防落梁油阻尼器設(shè)計(jì)及工程應(yīng)用研究[1]

范衛(wèi)星 郭 迅 劉 洋 張 寶 駱承慧

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防落梁油阻尼器設(shè)計(jì)及工程應(yīng)用研究[1]

范衛(wèi)星1）郭 迅1）劉 洋2）張 寶1）駱承慧1）

1）防災(zāi)科技學(xué)院，北京 101601 2）中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所，哈爾濱 150080

應(yīng)用一款自主設(shè)計(jì)的油阻尼器進(jìn)行了力學(xué)性能及簡(jiǎn)支梁橋減振試驗(yàn)研究。通過(guò)用FCS-250kN電液伺服控制作動(dòng)器對(duì)油阻尼器進(jìn)行加載試驗(yàn)，得出油阻尼器阻尼系數(shù)等參數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果表明，本試驗(yàn)所用油阻尼器具有十分理想的速度相關(guān)特性，圖形在一定工作速度范圍內(nèi)呈線性關(guān)系，且具有良好的滯回性能。經(jīng)過(guò)與典型實(shí)際橋梁的質(zhì)量、剛度、頻率以及初始阻尼比的組合計(jì)算，典型公路、鐵路簡(jiǎn)支梁橋安裝本油阻尼器后，在線彈性階段可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)總體阻尼比在5%—20%之間可調(diào)；在強(qiáng)地震作用下，可實(shí)現(xiàn)梁體滑移限位，避免落梁，確保強(qiáng)地震后橋梁的可通行性。因此，油阻尼器在我國(guó)中小型簡(jiǎn)支梁橋抗震方向具有很大的發(fā)展前景。

油阻尼器 防落梁 阻尼系數(shù) 作動(dòng)器 橋梁抗震

前言

破壞性地震對(duì)橋梁上部結(jié)構(gòu)的位移震害是極為常見(jiàn)的。這種震害表現(xiàn)為橋梁上部結(jié)構(gòu)發(fā)生縱向、橫向和扭轉(zhuǎn)位移。最為常見(jiàn)的橋梁上部結(jié)構(gòu)震害是縱、橫向位移和落梁。如果能夠防止落梁的發(fā)生，將在很大程度上減輕橋梁震害。

在橋梁建設(shè)和加固中，能量耗散裝置作為一種新的方法被廣泛應(yīng)用，其中以油阻尼器改善結(jié)構(gòu)性能最為常見(jiàn)，它可以有效地克服傳統(tǒng)抗震方法的不足和降低結(jié)構(gòu)的造價(jià)（聶利英等，2014）。阻尼器技術(shù)經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，已從最初在軍事、機(jī)械、宇航等領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸擴(kuò)展到橋梁建設(shè)領(lǐng)域。結(jié)構(gòu)工程用油阻尼器在發(fā)展進(jìn)程中經(jīng)歷如下3個(gè)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(shù)并使用蓄能器，可稱為第二代阻尼器；最新發(fā)展形成的以小孔激流方式控制阻尼器參數(shù)的第三代阻尼器（陳永祁等，2014）。近年來(lái)第三代油阻尼器在世界結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域取得了飛速的發(fā)展，這種結(jié)構(gòu)保護(hù)系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)工程上的巨大減震作用和經(jīng)濟(jì)性能已經(jīng)得到抗震工程界廣泛認(rèn)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(duì)位移較大的問(wèn)題（焦馳宇等，2009）。目前這項(xiàng)技術(shù)在土木工程領(lǐng)域已經(jīng)進(jìn)入到規(guī)程規(guī)范完善及全面推廣實(shí)施階段。究其原因，與傳統(tǒng)的加固方案相比，要達(dá)到同樣的減震效果，采用油阻尼器作為附加元件，更利于節(jié)約成本，減小交通影響，而同時(shí)可操作性強(qiáng)（薛恒麗等，2013）。

然而，在我國(guó)中小跨度簡(jiǎn)支體系橋梁中，油阻尼器消能減震技術(shù)的對(duì)口應(yīng)用還是相對(duì)較少，因此，研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的防落梁油阻尼器具有重大的實(shí)際意義和廣闊的應(yīng)用前景。

1 試驗(yàn)用油阻尼器構(gòu)造及其試驗(yàn)設(shè)備

課題組研制團(tuán)隊(duì)成員之一在日本留學(xué)期間，在東京工業(yè)大學(xué)導(dǎo)師指導(dǎo)下，對(duì)日本的油阻尼器作了專門調(diào)查。參考日本的做法，開(kāi)發(fā)了本文述及的油阻尼器。該油阻尼器構(gòu)造主要是由桿頭連接耳環(huán)、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(chuàng)新點(diǎn)體現(xiàn)在活塞頭上，活塞頭上開(kāi)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(gè)，這些小孔間隔排列，如圖1（b）所示。通過(guò)組合不同種類不同個(gè)數(shù)的通油小孔，以適應(yīng)不同阻尼力的設(shè)計(jì)需求。

（a）油阻尼器內(nèi)部構(gòu)造 ??????（b）油阻尼器活塞頭構(gòu)造

圖1 油阻尼器內(nèi)部及活塞構(gòu)造
Fig. 1 Internal structure and piston of oil damper

本阻尼器行程是±50mm。

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

（a）FCS液壓伺服作動(dòng)器 ??????（b）油泵

圖2 FCS液壓伺服控制系統(tǒng)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(kāi)若干細(xì)孔，使油通過(guò)小孔在活塞左右兩個(gè)腔中流動(dòng)。拉伸時(shí)，活塞頭會(huì)將油缸中的液壓油從左油腔經(jīng)由活塞小孔壓到右油腔；壓縮時(shí)，活塞會(huì)將油缸中的液壓油從右油腔經(jīng)由活塞小孔壓到左油腔。這樣的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，將外部的機(jī)械能轉(zhuǎn)化成液壓油的內(nèi)能，通過(guò)金屬的外壁再將熱量散發(fā)到空氣中，達(dá)到耗散外部能量的作用。

2 試驗(yàn)方案

采用作動(dòng)器對(duì)油阻尼器進(jìn)行加載，使活塞桿在行程內(nèi)作往復(fù)伸縮運(yùn)動(dòng)。加載方式為常幅值三角波加載，位移幅值40mm。通過(guò)作動(dòng)器自帶的位移及力傳感器實(shí)時(shí)記錄油阻尼器的伸縮位移及阻尼力變化情況，并由相應(yīng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)保存位移及阻尼力數(shù)據(jù)，試驗(yàn)時(shí)油阻尼器和作動(dòng)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(jìn)行了三種試驗(yàn)工況。工況一：只打開(kāi)油阻尼器活塞中4個(gè)B類（直徑2.0mm）通油小孔；工況二：只打開(kāi)2個(gè)B類（直徑2.0mm）通油小孔和2個(gè)C類（直徑3.0mm）通油小孔；工況三：只打開(kāi)4個(gè)C類（直徑3.0mm）通油小孔。本試驗(yàn)由于受到實(shí)驗(yàn)室加載裝置及反力裝置條件的限制，在只打開(kāi)4個(gè)A類小孔時(shí)，無(wú)法進(jìn)行試驗(yàn)，故文中工況沒(méi)有使用A類小孔，剩余工況將會(huì)在實(shí)驗(yàn)室引進(jìn)新設(shè)備后完善。

每個(gè)工況按照加載頻率逐級(jí)增加的方式分別進(jìn)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(yàn)結(jié)果分析

對(duì)不同工況的各個(gè)加載頻率，記錄其加載頻率與對(duì)應(yīng)阻尼力。作動(dòng)器在對(duì)油阻尼器進(jìn)行加載時(shí)的加載方式為三角波，幅值為40mm，加載頻率逐級(jí)增加，由此可通過(guò)以下公式換算出作動(dòng)器加載速率：

=4××（1）

式中，為加載幅值平均值，為加載頻率。作動(dòng)器在加載時(shí)的幅值的輸入值是40mm，但試驗(yàn)中，隨著加載頻率的增大，由于受到實(shí)驗(yàn)室FCS液壓伺服作動(dòng)器功能的限制，作動(dòng)器“犧牲”真實(shí)加載行程換取了加載頻率，使其輸出幅值輕微下降，這導(dǎo)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(xì)微差別。

由表1中試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制出阻尼力-加載速率關(guān)系曲線（-曲線），見(jiàn)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(guān)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(shù)。計(jì)算工況一、二、三下其阻尼系數(shù)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(kāi)孔面積越大，其阻尼系數(shù)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(xù)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(duì)該油阻尼器的以上三個(gè)工況進(jìn)行試驗(yàn)描述。

4 工程應(yīng)用研究

結(jié)合工程實(shí)例，利用以上測(cè)試的油阻尼器性能，分析工程實(shí)例安裝該油阻尼器后對(duì)其抗震特性的影響。本文選取《中華人民共和國(guó)交通行業(yè)公路橋涵通用圖》中標(biāo)準(zhǔn)跨徑為20m單片T梁（簡(jiǎn)支梁）為研究對(duì)象。

介紹T梁參數(shù)：

某橋?yàn)樗牧菏诫p車道簡(jiǎn)支梁橋，標(biāo)準(zhǔn)跨徑=20m，計(jì)算跨徑=19.5m，常遇荷載與偶遇荷載分別以汽車-15級(jí)和掛車-80級(jí)進(jìn)行計(jì)算（中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院，2015），T梁跨中橫斷面如圖5所示。上部結(jié)構(gòu)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(jì)算溫度差D=35℃（范立礎(chǔ)，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(fā)生位移后提供彈性恢復(fù)力。經(jīng)支座選配，板式橡膠規(guī)格定為GJZ200×200×35，滿足支座偏移驗(yàn)算及抗滑性能驗(yàn)算。其中1個(gè)該規(guī)格板式橡膠支座水平側(cè)向剛度為1.8kN/mm，而一片T梁采用2個(gè)板式橡膠支座，提供水平側(cè)向剛度為3.6kN/mm。

由于本文主要研究設(shè)置油阻尼器對(duì)簡(jiǎn)支梁橋抗震性能的影響，而一般橋墩側(cè)向剛度較板式橡膠支座側(cè)向剛度大兩三個(gè)數(shù)量級(jí)，因此在討論T梁系統(tǒng)地震響應(yīng)時(shí)為減小計(jì)算量，忽略橋墩的變形。把單片T梁、油阻尼器及相應(yīng)板式橡膠支座近似構(gòu)成單自由度粘彈性阻尼系統(tǒng)（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(yīng)分析模型：

加入油阻尼器后，公式（2）中質(zhì)量矩陣和剛度矩陣保持不變，阻尼矩陣變?yōu)樵瓉?lái)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(jié)構(gòu)地震響應(yīng)總是因阻尼的增加而減小。

接下來(lái)將以單片20m標(biāo)準(zhǔn)跨徑T梁安裝2個(gè)板式橡膠支座和4個(gè)防落梁油阻尼器為研究?jī)?nèi)容，分析下列工況，如表2所示。

表2 單片20m標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)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(dāng)單自由度結(jié)構(gòu)阻尼比為2%時(shí)，結(jié)構(gòu)位移從最大值自由衰減一半需要5個(gè)周期，而當(dāng)阻尼比為5%時(shí)，只需要2個(gè)周期，由于橋梁地震響應(yīng)就是這些隨時(shí)間衰減的脈沖響應(yīng)函數(shù)與地震波的卷積的結(jié)果，所以阻尼的增加可顯著減小橋梁地震響應(yīng)。當(dāng)考慮橋梁彈性階段的地震響應(yīng)時(shí)，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(jì)）疊加后達(dá)到7%。從圖8顯示的地震反應(yīng)譜（El Centro地震波）中可以讀出，橋梁地震響應(yīng)歸一化最大值從0.38減至0.23，相當(dāng)于地震響應(yīng)減少40%。

5 結(jié)論

本文應(yīng)用一款自主設(shè)計(jì)的油阻尼器進(jìn)行了力學(xué)性能及簡(jiǎn)支梁橋減振試驗(yàn)研究，得出如下結(jié)論：

（1）通過(guò)大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)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(xiàn)出較理想的線性關(guān)系，與我們最初的期望不謀而合。這樣為實(shí)際工程的應(yīng)用，無(wú)論是分析還是設(shè)計(jì)，都提供了極大的便利。

（2）油阻尼器通過(guò)組合設(shè)置在活塞頭上的不同種類和不同數(shù)量通油小孔來(lái)調(diào)節(jié)總通油孔面積的大小，可以根據(jù)工程需要作出匹配的小孔組合，以適用不同工程對(duì)阻尼器阻尼系數(shù)及最大出力的需求。

（3）將本文中防落梁油阻尼器與20m標(biāo)準(zhǔn)跨徑T梁結(jié)合，組成粘彈性阻尼系統(tǒng)，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行抗力滯回曲線的分析研究表明，該油阻尼器可為系統(tǒng)提供5%—20%的附加阻尼，單對(duì)提供5%的附加阻尼進(jìn)行分析便可知道，作用在簡(jiǎn)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(shí)還能起到防落梁的作用。

（4）該款油阻尼器還需要進(jìn)行下一步的試驗(yàn)，嘗試找出活塞孔不同組合形式對(duì)油阻尼器性能影響的具體規(guī)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(guó)中小跨簡(jiǎn)支梁抗震上有很廣闊的應(yīng)用前景。

陳永祁，2012a．橋梁工程液體黏滯阻尼器設(shè)計(jì)與施工．北京：中國(guó)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(jié)構(gòu)上的抗震抗風(fēng)效果和經(jīng)濟(jì)分析．土木工程學(xué)報(bào)，45（3）：58—66．

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

范立礎(chǔ)，1997．橋梁抗震．上海：同濟(jì)大學(xué)出版社．

焦馳宇，李建中，彭天波，2009．塔梁連接方式對(duì)大跨斜拉橋地震反應(yīng)的影響．振動(dòng)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(shù)選擇．江南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)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(yōu)化研究．第22屆全國(guó)結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)會(huì)議．

中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院，2015．公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)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(wèi)星，郭迅，劉洋，張寶，駱承慧，2016．防落梁油阻尼器設(shè)計(jì)及工程應(yīng)用研究．震災(zāi)防御技術(shù)，11（1）：86—92．

doi：10.11899/zzfy20160109