反应，而不是单个阻尼器的简单耗能曲线。很多阻尼器的优化结果都表明，综合各项指标，其结构反应的最好状态并不是阻尼器的速度指数最小，如苏通大桥为α=0.4;而西堠门大桥为α=1。该速度指数参数为优化的目标函数为桥梁结构的综合结构反应。

3 未来阻尼器发展趋势

在现有技术中，应用于桥梁工程结构中的减震装置有多种类型，如金属阻尼器、摩擦阻尼器、粘滞阻尼器、粘弹性阻尼器、复合阻尼器等，近几年液压阻尼器在大跨度桥梁结构抗震中得到了越来越多的应用。液压阻尼器具有阻尼效率高、易于实现大吨位装置、体积小、极小的静力刚度等优点，但在国内研究起步较晚，液压阻尼器的阻尼阀仍然为一般的斜面锥体阀，核心技术呈不公开状态，相关性可参阅的技术资料有限，经过调研发现:目前国内市场上液压阻尼器的缺陷如下:

1)可承压吨位小、阻尼作用力小、行程小;

2)速度指数不可调;

3)密封措施差，阻尼器漏油。

因此，针对大跨桥梁连接位置在温度荷载及地震荷载作用下的阻尼器要求，有必要研发具有自主知识产权的大行程、高吨位的液压阻尼装置，并对其进行深入分析和探讨，掌握其具有核心竞争力的技术和方法，使之实现阻尼作用吨位大，阻尼效果好，耐久性好等优点，并对桥梁在地震动荷载作用下的阻尼器设计参数进行优化设计，实现阻尼器的各项基本参数的可调性。

［1］ 王天亮.大跨度斜拉桥地震反应分析及减震技术研究［D］.上海:同济大学硕士学位论文，2007.

［2］ 王天亮.液压阻尼装置在斜拉桥抗震设计中的应用研究［J］.桥梁建设，2009(2):72-77.

［3］ 强士中.桥梁工程［M］.北京:高等教育出版社，2004.