用于橋梁減震耗能的金屬阻尼器研究進(jìn)展

謝皓宇

(1.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司， 重慶 400067； 2.重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院， 重慶 400045)

20世紀(jì)以來，全球發(fā)生了多次大地震，其中破壞性地震都集中在城市，如1976年中國唐山大地震，1994年美國Northridge地震，1995年日本阪神大地震以及2008年中國汶川地震，這幾次地震災(zāi)害的共同特點(diǎn)是：道路交通中多因橋梁工程遭到嚴(yán)重破壞，切斷了震區(qū)交通生命線，造成救災(zāi)工作的巨大困難，使次生災(zāi)害加重，導(dǎo)致了巨大的生命和經(jīng)濟(jì)損失[1]。

因此，橋梁工程抗震研究非常重要，而橋梁上部結(jié)構(gòu)發(fā)生落梁是橋梁在地震中倒塌的一個(gè)主要原因[2]，為此，采用墩梁間帶有減震耗能功能的支座或使用阻尼器直接控制大跨度梁橋墩梁間、斜拉橋邊墩梁間相對位移成為了一種值得推廣的橋梁減隔震體系。另外，橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)從基于強(qiáng)度設(shè)計(jì)發(fā)展到延性設(shè)計(jì)[3]，而基于延性設(shè)計(jì)的高延性橋梁在遭遇罕遇地震作用后會(huì)產(chǎn)生較大殘余位移，影響結(jié)構(gòu)的正常使用。因此，目前在混凝土框架建筑領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用的金屬屈曲約束支撐和帶有自復(fù)位功能的橋梁減震耗能裝置也成為了研究目標(biāo)之一。

金屬阻尼器主要構(gòu)造為軟鋼、低屈服點(diǎn)鋼材、鉛及形狀記憶合金等，具有其滯回性能穩(wěn)定、形式變化多樣及成本經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn),但目前在我國橋梁工程中，金屬阻尼器的運(yùn)用相對較少。本文將梳理國內(nèi)使用在橋梁上具有減震耗能功用的金屬阻尼器的最新研究進(jìn)展。

1 傳統(tǒng)的墩梁間金屬阻尼器

橋梁結(jié)構(gòu)墩梁之間通過支座的連接方式對地震動(dòng)作用下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性有較大影響，因此通常將金屬阻尼器、減隔震裝置布置在墩梁交接位置，利用動(dòng)力作用下墩梁間的相對位移使金屬材料進(jìn)入塑性階段，從而達(dá)到消耗地震能量的目的。在各種金屬阻尼器形式中，以X形和三角形為基本構(gòu)件的金屬阻尼器，因其具有沿高度范圍內(nèi)全截面屈服耗能的特點(diǎn)，得到了較多的研究與應(yīng)用。在材料選擇上，鉛具有最飽滿的滯回曲線性能及再結(jié)晶的特性，被認(rèn)為是天然的阻尼器材料，近年來隨著國家出臺了嚴(yán)格的環(huán)保政策和標(biāo)準(zhǔn)，鉛剪切阻尼器逐漸被舍棄，軟剛和形狀記憶合金被作為橋梁結(jié)構(gòu)上用于減震耗能的主流金屬阻尼器材料。

1.1 用于橫橋向抗震的傳統(tǒng)金屬阻尼器

沈星等[4-6]提出使用以三角形鋼板為基本元件，與滑動(dòng)支座相組合的新型斜拉橋橫向抗震體系，該體系利用滑動(dòng)支座來承受豎向荷載，同時(shí)利用鋼阻尼器適應(yīng)大跨度斜拉橋縱向大變形和橫向充分屈服耗能以控制墩梁之間位移和下部結(jié)構(gòu)地震內(nèi)力。這種橫橋向的鋼阻尼器具有以下特點(diǎn)：1) 在橫橋向減震耗能的同時(shí)不影響總橋箱的位移；2) 可以在墩梁間有限空間內(nèi)安裝；3) 地震動(dòng)作用下傳力途徑較為可靠；4) 在使用有限元進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析時(shí)可簡單地建立本構(gòu)模型。該體系如圖1所示，較全滑動(dòng)體系其對地震動(dòng)最大加速度與橋梁所在場地類型的影響敏感性小，減震效果顯著。

圖1 新型橋梁橫向金屬阻尼器

基于橫向鋼阻尼器的新型斜拉橋橫向抗震體系一定程度上平衡了橫向墩梁相對位移與地震動(dòng)作用下下部結(jié)構(gòu)的地震力，并承擔(dān)了主要的橫向耗能作用，滑板支座的耗能能力與其相比可忽略不計(jì)，且對地震動(dòng)強(qiáng)度不敏感，從小震到大震的能量耗散均能起到良好的效果。此體系最大的問題在于低周疲勞對其影響還沒有具體的探究。

1.2 用于雙向抗震的傳統(tǒng)金屬阻尼器

Wang、李愛群和徐艷紅等[7-9]設(shè)計(jì)了一種E形橋梁支座雙向耗能鋼阻尼器，如圖2所示。該阻尼器解決了目前大部分金屬阻尼器均為單向耗能裝置的問題，可在橫橋向、縱橋向2個(gè)方向都起到減震耗能的效果，同時(shí)擬靜力試驗(yàn)顯示其豎向的應(yīng)變分布也與設(shè)計(jì)預(yù)期相符合。在E形鋼阻尼器的基礎(chǔ)上，唐志等[10]提出了安裝尺寸更小成本更低的ε形雙向鋼阻尼器-支座系統(tǒng)，不僅能達(dá)到類似的減震效果，還能減小墩柱內(nèi)力和墩梁間的相對位移。劉軍等[11]則加入了基于高粘度流體的速度鎖定裝置，使E形鋼阻尼支座系統(tǒng)能夠適應(yīng)橋梁梁體溫度變化引起熱脹冷縮帶動(dòng)的支座滑移，進(jìn)一步完善了系統(tǒng)。Atasever和楊紅磊等[12-13]提出一種履帶式(U形)金屬阻尼器用于斜拉橋的減震耗能，如圖3所示，并研究了其長度、厚度等物理參數(shù)對其抗震性能的影響。

圖3 履帶式金屬阻尼器構(gòu)造示意

圖2 E形阻尼器支座平面示意

孟兮等[14-15]將減震榫引入鐵路橋梁抗震體系，材料為軟鋼。減震榫實(shí)際上是一種采用等強(qiáng)度原理設(shè)計(jì)的鋼棒阻尼器，較普通軟鋼阻尼器不同之處在于，它作為支座系統(tǒng)不僅承受水平荷載，還承擔(dān)著橋梁正常使用時(shí)梁體的水平反力和水平位移的功能，且具有傳力路徑明確、橫向和縱向變形不藕聯(lián)、易于精細(xì)化設(shè)計(jì)和控制的特點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，李愛麗等[16-17]提出了一種新型分離式軟鋼減震榫的設(shè)計(jì)，與孟兮等提出的減震榫下端固結(jié)、上端以球型鉸接方式不同，新型軟鋼減震榫為上下兩端均為固結(jié)，根據(jù)等強(qiáng)度原理設(shè)計(jì)，新型減震榫的構(gòu)型為上下兩端較粗，中間較細(xì)。2種減震榫的構(gòu)型如圖4所示。

(a) 一端固結(jié)一端鉸接式減震榫

(b) 兩端固結(jié)式減震榫示意

Meng等[18]將形狀記憶合金為材料的金屬阻尼器引入高墩橋梁的抗震研究，并將形狀記憶合金和假橡膠金屬2種不同特性材料相結(jié)合，提高了阻尼器減震性能，解決了形狀記憶合金在受壓稱重能力上的缺陷。Meng等根據(jù)中國云南省某座高墩橋設(shè)計(jì)并組裝了等比例模型，在振動(dòng)臺上試驗(yàn)了形狀記憶合金阻尼器的抗震性能，結(jié)果顯示順橋向的第一模態(tài)周期從0.58 s提升到了0.96 s。Meng等認(rèn)為對高墩橋梁以及大跨度橋梁采用形狀記憶合金阻尼器的減震效果非常有效。

2 框架式橋墩間的屈曲約束支撐

屈曲約束支撐，簡稱BRB(Buckling Restrained Braces)，是一種在拉、壓力負(fù)載下都能屈服的構(gòu)件，它由金屬制核心受力單元承受拉力，外包約束單元承受壓力，不僅可以提升框架支撐體系的穩(wěn)定性，同時(shí)通過內(nèi)核金屬的屈曲滯回性能來實(shí)現(xiàn)地震能量的消耗[19]。在框架式橋墩間使用金屬屈曲約束支撐，可看作是金屬作為阻尼器在加強(qiáng)橋梁橫橋向抗震性能上的另一種應(yīng)用形式。

屈曲約束支撐從建筑領(lǐng)域被延展到混凝土橋梁領(lǐng)域始于2011年。El-Bahey等[20]針對預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋設(shè)計(jì)了一套基于X型鋼屈曲約束支撐的加固程序，并以一座雙柱墩混凝土梁橋?yàn)樗憷ㄟ^動(dòng)力分析得到了屈曲約束支撐幫助梁橋在地震作用下的延性位移減小40%的結(jié)論。Bazaez等[21]則以一個(gè)足尺試驗(yàn)，研究了屈曲約束支撐在擬靜力周期荷載作用下對混凝土橋雙柱墩墩梁框架滯回性能的影響，其試驗(yàn)設(shè)置如圖5所示。Li等[22]提出使用形狀記憶合金作為屈曲約束支撐的核心構(gòu)件材料，并研究了其對于橋梁在動(dòng)力作用下最大位移、殘余位移的約束。Wang等[23]利用數(shù)值模擬探索了一個(gè)三柱墩梁橋使用BRB之后橫橋向抗震能力的變化，結(jié)果顯示BRB幫助橋墩降低了75%的墩頂位移延性比，并避免了落梁的發(fā)生。

在國內(nèi)，謝文等[24]根據(jù)“保險(xiǎn)絲”抗震設(shè)計(jì)理念也進(jìn)行了基于屈曲約束支撐和剪力連桿概念的橋墩設(shè)計(jì)，結(jié)果顯示其抗震性能表現(xiàn)良好，并認(rèn)為可進(jìn)一步考慮樁-土-結(jié)構(gòu)的相互作用以及地震多點(diǎn)輸入對此類結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。董慧慧等[25-27]則設(shè)計(jì)了一套運(yùn)用于雙柱式橋墩結(jié)構(gòu)的自復(fù)位耗能支撐SCEB(Self-centering Energy Dissipation Brace)，和BRB相比可減小結(jié)構(gòu)卸載后的殘余位移。新型SCEB主要通過BRB和自復(fù)位系統(tǒng)分別來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的耗能能力和良好的自復(fù)位功能，其構(gòu)造如圖6所示，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了新型SCEB具有穩(wěn)定的耗能能力并能有效控制殘余位移，力-位移滯回曲線呈旗幟形特征。

圖6 自復(fù)位耗能支撐結(jié)構(gòu)示意

Upadhyay等[28]則在一個(gè)三柱墩橋梁算例上，對分別使用BRB和自復(fù)位BRB的抗震加固效果進(jìn)行了研究。結(jié)果顯示，雖然BRB可極大地消耗地震動(dòng)能量，并能降低位移延性比的峰值，但系統(tǒng)無法恢復(fù)原位，這對大震過后橋梁的修復(fù)是個(gè)難題。而帶有自復(fù)位功能的BRB在減震耗能的效果上不及BRB，但能讓震后橋墩恢復(fù)原位置。

單位：mm

3 結(jié)束語

我國部分舊橋在不完善的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范時(shí)期建設(shè)，或沒有進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，這些橋梁正進(jìn)入服役壽命的中后期階段。對這類橋梁抗震性能加固，采用減震耗能良好并經(jīng)濟(jì)、簡便的金屬阻尼器被認(rèn)為是一個(gè)重要的加固手段。本文將金屬阻尼器分類為傳統(tǒng)墩梁之間的阻尼器以及框架墩間的屈曲約束支撐型阻尼器兩大類，梳理了國內(nèi)外學(xué)者的研究進(jìn)展，主要有以下認(rèn)識：1) 橋梁抗震設(shè)計(jì)領(lǐng)域新型金屬阻尼器大都是從建筑工程領(lǐng)域已經(jīng)得到相對成熟應(yīng)用的技術(shù)“移植而來”；2) 針對橋梁抗震主要是下部結(jié)構(gòu)墩柱抗震的特點(diǎn)，學(xué)者們將金屬阻尼器都做了特定的改造以符合橋梁抗震的特點(diǎn)，從而提升整體的抗震性能；3) 形狀記憶合金等新材料的應(yīng)用是新型金屬阻尼器應(yīng)特別關(guān)注的方面。