用于桥梁减震耗能的金属阻尼器研究进展

谢皓宇

(1.招商局重庆交通科研设计院有限公司， 重庆 400067； 2.重庆大学 土木工程学院， 重庆 400045)

20世纪以来，全球发生了多次大地震，其中破坏性地震都集中在城市，如1976年中国唐山大地震，1994年美国Northridge地震，1995年日本阪神大地震以及2008年中国汶川地震，这几次地震灾害的共同特点是：道路交通中多因桥梁工程遭到严重破坏，切断了震区交通生命线，造成救灾工作的巨大困难，使次生灾害加重，导致了巨大的生命和经济损失[1]。

因此，桥梁工程抗震研究非常重要，而桥梁上部结构发生落梁是桥梁在地震中倒塌的一个主要原因[2]，为此，采用墩梁间带有减震耗能功能的支座或使用阻尼器直接控制大跨度梁桥墩梁间、斜拉桥边墩梁间相对位移成为了一种值得推广的桥梁减隔震体系。另外，桥梁结构抗震设计从基于强度设计发展到延性设计[3]，而基于延性设计的高延性桥梁在遭遇罕遇地震作用后会产生较大残余位移，影响结构的正常使用。因此，目前在混凝土框架建筑领域被广泛应用的金属屈曲约束支撑和带有自复位功能的桥梁减震耗能装置也成为了研究目标之一。

金属阻尼器主要构造为软钢、低屈服点钢材、铅及形状记忆合金等，具有其滞回性能稳定、形式变化多样及成本经济等优点,但目前在我国桥梁工程中，金属阻尼器的运用相对较少。本文将梳理国内使用在桥梁上具有减震耗能功用的金属阻尼器的最新研究进展。

1 传统的墩梁间金属阻尼器

桥梁结构墩梁之间通过支座的连接方式对地震动作用下结构的动力特性有较大影响，因此通常将金属阻尼器、减隔震装置布置在墩梁交接位置，利用动力作用下墩梁间的相对位移使金属材料进入塑性阶段，从而达到消耗地震能量的目的。在各种金属阻尼器形式中，以X形和三角形为基本构件的金属阻尼器，因其具有沿高度范围内全截面屈服耗能的特点，得到了较多的研究与应用。在材料选择上，铅具有最饱满的滞回曲线性能及再结晶的特性，被认为是天然的阻尼器材料，近年来随着国家出台了严格的环保政策和标准，铅剪切阻尼器逐渐被舍弃，软刚和形状记忆合金被作为桥梁结构上用于减震耗能的主流金属阻尼器材料。

1.1 用于横桥向抗震的传统金属阻尼器

沈星等[4-6]提出使用以三角形钢板为基本元件，与滑动支座相组合的新型斜拉桥横向抗震体系，该体系利用滑动支座来承受竖向荷载，同时利用钢阻尼器适应大跨度斜拉桥纵向大变形和横向充分屈服耗能以控制墩梁之间位移和下部结构地震内力。这种横桥向的钢阻尼器具有以下特点：1) 在横桥向减震耗能的同时不影响总桥箱的位移；2) 可以在墩梁间有限空间内安装；3) 地震动作用下传力途径较为可靠；4) 在使用有限元进行动力学分析时可简单地建立本构模型。该体系如图1所示，较全滑动体系其对地震动最大加速度与桥梁所在场地类型的影响敏感性小，减震效果显著。

图1 新型桥梁横向金属阻尼器

基于横向钢阻尼器的新型斜拉桥横向抗震体系一定程度上平衡了横向墩梁相对位移与地震动作用下下部结构的地震力，并承担了主要的横向耗能作用，滑板支座的耗能能力与其相比可忽略不计，且对地震动强度不敏感，从小震到大震的能量耗散均能起到良好的效果。此体系最大的问题在于低周疲劳对其影响还没有具体的探究。

1.2 用于双向抗震的传统金属阻尼器

Wang、李爱群和徐艳红等[7-9]设计了一种E形桥梁支座双向耗能钢阻尼器，如图2所示。该阻尼器解决了目前大部分金属阻尼器均为单向耗能装置的问题，可在横桥向、纵桥向2个方向都起到减震耗能的效果，同时拟静力试验显示其竖向的应变分布也与设计预期相符合。在E形钢阻尼器的基础上，唐志等[10]提出了安装尺寸更小成本更低的ε形双向钢阻尼器-支座系统，不仅能达到类似的减震效果，还能减小墩柱内力和墩梁间的相对位移。刘军等[11]则加入了基于高粘度流体的速度锁定装置，使E形钢阻尼支座系统能够适应桥梁梁体温度变化引起热胀冷缩带动的支座滑移，进一步完善了系统。Atasever和杨红磊等[12-13]提出一种履带式(U形)金属阻尼器用于斜拉桥的减震耗能，如图3所示，并研究了其长度、厚度等物理参数对其抗震性能的影响。

图3 履带式金属阻尼器构造示意

图2 E形阻尼器支座平面示意

孟兮等[14-15]将减震榫引入铁路桥梁抗震体系，材料为软钢。减震榫实际上是一种采用等强度原理设计的钢棒阻尼器，较普通软钢阻尼器不同之处在于，它作为支座系统不仅承受水平荷载，还承担着桥梁正常使用时梁体的水平反力和水平位移的功能，且具有传力路径明确、横向和纵向变形不藕联、易于精细化设计和控制的特点。在此基础上，李爱丽等[16-17]提出了一种新型分离式软钢减震榫的设计，与孟兮等提出的减震榫下端固结、上端以球型铰接方式不同，新型软钢减震榫为上下两端均为固结，根据等强度原理设计，新型减震榫的构型为上下两端较粗，中间较细。2种减震榫的构型如图4所示。

(a) 一端固结一端铰接式减震榫

(b) 两端固结式减震榫示意

Meng等[18]将形状记忆合金为材料的金属阻尼器引入高墩桥梁的抗震研究，并将形状记忆合金和假橡胶金属2种不同特性材料相结合，提高了阻尼器减震性能，解决了形状记忆合金在受压称重能力上的缺陷。Meng等根据中国云南省某座高墩桥设计并组装了等比例模型，在振动台上试验了形状记忆合金阻尼器的抗震性能，结果显示顺桥向的第一模态周期从0.58 s提升到了0.96 s。Meng等认为对高墩桥梁以及大跨度桥梁采用形状记忆合金阻尼器的减震效果非常有效。

2 框架式桥墩间的屈曲约束支撑

屈曲约束支撑，简称BRB(Buckling Restrained Braces)，是一种在拉、压力负载下都能屈服的构件，它由金属制核心受力单元承受拉力，外包约束单元承受压力，不仅可以提升框架支撑体系的稳定性，同时通过内核金属的屈曲滞回性能来实现地震能量的消耗[19]。在框架式桥墩间使用金属屈曲约束支撑，可看作是金属作为阻尼器在加强桥梁横桥向抗震性能上的另一种应用形式。

屈曲约束支撑从建筑领域被延展到混凝土桥梁领域始于2011年。El-Bahey等[20]针对预应力混凝土梁桥设计了一套基于X型钢屈曲约束支撑的加固程序，并以一座双柱墩混凝土梁桥为算例，通过动力分析得到了屈曲约束支撑帮助梁桥在地震作用下的延性位移减小40%的结论。Bazaez等[21]则以一个足尺试验，研究了屈曲约束支撑在拟静力周期荷载作用下对混凝土桥双柱墩墩梁框架滞回性能的影响，其试验设置如图5所示。Li等[22]提出使用形状记忆合金作为屈曲约束支撑的核心构件材料，并研究了其对于桥梁在动力作用下最大位移、残余位移的约束。Wang等[23]利用数值模拟探索了一个三柱墩梁桥使用BRB之后横桥向抗震能力的变化，结果显示BRB帮助桥墩降低了75%的墩顶位移延性比，并避免了落梁的发生。

在国内，谢文等[24]根据“保险丝”抗震设计理念也进行了基于屈曲约束支撑和剪力连杆概念的桥墩设计，结果显示其抗震性能表现良好，并认为可进一步考虑桩-土-结构的相互作用以及地震多点输入对此类结构抗震性能的影响。董慧慧等[25-27]则设计了一套运用于双柱式桥墩结构的自复位耗能支撑SCEB(Self-centering Energy Dissipation Brace)，和BRB相比可减小结构卸载后的残余位移。新型SCEB主要通过BRB和自复位系统分别来实现稳定的耗能能力和良好的自复位功能，其构造如图6所示，试验结果验证了新型SCEB具有稳定的耗能能力并能有效控制残余位移，力-位移滞回曲线呈旗帜形特征。

图6 自复位耗能支撑结构示意

Upadhyay等[28]则在一个三柱墩桥梁算例上，对分别使用BRB和自复位BRB的抗震加固效果进行了研究。结果显示，虽然BRB可极大地消耗地震动能量，并能降低位移延性比的峰值，但系统无法恢复原位，这对大震过后桥梁的修复是个难题。而带有自复位功能的BRB在减震耗能的效果上不及BRB，但能让震后桥墩恢复原位置。

单位：mm

3 结束语

我国部分旧桥在不完善的抗震设计规范时期建设，或没有进行抗震设计，这些桥梁正进入服役寿命的中后期阶段。对这类桥梁抗震性能加固，采用减震耗能良好并经济、简便的金属阻尼器被认为是一个重要的加固手段。本文将金属阻尼器分类为传统墩梁之间的阻尼器以及框架墩间的屈曲约束支撑型阻尼器两大类，梳理了国内外学者的研究进展，主要有以下认识：1) 桥梁抗震设计领域新型金属阻尼器大都是从建筑工程领域已经得到相对成熟应用的技术“移植而来”；2) 针对桥梁抗震主要是下部结构墩柱抗震的特点，学者们将金属阻尼器都做了特定的改造以符合桥梁抗震的特点，从而提升整体的抗震性能；3) 形状记忆合金等新材料的应用是新型金属阻尼器应特别关注的方面。