橋梁結(jié)構(gòu)防落梁與碰撞裝置綜述

張 軒， 溫佳年， 韓 強(qiáng)， 杜修力

(北京工業(yè)大學(xué)城市與工程安全減災(zāi)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100124)

為了適應(yīng)環(huán)境溫度、結(jié)構(gòu)收縮和徐變等產(chǎn)生的變形，橋梁結(jié)構(gòu)通常設(shè)置伸縮縫.然而，在地震作用下，由于伸縮縫寬度不足或主梁位移過大，橋梁相鄰構(gòu)件(梁與梁之間或梁與橋臺(tái)之間)可能發(fā)生碰撞、落梁，甚至整體倒塌[1]，造成交通中斷，影響抗震救災(zāi)及震后修復(fù).美國(guó)1989年Loma Prieta及1994年Northridge地震中，多座高架橋由于碰撞造成主梁及橋臺(tái)局部損傷，舊金山奧克蘭海灣大橋的一跨簡(jiǎn)支鋼桁梁橋發(fā)生了落梁[2-3].2008年，我國(guó)汶川地震中，高樹大橋、龍尾大橋、百花大橋(曲線橋)、廟子坪大橋(高墩橋)等均發(fā)生了不同程度的碰撞和落梁破壞[4-5].

橋梁伸縮縫間的碰撞會(huì)造成主梁的梁端開裂、橋臺(tái)胸墻局部混凝土脫落、伸縮縫擠壓、支座破壞等震害.影響碰撞的主要因素包括：1) 伸縮縫間隙；2) 相鄰結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性；3) 橋墩的剛度與支座的剛度比；4) 土- 結(jié)構(gòu)相互作用；5) 地震動(dòng)空間效應(yīng).為了減小和消除橋梁結(jié)構(gòu)的碰撞，國(guó)內(nèi)外學(xué)者不斷地提出各種防碰撞裝置，例如橡膠墊、壓碎裝置、形狀記憶合金橡膠裝置等.

1971年，美國(guó)San Fernando地震后，加利福尼亞運(yùn)輸部門將各橋段用限位裝置(通常由纜索或鋼棒制成)約束在一起加固橋梁.防落梁裝置由此開始廣泛應(yīng)用.但是，這些限位裝置有許多缺點(diǎn)，如：彈性應(yīng)變范圍小，限制結(jié)構(gòu)的延性.為了克服這些缺點(diǎn)許多研究者進(jìn)行了長(zhǎng)期的研究，提出使用不同類型的限位器代替?zhèn)鹘y(tǒng)纜索/鋼棒限位器.然而，這些新型限位器也有一定的不足，如成本高、穩(wěn)定性差等.隨著防落梁裝置的廣泛應(yīng)用，防落梁裝置的設(shè)計(jì)方法也得到發(fā)展.但是，由于各種設(shè)計(jì)方法考慮的因素不同，不同方法計(jì)算出的防落梁裝置的數(shù)量相差較大.我國(guó)防落梁?jiǎn)栴}的研究尚處于起步階段，規(guī)范中只給出了構(gòu)造要求，沒有提出對(duì)防落梁裝置的量化設(shè)計(jì)方法.

本文主要探討限位裝置、阻尼限位裝置、模數(shù)式伸縮縫、碰撞吸能裝置和混合裝置等5類防碰撞和防落梁裝置的優(yōu)點(diǎn)和局限性.同時(shí)，介紹了國(guó)內(nèi)外防落梁裝置的設(shè)計(jì)方法.最后，為我國(guó)橋梁防撞和防落梁裝置的發(fā)展及應(yīng)用提出了建議.

1 限位裝置

1.1 纜索/鋼棒限位器

1971年，美國(guó)San Fernando地震后，纜索/鋼棒限位器廣泛地應(yīng)用于美國(guó)加固橋梁，以減小橋梁由于支承寬度過窄引起的落梁.與鋼棒限位器相比，纜索限位器具有更大的彈性范圍.對(duì)于簡(jiǎn)支梁橋，纜索限位器具有多種連接方式(見圖1)以防止落梁的發(fā)生.纜索/鋼棒限位器按彈性設(shè)計(jì)，僅利用其彈性性能，因此，不能耗散地震能量.

工程實(shí)踐表明，纜索/鋼棒限位器能有效地防止落梁，避免橋梁的垮塌.然而，由于纜索/鋼棒限位器在地震中發(fā)生了失效或破壞，一些使用了纜索/鋼棒限位器的橋梁也產(chǎn)生了嚴(yán)重的破壞或垮塌[6].造成纜索/鋼棒限位器的失效或破壞的原因是纜索/鋼棒限位器是彈性設(shè)計(jì)的，在極端條件下會(huì)導(dǎo)致鋼索的斷裂或者限位端部橫隔板破壞[7].因此，許多學(xué)者對(duì)纜索/鋼棒限位器進(jìn)行了理論和試驗(yàn)研究[8-24]，包括纜索/鋼棒限位器對(duì)不同橋型防落梁、防碰撞的效果，地震動(dòng)空間效應(yīng)和土- 結(jié)構(gòu)相互作用對(duì)纜索/鋼棒限位器防落梁、防碰撞的影響等.

圖1 簡(jiǎn)支梁橋纜索限位裝置安裝示意圖Fig.1 Installation schemes of cable restrainers for simply supported bridges

Saiidi等[8-9]研究了采用纜索限位器加固的橋梁的地震反應(yīng).研究結(jié)果表明，纜索限位器的效果受到許多因素的影響，例如地面運(yùn)動(dòng)的幅值和頻率、土- 結(jié)構(gòu)相互作用、下部結(jié)構(gòu)的柔度.Abdel-Ghaffar等[10]研究了在1989年Loma Prieta地震中纜索限位器對(duì)Aptos Greek橋非線性地震響應(yīng)的影響.研究發(fā)現(xiàn)，纜索限位器對(duì)結(jié)構(gòu)的整體反應(yīng)影響并不大，但是在較高水平的地面加速度激勵(lì)下，纜索限位器對(duì)減小相鄰橋跨的相對(duì)位移和碰撞力非常有效.戴福洪等[11]研究了3種類型限位器(完全彈性拉壓桿、彈塑性拉壓桿、只承受拉力的纜索)的剛度、強(qiáng)度對(duì)相鄰梁體間和墩梁間相對(duì)位移的影響.DesRoches等[12]用單自由度模型，對(duì)安裝纜索限位器的多跨框架橋進(jìn)行了碰撞參數(shù)分析.結(jié)果表明：纜索限位器的限位效果主要取決于相鄰橋的周期比；纜索限位器數(shù)量的增加提高了剛性框架的位移；纜索限位器只對(duì)框架剛度比遠(yuǎn)小于1的框架橋有影響.楊孟剛等[13]對(duì)不同地震動(dòng)激勵(lì)下纜索限位器的防碰撞效果進(jìn)行了研究.結(jié)果表明，纜索限位器可以有效地避免梁體間碰撞現(xiàn)象的發(fā)生，但在實(shí)際選用纜索限位器數(shù)量時(shí)，需要考慮限位索拉斷現(xiàn)象.張文學(xué)等[14]分析了鋼棒限位器參數(shù)對(duì)斜拉橋與引橋之間碰撞響應(yīng)的規(guī)律.研究結(jié)果表明，鋼棒限位器可以有效減小相鄰梁體間相對(duì)位移和碰撞力峰值，但對(duì)地震需求影響較為復(fù)雜.Watanabe等[15]及Julian等[16]研究了強(qiáng)震作用下，纜索限位器減小非規(guī)則橋梁(如斜橋、彎橋)扭轉(zhuǎn)、碰撞及落梁的效果.結(jié)果顯示，纜索限位器能夠有效地減小非規(guī)則橋梁的扭轉(zhuǎn)和伸縮縫的碰撞力.但是，安裝在曲線橋外部的纜索限位器，在荷載作用下首先受力并需要更大的延性.此外，地震動(dòng)的空間效應(yīng)和土- 結(jié)構(gòu)相互作用顯著影響相鄰結(jié)構(gòu)的相對(duì)位移、限位裝置產(chǎn)生的碰撞力和限位裝置的變形[17-20].

一些學(xué)者采用試驗(yàn)方法對(duì)纜索限位器進(jìn)行了研究.Selna等[7]對(duì)纜索限位器進(jìn)行了足尺模型試驗(yàn)，對(duì)纜索限位器的強(qiáng)度、剛度以及循環(huán)荷載下的應(yīng)力- 變形行為進(jìn)行了評(píng)估.試驗(yàn)結(jié)果表明，纜索限位器的連接部位是限位裝置中最薄弱的環(huán)節(jié)，在設(shè)計(jì)中應(yīng)加以重視.Vlassis等[21]通過小比例箱梁橋的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)驗(yàn)證了纜索限位器在減小伸縮縫處梁體相對(duì)位移的效果.試驗(yàn)結(jié)果表明，在一般情況下，纜索限位器能減小伸縮縫處相鄰梁體的碰撞力，限制伸縮縫處梁體的相對(duì)位移，阻止落梁的發(fā)生，也能減小伸縮縫處梁體的碰撞加速度.DesRoches等[22]對(duì)安裝了纜索限位器的多跨簡(jiǎn)支鋼梁橋進(jìn)行了單調(diào)荷載作用下的足尺模型試驗(yàn)并提出了2種改進(jìn)的纜索限位器設(shè)計(jì)方法.試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用改進(jìn)方法對(duì)限位器的連接部件進(jìn)行加強(qiáng)后，纜索限位器表現(xiàn)出了良好的性能.Vlassis等[23]對(duì)安裝纜索限位器的橋梁進(jìn)行了大比例尺試驗(yàn)來證明纜索限位器在減小跨橋鉸相對(duì)位移的效果，并探究了限位器剛度和間隙對(duì)鉸- 限位器地震響應(yīng)的影響.結(jié)果發(fā)現(xiàn)：纜索限位器能夠限制跨橋鉸的相對(duì)位移，減小2個(gè)相鄰主梁的沖擊強(qiáng)度；當(dāng)纜索限位器間隙為零時(shí)，增加了纜索限位器的力和結(jié)構(gòu)的延性要求，甚至在中等地震下會(huì)造成纜索限位器的拉伸屈服.

由于纜索限位器按照彈性設(shè)計(jì)，尚未考慮耗能能力.為了將相鄰梁體運(yùn)動(dòng)控制在設(shè)計(jì)范圍，一般需要大量的纜索[24].如果限制系統(tǒng)中纜索限位器數(shù)量較多，則會(huì)使橋梁其他構(gòu)件產(chǎn)生較大的力，例如支座和橋墩.另外，纜索和鋼棒限位器的屈服應(yīng)變小，分別為1.75%和2.00%[24].纜索和鋼棒限位器應(yīng)變能力不足，使得需要更長(zhǎng)的尺寸才能滿足罕遇地震下的彈性性能要求.纜索和鋼棒限位器的這些不足迫使人們尋找其他合適的限位裝置來代替它.

1.2 形狀記憶合金限位器

形狀記憶合金(shape memory alloys，SMA)是一種具有超彈性和形狀記憶效應(yīng)的智能材料，因其抗疲勞、抗腐蝕性能良好，可恢復(fù)變形大，可加熱或卸載自復(fù)位，耗能能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[25-26]，SMA可以作為限位器材料，也可以作為阻尼器材料，在抗震工程中已經(jīng)有所應(yīng)用[27].

SMA應(yīng)力- 應(yīng)變曲線呈旗幟形，具有自復(fù)位和耗能能力，如圖2所示.當(dāng)完全奧氏體相的SMA材料受外力作用時(shí)，發(fā)生彈性變形(O點(diǎn)至A點(diǎn))；然后奧氏體相開始向馬氏體相轉(zhuǎn)變(A點(diǎn)至B點(diǎn))；接著完全馬氏體相SMA材料發(fā)生彈性變形(B點(diǎn)至E點(diǎn))；至E點(diǎn)后，將會(huì)產(chǎn)生不可恢復(fù)的塑性變形；如果卸載，完全馬氏體相SMA材料首先發(fā)生彈性恢復(fù)(E點(diǎn)至D點(diǎn))；接著馬氏體開始逆相變?yōu)閵W氏體(D點(diǎn)至C點(diǎn))；最后奧氏體發(fā)生彈性變形回至O點(diǎn)(C點(diǎn)至O點(diǎn)).

圖2 SMA材料超彈性應(yīng)力- 應(yīng)變曲線Fig.2 Super-elastic stress-strain curve of SMA material

DesRoches等[26]試驗(yàn)研究了全尺寸鎳鈦(NiTi)SMA限位棒的力學(xué)性能.試驗(yàn)結(jié)果表明：在循環(huán)荷載作用下，SMA具有很好的超彈性，力學(xué)性能穩(wěn)定，耗能能力強(qiáng)，殘余變形??；可恢復(fù)應(yīng)變可達(dá)到6%～8%，遠(yuǎn)大于纜索/鋼棒限位器的1.75%～2.00%.Shrestha等[27]數(shù)值分析了多跨簡(jiǎn)支橋梁中SMA限位棒的效果并與傳統(tǒng)纜索限位器進(jìn)行了比較.結(jié)果表明，SMA限位棒有效地限制主梁位移，防止落梁發(fā)生且其防落梁效果優(yōu)于傳統(tǒng)纜索限位器.Andrawes等[28-29]評(píng)估了SMA限位器在典型多跨箱梁框架橋上的有效性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：纜索限位器是限制支座位移最低效的裝置；SMA的超彈性特性在限制支座位移方面比金屬阻尼器更加顯著；SMA限位器用更小的力提供與黏彈性阻尼器限制支座位移相同的約束.Padgett等[30]通過一個(gè)大比例四跨混凝土簡(jiǎn)支梁試驗(yàn)，評(píng)價(jià)了SMA限位器限制支座位移的性能.Guo等[31]采用2種連接方案(主梁與主梁連接、橋墩與主梁連接)，研究了SMA限位器減小公路橋梁碰撞和落梁的效果.結(jié)果表明，SMA限位器不僅能防止落梁，也能減輕公路橋梁在地震中產(chǎn)生的碰撞.

然而，SMA的性能受環(huán)境溫度影響.SMA的超彈性特性只有在溫度超過奧氏體相變溫度時(shí)才表現(xiàn)出來，否則SMA將會(huì)產(chǎn)生殘余變形[32-33].為了克服NiTi SMA工作溫度低的缺點(diǎn)，研究人員研究出了具有更寬工作溫度(-80～100℃)的銅鋁鈹(CuAlBe)SMA.Zhang等[34]在不同溫度下對(duì)CuAlBe SMA棒材進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并提出了一個(gè)能夠考慮溫度變化的應(yīng)力- 應(yīng)變關(guān)系模型.

SMA限位器能夠有效減小橋梁的碰撞和避免落梁，但常用的SMA限位器受環(huán)境溫度的影響，成本相對(duì)較高，大直徑棒材加工困難，限制了其在橋梁工程的應(yīng)用.CuAlBe SMA工作溫度寬，成本較低，有利于SMA限位器在橋梁防落梁和防碰撞中推廣和應(yīng)用.

1.3 纖維增強(qiáng)聚合物限位器

纖維增強(qiáng)聚合物是一種復(fù)合材料，具有耐腐蝕、質(zhì)量輕、強(qiáng)度高等特點(diǎn)，主要包括碳纖維增強(qiáng)聚合物、芳綸纖維增強(qiáng)聚合物、玻璃纖維增強(qiáng)聚合物和混雜纖維增強(qiáng)聚合物等.纖維增強(qiáng)聚合物限位器比纜索/鋼棒限位器和SMA限位器容易制作、安裝和維護(hù).纖維增強(qiáng)聚合物限位器使用黏結(jié)劑黏結(jié)到橋梁結(jié)構(gòu)的外部，例如箱梁的外部，實(shí)現(xiàn)限位器的安裝，而傳統(tǒng)限位器主要設(shè)置在橋梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)部，并需要對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)開孔來實(shí)現(xiàn)限位裝置的安裝.纖維增強(qiáng)聚合物限位器的這種連接方式不但減少了限位器安裝的成本，而且比安裝在橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部的傳統(tǒng)限位裝置容易檢查[35-36].

圖3 纖維增強(qiáng)聚合物限位器試驗(yàn)裝置[36]Fig.3 Test setup for fiber reinforced polymer restrainer[36]

Saiidi等[36]對(duì)3種纖維增強(qiáng)聚合物材料制成的限位器進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，如圖3所示.纖維增強(qiáng)聚合物限位器的中間部件需設(shè)置成彈性的，以適應(yīng)由于溫度變化產(chǎn)生的鉸開口，并在鉸閉合時(shí)，平面外變形不會(huì)產(chǎn)生顯著的應(yīng)力.試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，玻璃纖維增強(qiáng)聚合物限位器的效果最好.作者還對(duì)比了玻璃纖維增強(qiáng)聚合物限位器、鋼限位器和SMA限位器的性能，并提出了一種纖維增強(qiáng)聚合物限位器彈性設(shè)計(jì)方法.然而，纖維增強(qiáng)聚合物限位器依然采用彈性設(shè)計(jì)，其不具有耗能能力.

1.4 限位裝置設(shè)計(jì)方法和各國(guó)規(guī)范對(duì)防落梁系統(tǒng)的規(guī)定

1.4.1 限位裝置設(shè)計(jì)方法

地震中限位裝置的失效或破壞，推動(dòng)了限位裝置設(shè)計(jì)方法的發(fā)展.國(guó)內(nèi)外限位裝置的設(shè)計(jì)方法主要有AASHTO方法[37]、Caltrans方法[38]、Saiidi方法[39]和Trochalakis方法[40]等.雖然限位裝置的設(shè)計(jì)方法很多，但是采用不同的設(shè)計(jì)方法計(jì)算出的限位器數(shù)量相差很大[41].

AASHTO方法[37]以加速度系數(shù)乘以兩框架中較輕者的質(zhì)量作為設(shè)計(jì)地震力.Caltrans方法[38]考慮了墩柱彈塑性的影響，并提供了限位裝置材料使用指南書，但未考慮橋臺(tái)、橋梁碰撞的影響.Saiidi等[39]提出3種設(shè)計(jì)方法：W/2法、等效線性靜力法和修正Caltrans法.Trochalakis方法[40]基于參數(shù)分析，考慮了相鄰橋跨周期比的影響，但未考慮相鄰橋跨的動(dòng)力相互作用.朱文正等[42]考慮了橋梁重要性、地震動(dòng)參數(shù)等提出了一種限位裝置的設(shè)計(jì)方法.王軍文等[43]考慮相鄰橋跨不同向振動(dòng)的動(dòng)力特性以及相鄰梁體間碰撞對(duì)相對(duì)位移的影響，提出了一種限位裝置的設(shè)計(jì)方法.Hudgings等[44]提出一種考慮地震動(dòng)空間效應(yīng)的限位裝置設(shè)計(jì)方法.上述的限位裝置的設(shè)計(jì)方法大多采用靜力或擬靜力分析方法，沒有考慮限位裝置的彈塑性性能、橋臺(tái)和碰撞的影響.

1.4.2 各國(guó)規(guī)范對(duì)防落梁系統(tǒng)的規(guī)定

梁端支承長(zhǎng)度是防落梁系統(tǒng)最重要的組成部分，也是防止大震下落梁破壞的根本性措施.美國(guó)、中國(guó)、日本、歐洲等國(guó)家和地區(qū)在這方面進(jìn)行了大量的研究，表1中給出了國(guó)內(nèi)外相關(guān)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)梁端支承長(zhǎng)度的規(guī)定.圖4、5分別為斜橋和曲線橋梁端最小支承長(zhǎng)度示意圖.

Caltrans規(guī)范考慮了預(yù)應(yīng)力、徐變、收縮、溫度和地震作用的影響，但沒有考慮橋墩高度、主梁跨徑以及橋型的影響.除EC8規(guī)范和Caltrans規(guī)范外，其他規(guī)范均考慮了斜交角的影響，同時(shí)日本規(guī)范和中國(guó)大陸規(guī)范考慮了不同橋型(直橋、斜橋和曲線橋)的差別.美國(guó)的Caltrans規(guī)范、歐洲的EC8規(guī)范、日本的橋梁抗震規(guī)范和中國(guó)的臺(tái)灣公路規(guī)范考慮了地震的影響，而只有EC8規(guī)范考慮了地震動(dòng)空間變化.AASHTO規(guī)范按抗震等級(jí)將橋梁分為2類來計(jì)算支承長(zhǎng)度.日本的橋梁抗震規(guī)范和中國(guó)的臺(tái)灣公路規(guī)范考慮了不同地基的區(qū)別.日本的橋梁抗震規(guī)范和中國(guó)的大陸規(guī)范中支承長(zhǎng)度的計(jì)算公式最為相近，但由日本的橋梁抗震規(guī)范計(jì)算所得到的設(shè)計(jì)值明顯大于我國(guó)的大陸公路規(guī)范的規(guī)定.

表1 各國(guó)規(guī)范對(duì)梁端最小支承長(zhǎng)度的規(guī)定

續(xù)表1

圖4 斜橋梁端至墩、臺(tái)帽或蓋梁邊緣的最小距離Fig.4 Minimum distance from skewed bridge beam end to the edge of the pier, abutment cap or bent bap

圖5 曲線橋梁端至墩、臺(tái)帽或蓋梁邊緣的最小距離Fig.5 Minimum distance from curved bridge beam end to the edge of the pier, abutment cap or bent bap

2 阻尼限位裝置

2.1 金屬阻尼器

金屬阻尼器通過金屬屈服耗散能量，性能穩(wěn)定，價(jià)格低廉，形式多樣，具有良好的滯回性能，認(rèn)為是最有效的耗能裝置之一[50].金屬阻尼器安裝在橋梁與橋墩/蓋梁之間或橋梁與承臺(tái)之間.根據(jù)材料的不同，金屬阻尼器分為鋼阻尼器、SMA阻尼器等.

Chen等[51]設(shè)計(jì)了3個(gè)全尺寸的鋼阻尼器，并在循環(huán)荷載下對(duì)其性能進(jìn)行試驗(yàn)研究.Saiidi等[39]指出金屬阻尼器耗能顯著大于其他限位裝置.Vasseghi[52]提出一種通過自身的非線性變形耗散大部分地震能量，將另外小部分地震荷載傳遞到上部結(jié)構(gòu)的鋼阻尼器.試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，該阻尼器具有良好的延性和耗能能力.對(duì)裝有該限位器的混凝土箱梁橋進(jìn)行非線性時(shí)程分析，結(jié)果表明，該限位器可有效地避免橋梁上部結(jié)構(gòu)在地震作用下的落梁.Deng等[53]提出一種由平行鋼板制成的鋼阻尼器(見圖6).通過對(duì)5個(gè)試樣的循環(huán)荷載試驗(yàn)和有限元分析，結(jié)果表明：構(gòu)造合理的鋼阻尼器可提供充足承載力和良好耗能能力，并能有效地避免橋梁的落梁發(fā)生.

圖6 鋼阻尼器安裝示意圖[53]Fig.6 Installation of the steel damper[53]

由于金屬阻尼器通過金屬的屈服變形耗散地震輸入到橋梁上部結(jié)構(gòu)的能量，在大地震后，破壞或變形過大的金屬阻尼器需要更換.同時(shí)，金屬阻尼器在耗能后產(chǎn)生的殘余變形也會(huì)導(dǎo)致橋梁上部結(jié)構(gòu)的殘余變形，從而直接影響橋梁震后的交通.為了解決這些問題，學(xué)者提出了具有自復(fù)位功能的SMA阻尼器.

Graesser等[54]研究了加載頻率和持續(xù)時(shí)間對(duì)NiTi SMA阻尼器耗能特性的影響.Choi等[55]提出了一種只受拉不受壓的SMA阻尼器，并對(duì)其進(jìn)行了靜力荷載下的單向和雙向彎曲試驗(yàn).圖7為SMA棒單向彎曲的試驗(yàn)裝置.研究表明：SMA彎曲棒的特性不受加載率的影響；平均阻尼比小于7%，小于金屬阻尼器的阻尼比(10%左右).Choi等[56]對(duì)比了裝有SMA阻尼器、傳統(tǒng)限位器和僅受拉SMA阻尼器橋梁的易損性，結(jié)果表明，SMA阻尼器有效地減小了橋梁的損傷概率和落梁風(fēng)險(xiǎn).然而，常用的NiTi SMA工作范圍受溫度限制，在持續(xù)循環(huán)加熱或加載時(shí)，穩(wěn)定性將變差[57]，并且成本較高.建議使用工作溫度更寬的CuAlBe SMA.

圖7 SMA棒單向彎曲的試驗(yàn)裝置[55]Fig.7 Test set-up for SMA bar under single bending[55]

周海俊等[58]研究了國(guó)產(chǎn)SMA阻尼器的防落梁和防碰撞效果，并與傳統(tǒng)的纜索限位器進(jìn)行了對(duì)比分析.研究結(jié)果表明，SMA阻尼器能有效地減輕簡(jiǎn)支梁橋的碰撞和落梁現(xiàn)象，但墩底剪力會(huì)相應(yīng)增加.閆維明等[59]提出了一種新型復(fù)合式金屬阻尼器，如圖8所示，并給出了該阻尼器的滯回模型(見圖9).對(duì)安裝復(fù)合式金屬阻尼器的高架橋進(jìn)行了數(shù)值分析，結(jié)果表明，其兼具耗能和限位的功能，可以防止落梁和碰撞的發(fā)生.

賈威[60]和白全安[61]對(duì)榫形阻尼器進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，在地震作用下，榫形阻尼器能夠發(fā)揮良好的耗能性能和防落梁功能.趙玉坤等[62]提出一種新型填充式鋼管阻尼器，研究結(jié)果表明，附加該阻尼器可以增加橋梁橫向耗能能力，減小橋梁橫向落梁且不會(huì)對(duì)橋墩、樁基等構(gòu)件產(chǎn)生不利影響.圖10給出了該阻尼器在橋梁中的安裝位置.王占飛等[63-64]對(duì)防落梁鋼圈阻尼器進(jìn)行了力學(xué)性能和耐久性研究，發(fā)現(xiàn)該阻尼器具有較好地限位能力和緩沖能力.

圖8 復(fù)合式金屬阻尼器基本構(gòu)造[59]Fig.8 Construction of the composite metal damper[59]

圖9 復(fù)合式金屬阻尼器等效滯回模型[59]Fig.9 Equivalent hysteresis model of the composite metal damper[59]

圖10 橫向橋梁系統(tǒng)[62]Fig.10 Lateral bridge system[62]

圖11 典型黏彈性阻尼器Fig.11 Typical viscoelastic damper

2.2 黏彈性阻尼器

黏彈性阻尼器一般由黏彈性材料和約束鋼板構(gòu)成(如圖11所示)，通過黏彈性材料的剪切滯回變形來耗散能量，是一種構(gòu)造簡(jiǎn)單、安裝方便和耗能能力強(qiáng)的被動(dòng)耗能裝置.黏彈性阻尼器為速度相關(guān)型阻尼器，一般安裝在能產(chǎn)生相對(duì)位移的位置.常用的黏彈性材料為高分子聚合物，它既有黏性，又有良好的彈性，可以起到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的作用，并耗散結(jié)構(gòu)外部輸入能量.黏彈性阻尼器的本構(gòu)模型主要有Maxwell模型和Kelvin模型2種.

Feng等[65]和Kim等[66]采用Kelvin模型和Maxwell模擬黏彈性阻尼器，以研究在地震作用下黏彈性阻尼器減小高速公路橋梁落梁和碰撞的效果，結(jié)果表明：黏彈性阻尼器減小了支座位移而沒有增加橋墩的延性需求；黏彈性阻尼器的黏性部分在減小橋梁伸縮縫相對(duì)位移方面比線性彈簧部分更有效；非線性黏彈性阻尼器可以有效地減小上部結(jié)構(gòu)的相對(duì)位移和碰撞力，而且對(duì)橋墩的延性要求不會(huì)產(chǎn)生太大的影響.Andrawes等[29]對(duì)比了黏彈性阻尼器與其他限位裝置的效果.對(duì)比發(fā)現(xiàn)：黏彈性阻尼器有效地減小了支座位移，增加了結(jié)構(gòu)在地震后的自復(fù)位能力；黏彈性阻尼器產(chǎn)生的力與主梁位移無關(guān)，而與其振動(dòng)特性直接相關(guān)[67].

黏彈性阻尼器的性能不僅與溫度、頻率、應(yīng)變幅值和黏彈性層厚度等因素有關(guān)[68]，還與阻尼器的布置位置[69]、土- 結(jié)構(gòu)相互作用[70]相關(guān).由于阻尼器的循環(huán)導(dǎo)致阻尼器溫度升高，將降低黏彈性阻尼器的儲(chǔ)能模量和損耗模量，從而造成阻尼器剛度和耗能能力的減少[71].黏彈性阻尼器還有變形有限，黏彈性材料可能剝落和撕裂的缺點(diǎn)[72].

2.3 液體黏滯阻尼器

液體黏滯阻尼器是結(jié)構(gòu)地震保護(hù)裝置中常用的被動(dòng)耗能裝置之一.它主要由活塞桿、活塞頭、阻尼器壁(圓筒)、密封和阻尼材料組成，如圖12所示.當(dāng)活塞桿與活塞頭擠壓時(shí)，黏滯液體被迫通過阻尼孔.黏滯液體的高速流動(dòng)，導(dǎo)致流體顆粒和活塞頭之間產(chǎn)生摩擦.摩擦力越高，產(chǎn)生的熱量越多，從而提高耗能量，尤其當(dāng)阻尼器受到長(zhǎng)周期或大幅值的運(yùn)動(dòng)時(shí)，耗能將會(huì)增加[73].由于液體黏滯阻尼器不產(chǎn)生附加剛度，在橋梁結(jié)構(gòu)中安裝黏滯阻尼器后不影響結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性.液體黏滯阻尼器的力- 速度關(guān)系為橢圓形，如圖13所示.由圖13可知，速度指數(shù)α與耗能能力成反比.

圖12 液體黏滯阻尼器Fig.12 Fluid viscous damper

圖13 不同α?xí)r液體黏滯阻尼器力與速度關(guān)系曲線Fig.13 Fluid viscous dampers force-velocity curve with different α

Kim等[66]研究了液體黏滯阻尼器的工作性能，建立了考慮液體黏滯阻尼器非線性、橋墩塑性鉸以及梁間碰撞的計(jì)算模型.王軍文等[74]在考慮支座非線性、橋墩彈塑性及相鄰梁體間碰撞計(jì)算模型的基礎(chǔ)上，研究液體黏滯阻尼器對(duì)連續(xù)梁橋限位效果.結(jié)果表明，液體黏滯阻尼器可以有效地減小伸縮縫處相鄰梁體間或墩梁間相對(duì)位移和最大碰撞力，同時(shí)也不明顯增加伸縮縫處橋墩的位移延性需求.王志強(qiáng)等[75]以東海大橋?yàn)楸尘?，研究非線性液體黏滯阻尼器對(duì)該橋抗震性能的影響.Shinozuka等[76]提出了用液體黏滯阻尼器對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，對(duì)安裝在伸縮縫處的液體黏滯液體阻尼器的減震效果進(jìn)行了評(píng)價(jià).結(jié)果表明，液體黏滯阻尼器在限制伸縮縫變形和碰撞力方面非常有效，并減小了結(jié)構(gòu)的延性需求.李忠獻(xiàn)等[77]研究發(fā)現(xiàn)在相同阻尼系數(shù)的情況下，液體黏滯阻尼器的速度指數(shù)越小，其防碰撞效果越好.Jankowski等[78]對(duì)液體黏滯阻尼器減小基礎(chǔ)隔震橋梁碰撞反應(yīng)效果進(jìn)行了數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究.結(jié)果表明，液體黏滯阻尼器能夠有效地減小結(jié)構(gòu)的碰撞效應(yīng)且可以忽略溫度、蠕變和收縮對(duì)其性能的影響.在大跨度橋梁中安裝液體黏滯阻尼器可以在不增加墩底內(nèi)力的同時(shí)，明顯減小伸縮縫處的相對(duì)位移[79].聶利英等[80]指出液體黏滯阻尼器的設(shè)計(jì)參數(shù)會(huì)影響橋梁結(jié)構(gòu)局部受力和減震效果.張博等[81]研究了土- 結(jié)構(gòu)相互作用對(duì)液體黏滯阻尼器的影響.結(jié)果表明，液體黏滯阻尼器對(duì)柔性地基的減震效果差于剛性地基.

黏滯液體阻尼器可有效降低地震作用下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移，減小橋梁結(jié)構(gòu)的落梁和碰撞，但黏滯液體存在密封性問題，需要對(duì)液體黏滯阻尼器進(jìn)行不定期養(yǎng)護(hù).

2.4 磁流變阻尼器

磁流變阻尼器(magneto rheological dampers，MRD)是利用磁流變液體的磁流變效應(yīng)制成的可調(diào)阻尼裝置，如圖14所示.磁流變液體是一種由非導(dǎo)磁性液、高磁導(dǎo)率和低磁滯性的微小磁性顆粒、表面活性劑組成的混合流體.在無磁場(chǎng)時(shí)，磁流變液體是一種黏度較低的牛頓體；在磁場(chǎng)的作用下，磁流變液可以在ms級(jí)的時(shí)間內(nèi)快速、可逆地由流動(dòng)性良好的牛頓流體轉(zhuǎn)變?yōu)楦唣ざ?、低流?dòng)性的塑性固體.當(dāng)外加磁場(chǎng)撤掉后，磁流變液體又變成流動(dòng)性良好的液體，如圖15所示.磁流變液體的這個(gè)特性稱為磁流變效應(yīng).按照磁流變阻尼器的受力特點(diǎn)，其工作模式可分為剪切模式、流動(dòng)模式、擠壓模式和組合模式.

圖14 磁流變阻尼器構(gòu)造Fig.14 Construction of magneto rheological damper

圖15 磁流變效應(yīng)示意圖Fig.15 Magneto rheological effect diagram

由于磁流變阻尼器的非線性，傳統(tǒng)的本構(gòu)模型不能準(zhǔn)確地模擬磁流變阻尼器的力學(xué)特性，研究者提出了多種磁流變阻尼器模型，可以分為參數(shù)化模型和非參數(shù)化模型[82].參數(shù)化模型包括Bingham模型、Bouc-Wen模型和唯象模型等.非參數(shù)化模型又分為半幾何方法和智能化模型.磁流變阻尼器的阻尼力- 速度關(guān)系如圖16所示.

許多研究者對(duì)磁流變阻尼器減小橋梁落梁和碰撞的效果進(jìn)行了研究.Ruangrassamee等[83]提出了采用半主動(dòng)控制方法在多跨連續(xù)梁橋支座與主梁間安裝磁流變阻尼器來減小相鄰橋跨的相對(duì)位移和碰撞.李忠獻(xiàn)等[84]分析了在高架橋中使用磁流變阻尼器控制碰撞反應(yīng)的有效性.研究表明：磁流變阻尼器安裝在主梁和墩柱之間比安裝在相鄰主梁間性能更優(yōu)；應(yīng)用半主動(dòng)控制裝置能有效地控制鄰跨最大相對(duì)位移和支座變形.Guo等[85]研究了在極端地震下，磁流變阻尼器在公路橋梁中減小相鄰主梁碰撞的效果，并提出了2種安裝方案：主梁與主梁相連和主梁與橋墩相連，如圖17所示.結(jié)果表明，磁流變阻尼器能夠有效減少碰撞產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)加速度反應(yīng)，控制相鄰梁體間的相對(duì)位移和支座的變形；第2種安裝方式的防落梁和防碰撞的效果好于第1種安裝方式.

圖16 磁流變阻尼器力- 速度曲線Fig.16 Magneto rheological dampers force-velocity curve

圖17 磁流變阻尼器2種安裝方案[85]Fig.17 Installation schemes of magneto rheological damper[85]

Guo等[86]對(duì)帶有無被動(dòng)控制、有被動(dòng)控制和半主動(dòng)控制3種控制系統(tǒng)的磁流變阻尼器橋梁模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在無被動(dòng)控制和被動(dòng)控制情況下，磁流變阻尼器減小了橋梁的碰撞，但碰撞依然發(fā)生；在半主動(dòng)控制情況下，磁流變阻尼器不僅減小了橋梁的反應(yīng)，還消除碰撞的發(fā)生.Sheikh等[87]研究磁流變阻尼器不同控制策略對(duì)減小基礎(chǔ)隔震公路橋碰撞影響的有效性.結(jié)果表明，這3種控制策略都能夠減小基礎(chǔ)隔震公路橋的碰撞響應(yīng).郭安薪等[88]采用半主動(dòng)控制方法對(duì)安裝磁流變阻尼器的公路橋梁進(jìn)行了地震作用下的碰撞研究.

上述研究表明，磁流變阻尼的半主動(dòng)控制策略是減小碰撞和落梁最有效的方法，但是，需要提供少量的外部能量，控制的性能受反應(yīng)時(shí)間的影響明顯，并且控制算法十分復(fù)雜.

3 模數(shù)式伸縮縫

模數(shù)式伸縮縫廣泛應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)，具有伸縮變形能力大、密封防潮性能優(yōu)良、不影響橋梁的適用性和功能性等特點(diǎn).模數(shù)式伸縮縫的主要組成部分有邊梁、中心梁、支承棒(橫梁)、密封條等，如圖18所示.模數(shù)式伸縮縫通過支承棒(橫梁)的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)連接端的伸縮.模數(shù)式伸縮縫較大的伸縮量允許相鄰梁體在地震作用下發(fā)生較大的相對(duì)位移，從而減小相鄰梁體間的碰撞.

圖18 模數(shù)式伸縮縫截面圖Fig.18 Section view of the modular expansion joint

王立成等[89]對(duì)模數(shù)式伸縮縫進(jìn)行了疲勞試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，伸縮縫中心梁和支承梁的殘余應(yīng)變隨疲勞循環(huán)次數(shù)的增加而增加，而荷載幅值的提高將在很大程度上提高累計(jì)殘余應(yīng)變的增長(zhǎng)速率.Chouw等[90]提出用模數(shù)式伸縮縫來減小相鄰結(jié)構(gòu)的碰撞，并以三跨框架橋?yàn)槔芯苛说卣饎?dòng)空間效應(yīng)以及樁- 土相互作用對(duì)安裝傳統(tǒng)寬度伸縮縫的橋梁以及新型大位移模數(shù)式伸縮縫橋梁碰撞響應(yīng)的影響.McCarthy等[91]發(fā)展了一種由摩擦單元、等效裝置、支承桿和中心梁組成的模數(shù)式伸縮縫分析模型，并通過模數(shù)式伸縮縫的全尺寸試驗(yàn)驗(yàn)證了該模型的有效性.Chouw等[92]研究了模數(shù)式伸縮縫避免碰撞的最小張開和閉合位移的最小需求.隨后，Bi等[93-94]使用隨機(jī)方法，計(jì)算當(dāng)橋梁結(jié)構(gòu)考慮地震動(dòng)空間效應(yīng)以及樁- 土相互作用時(shí)，模數(shù)式伸縮縫避免橋梁碰撞所需的距離.然而，我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范[48]未考慮地震動(dòng)空間效應(yīng)以及樁- 土相互作用.

4 碰撞吸能裝置

地震發(fā)生時(shí)，橋梁間碰撞產(chǎn)生的撞擊力非常大，往往會(huì)使撞擊處(如主梁、橋臺(tái))混凝土剝落、伸縮縫擠壓失效、支座滑移過大，而且不規(guī)則的碰撞會(huì)使主梁發(fā)生扭轉(zhuǎn)，甚至最終導(dǎo)致主梁傾覆，并可能與橋墩產(chǎn)生二次碰撞，引發(fā)橋梁整體倒塌.對(duì)于相鄰梁體間的碰撞，通過設(shè)置較大的間距可以避免.而相鄰跨上部結(jié)構(gòu)之間，以及上部結(jié)構(gòu)與橋臺(tái)之間的碰撞卻很難避免.通過在碰撞表面之間加入柔性材料或耗能材料作為碰撞吸能裝置，可以減小或消除2個(gè)碰撞面的碰撞力.

研究者通過試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法對(duì)不同碰撞吸能裝置的性能和減輕碰撞的因素進(jìn)行了研究.Leibovich等[95]研究了在混凝土碰撞表面的接縫處設(shè)置軟填料混凝土棒的碰撞效果，試驗(yàn)裝置如圖19所示.試驗(yàn)結(jié)果表明，導(dǎo)向軌道不能完全避免偏心碰撞.軟填料能夠減小由碰撞產(chǎn)生的接觸壓力和加速度，并克服接觸表面的不規(guī)則性，避免由碰撞單元的壓縮材料產(chǎn)生的應(yīng)力波.

圖19 碰撞試驗(yàn)裝置[95]Fig.19 Test setup of the impact test[95]

Kitahara等[96]和Kajita等[97]采用2個(gè)鋼實(shí)心棒的碰撞對(duì)天然橡膠緩沖裝置的沖擊性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，測(cè)試裝置如圖20所示.結(jié)果表明，橡膠緩沖裝置的最大變形和最大碰撞力與碰撞速度有關(guān).最大碰撞力依賴于碰撞速度和天然橡膠的厚度.因此，碰撞速度和天然橡膠的厚度可以用作橡膠緩沖裝置的設(shè)計(jì)變量.同時(shí)，對(duì)橡膠緩沖裝置的沖擊性能進(jìn)行了數(shù)值模擬.數(shù)值分析結(jié)果表明：壓縮應(yīng)變較大時(shí)，數(shù)值方法不能很好地模擬天然橡膠的特性；應(yīng)變率效應(yīng)影響了橡膠緩沖裝置的性能.

圖20 橡膠緩沖碰撞試驗(yàn)裝置[96-97]Fig.20 Test setup for the collision test of rubber bumper[96-97]

Jankowski等[78]研究了橡膠緩沖裝置對(duì)減小隔震主梁碰撞的有效性.Kawashima等[98]在對(duì)安裝應(yīng)變硬化、應(yīng)變軟化和彈性橡膠緩沖裝置的碰撞效果進(jìn)行了大量非線性動(dòng)力時(shí)程分析的基礎(chǔ)上，研究發(fā)現(xiàn)：橡膠緩沖裝置能有效減小碰撞產(chǎn)生的沖擊力和加速度脈沖；彈性橡膠緩沖裝置對(duì)減小梁體的縱向位移及墩柱的非線性反應(yīng)效果不明顯；相比之下，安裝應(yīng)變軟化型橡膠緩沖裝置更加有效地減小了梁體的位移和碰撞力.Raheem[99]研究了隔震橋梁結(jié)構(gòu)中天然橡膠墊減小碰撞的效果.研究發(fā)現(xiàn)，天然橡膠墊放在橋梁組件之間能夠顯著減小碰撞力峰值，同時(shí)也減小了纜索限位器力.因此，建議采用半間隙松弛形狀的橡膠緩沖裝置，該裝置能夠減小碰撞力和碰撞加速度且造價(jià)較低.Shrestha等[100]評(píng)價(jià)了在空間變化地震動(dòng)作用下，使用橡膠緩沖裝置和限位裝置的多跨框架橋減小碰撞和落梁破壞的效果.石巖等[101]研究了橡膠緩沖裝置對(duì)簡(jiǎn)支梁橋橫向偏心碰撞的效果.結(jié)果表明，通過安裝橡膠緩沖墊，可以大幅減小簡(jiǎn)支梁橋橫向偏心碰撞的碰撞力，提高簡(jiǎn)支梁橋的橫向抗震性能.張文學(xué)等[102]采用橡膠緩沖裝置減小斜拉橋與引橋之間碰撞響應(yīng).

盡管橡膠緩沖裝置在減小橋梁結(jié)構(gòu)碰撞反應(yīng)上十分有效，但是天然橡膠在環(huán)境荷載下耐久性差.為了克服這個(gè)問題，Li等[103]開發(fā)了一種新型形狀記憶合金橡膠，并對(duì)其力學(xué)性能、自恢復(fù)能力和加熱時(shí)的復(fù)位能力進(jìn)行了研究.結(jié)果表明，形狀記憶合金橡膠為率無關(guān)應(yīng)變硬化型材料，力學(xué)性能穩(wěn)定，具有耗能能力和良好的自復(fù)位性能，可以實(shí)現(xiàn)碰撞緩沖材料的重復(fù)利用.圖21(a)為形狀記憶合金橡膠壓縮應(yīng)變幅值為45%前后的變形.圖21(b)示出了壓縮應(yīng)變幅值為15%、20%和48%時(shí)的形狀記憶合金橡膠的應(yīng)力- 應(yīng)變曲線.可以看到：壓縮應(yīng)變幅值為20%時(shí)沒有觀察到殘余變形；壓縮應(yīng)變幅值為48%時(shí)，殘余應(yīng)變?yōu)?%.這說明形狀記憶合金橡膠可恢復(fù)殘余應(yīng)變幅值為20%～48%.Meng等[104]采用振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)評(píng)估了形狀記憶合金橡膠緩沖裝置減少高墩大跨橋梁地震碰撞的效果.Li等[105]通過安裝形狀記憶合金橡膠緩沖裝置的隔震橋梁振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，研究了形狀記憶合金橡膠緩沖裝置的減震機(jī)制.結(jié)果表明，形狀記憶合金橡膠緩沖裝置不僅顯著降低了橋梁的碰撞，而且消除了由碰撞產(chǎn)生的應(yīng)力波.

圖21 形狀記憶合金橡膠自恢復(fù)應(yīng)變[103]Fig.21 Self-restorable strain for shape memory alloy pseudo-rubber[103]

圖22 混合裝置的類型Fig.22 Type of hybrid devices

可壓碎裝置是另一種碰撞吸能裝置.在多遇地震作用下，該裝置離梁端較遠(yuǎn)，不發(fā)生碰撞.在罕遇地震作用下，該裝置在碰撞過程中被梁體壓碎，并耗散地震能量，從而減小或避免結(jié)構(gòu)的碰撞.地震過后，破壞的可壓碎裝置可以更換.Jankowski等[78]研究發(fā)現(xiàn)可壓碎裝置本身吸收的碰撞能力較小，但可壓碎裝置破壞后，梁體的自由振動(dòng)耗散大部分的能量.

5 混合裝置

由于單一的裝置不能同時(shí)有效地減小橋梁的落梁和碰撞破壞，許多研究者提出由2種或2種以上不同功能的裝置組合而成的混合裝置來實(shí)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)的防落梁和防碰撞.混合裝置組合方式有限位裝置與阻尼限位裝置、限位裝置與碰撞吸能裝置、阻尼限位裝置與模塊化伸縮縫、阻尼限位裝置與碰撞吸能裝置、碰撞吸能裝置與模數(shù)式伸縮縫組合以及其他組合方式，如圖22所示.

Zhang等[34]開發(fā)了一種具有自復(fù)位功能的混合裝置，將SMA纜索作為約束和自復(fù)位部件，阻尼器作為耗能部件.在多遇地震下，SMA纜索不工作，僅阻尼裝置起作用.在罕遇地震下，SMA纜索和阻尼器協(xié)同工作，以限制主梁位移.

限位裝置與橡膠緩沖裝置組合形成的混合裝置具有防落梁和減震的優(yōu)勢(shì)，是工程中應(yīng)用廣泛的裝置之一.Kawashima等[98]發(fā)現(xiàn)混合纜索限位器和橡膠緩沖裝置能有效減小橋梁結(jié)構(gòu)連接處的加速度和相對(duì)位移，在一定程度上減小了橋墩的響應(yīng).Zhu等[106]建議使用混合裝置與橡膠緩沖裝置以減小高架橋在地震作用下的碰撞效應(yīng)和落梁風(fēng)險(xiǎn).Raheem[99]研究了纜索限位器與橡膠緩沖裝置的3種不同安裝方式對(duì)減小多跨隔震橋梁伸縮縫處落梁和碰撞的效果，如圖23所示.

圖23 纜索限位器與橡膠緩沖裝置的混合裝置的3種安裝方式[99]Fig.23 Three installation methods of hybrid device of cable restrainer and rubber buffer[99]

江輝等[107]采用能力譜方法和非線性動(dòng)力時(shí)程方法，對(duì)鋼棒限位器和橡膠墊混合裝置的剛度參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)果表明，該混合裝置的剛度對(duì)減震效果具有顯著影響.為了減小模塊化伸縮縫由于地震產(chǎn)生的破壞，Yang等[108]開發(fā)了一種防屈曲SMA- 模塊化伸縮縫.研究發(fā)現(xiàn)，防屈曲SMA能夠提供比無約束SMA更高的自復(fù)位能力，減小SMA用量和裝置的成本.Berton等[109]研究了在多跨橋上應(yīng)用液體黏滯阻尼器與模數(shù)式伸縮縫的混合裝置.研究表明，該混合裝置可以有效地減少落梁，防止碰撞破壞，減小橋墩彎矩和模數(shù)式伸縮縫的尺寸.

燕斌等[110]提出一種新型防落梁板式橡膠支座，該支座由板式橡膠支座和鋼絲繩組成.在正常使用階段和設(shè)計(jì)地震作用下，僅橡膠板發(fā)揮作用；在罕遇地震作用下，當(dāng)橡膠板的變形達(dá)到其設(shè)計(jì)容許變形值時(shí)，鋼絲繩被拉緊，防止落梁發(fā)生.研究表明，該支座既可保護(hù)支座，又能限制橋梁上、下部結(jié)構(gòu)間發(fā)生過大的相對(duì)位移，但會(huì)造成橋墩地震響應(yīng)增加.

根據(jù)結(jié)構(gòu)多級(jí)設(shè)防、耗能減震的抗震設(shè)計(jì)思想，建議開發(fā)和設(shè)計(jì)既能防止落梁和防碰撞，又能有效保護(hù)橋墩等重要構(gòu)件，并耗散地震能量輸入的混合裝置.

6 工程應(yīng)用

雖然減小橋梁結(jié)構(gòu)落梁和碰撞的裝置很多，但是其在橋梁中的應(yīng)用有一定局限性.纜索限位器在許多國(guó)家和地區(qū)的橋梁結(jié)構(gòu)中得到十分廣泛的應(yīng)用，例如我國(guó)許多的公路和鐵路橋梁.鋼棒限位器也得到了廣泛的應(yīng)用.榫形防落梁裝置在鐵路橋上得到了廣泛應(yīng)用[111].阻尼限位裝置不僅能防止落梁，還能減小碰撞，因此，得到大量的工程應(yīng)用.液體黏滯阻尼器為實(shí)際工程中常用的防落梁和防碰撞裝置之一，如我國(guó)的鵝公巖大橋、盧浦大橋、蘇通長(zhǎng)江大橋、潤(rùn)揚(yáng)長(zhǎng)江大橋、西堠門大橋、泰州長(zhǎng)江大橋等[112].磁流變阻尼器在武漢天興洲大橋中得到應(yīng)用，以減小橋梁發(fā)生碰撞的風(fēng)險(xiǎn).模數(shù)式伸縮縫廣泛應(yīng)用于橋梁實(shí)際工程，如我國(guó)的阿什河大橋、南寧英華橋、武漢沙湖大橋、青島海灣大橋、蘇通長(zhǎng)江大橋，其中蘇通長(zhǎng)江大橋使用的模數(shù)式伸縮縫是我國(guó)目前位移量最大的模數(shù)式伸縮縫.鋼限位器與碰撞吸能裝置組成的混合裝置也已應(yīng)用在實(shí)際工程中.但是，例如一些金屬阻尼器、碰撞吸能裝置及混合阻尼器在實(shí)際工程應(yīng)用還較少.

7 結(jié)論

1) 纜索/鋼棒限位器由于其成本低，安裝方便，防落梁效果好，成為新建或加固橋梁中常用的限位裝置，纜索/鋼棒限位器在地震作用下耗能能力較小.SMA限位器具有耗能和自復(fù)位能力，能夠有效地減小橋梁的落梁和碰撞，由于材料價(jià)格高等原因，限制了其發(fā)展應(yīng)用.

2) 金屬阻尼器在防落梁和防碰撞方面比傳統(tǒng)限位裝置更有效.碰撞吸能裝置能夠有效地減小相鄰梁體間的碰撞.橡膠緩沖裝置由于所使用的天然橡膠存在耐久性問題，導(dǎo)致其應(yīng)用受到一定限制.混合裝置結(jié)合了2種或更多種材料或裝置的優(yōu)點(diǎn)，能夠有效地防止落梁和碰撞破壞，是最近研究的熱點(diǎn)和今后發(fā)展的趨勢(shì).

3) 當(dāng)前防落梁和防碰撞研發(fā)主要針對(duì)中小跨徑的城市與公路橋梁為主，對(duì)大跨度橋梁、山區(qū)高架橋以及跨海橋梁的研究較少，地震動(dòng)空間效應(yīng)和土- 結(jié)構(gòu)相互作用對(duì)大跨度橋梁和非規(guī)則橋梁防落梁和防碰撞效果影響大，還需深入研究.