橋梁弧形鋼阻尼裝置與工程應(yīng)用

楊 俊，高 昊，錢(qián)云峰

（1.上海材料研究所，上海市 200437；2.中交路橋建設(shè)有限公司，北京市 100027；3.上海上材減振科技有限公司，上海市 200437；4.上海消能減震工程技術(shù)研究中心，上海市 200437）

0 引 言

橫向減震體系相比于傳統(tǒng)的固定約束體系，在上部結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)位移控制在可接受范圍內(nèi)的情況下，能夠有效減小通過(guò)支承連接處傳遞至下部結(jié)構(gòu)的慣性力，降低相關(guān)地震需求，是一種較為合理的抗震體系。數(shù)值模擬和振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)表明，以彈塑性鋼阻尼裝置為代表的這種橫向減震體系在懸索橋[1]、斜拉橋[2，3]、拱橋[4]和梁式橋[5]中均可取得較好的控制效果。鋼阻尼裝置類(lèi)型中，較為常見(jiàn)的阻尼元件形式有柱形、三角形、E（ε 或m）形、C（Ω）形等。如圖1（a）所示，以柱形[6]、三角形[7]阻尼元件為代表的鋼阻尼裝置，一般通過(guò)預(yù)留滑道的方式適應(yīng)橋梁上部結(jié)構(gòu)沿順橋向的活動(dòng)位移（如溫度作用下的伸縮位移），該裝置在使用時(shí)，頂?shù)装逍璺謩e與主梁和墩頂進(jìn)行連接。如圖1（b）所示，以E（ε 或m）形、C（Ω）形[8]元件為代表的鋼阻尼裝置，一般需要通過(guò)設(shè)置附加的滑塊和滑槽構(gòu)造以適應(yīng)前述活動(dòng)位移，該裝置在使用時(shí)，裝置可向外懸出一部分，因此相關(guān)空間需求小于棒形、三角形等情況，但這種形式使得裝置本身重量分布不均，對(duì)附加的滑槽和滑塊的滑動(dòng)性能提出了挑戰(zhàn)。

圖1 常見(jiàn)的鋼阻尼裝置構(gòu)造

本文針對(duì)上述問(wèn)題，在保證附屬構(gòu)造滑動(dòng)性能可控的前提下，進(jìn)一步利用懸出式裝置的空間優(yōu)勢(shì)，提出一種具備多項(xiàng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)的橋梁弧形鋼阻尼裝置[9]。下文從構(gòu)造形式、技術(shù)優(yōu)勢(shì)、試驗(yàn)驗(yàn)證與工程應(yīng)用多個(gè)方面對(duì)本文的鋼阻尼裝置進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

1 構(gòu)造形式

如圖2 所示，弧形鋼阻尼裝置依次由主梁連接板、弧形阻尼元件、輔助推力箱、助推銷(xiāo)、導(dǎo)向滑塊和導(dǎo)向滑槽以及墩頂連接板等部件組成。其中以交叉疊置的弧形阻尼元件為主體，構(gòu)成阻尼模塊；以導(dǎo)向滑塊和導(dǎo)向滑槽為主體，構(gòu)成運(yùn)營(yíng)模塊。裝置在應(yīng)用時(shí)，輔助推力箱和主梁連接板同時(shí)和橋梁上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，在橋梁結(jié)構(gòu)正常使用狀態(tài)下，輔助推力箱通過(guò)助推銷(xiāo)和弧形阻尼元件共同傳動(dòng)運(yùn)營(yíng)模塊的主體部件導(dǎo)向滑塊沿導(dǎo)向滑槽滑動(dòng)。由于有雙重傳力路徑的保證，該裝置在日常運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，滑動(dòng)功能更加穩(wěn)定可控。地震作用下，助推銷(xiāo)可以迅速發(fā)生指定模式的剪斷破壞，此時(shí)裝置與橋梁結(jié)構(gòu)的有效連接分別為墩頂連接板和主梁連接板，阻尼模塊中的主體部件弧形阻尼元件可以按照指定模式發(fā)生變形，提供阻尼力。關(guān)于地震作用下裝置的減震消能效果，后文將通過(guò)弧形阻尼元件的足尺試驗(yàn)進(jìn)一步論證。

圖2 弧形鋼阻尼裝置構(gòu)造

2 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

本文提出的新型弧形鋼阻尼裝置，與現(xiàn)有的鋼阻尼裝置相比，具有以下技術(shù)特征和技術(shù)優(yōu)勢(shì)：

（1）功能可控，具體體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

a. 日常狀態(tài)下，運(yùn)營(yíng)模塊的滑動(dòng)功能可控，這一點(diǎn)通過(guò)雙重傳力路徑得到保證，相關(guān)傳力路徑示意見(jiàn)圖3。

圖3 雙重傳力路徑示意

b. 地震作用下，阻尼模塊的減震功能可控，弧形阻尼元件發(fā)生指定模式的變形時(shí)，力學(xué)模型為一變截面曲梁，通過(guò)平面內(nèi)受彎模式提供相應(yīng)的阻尼力。

（2）空間節(jié)省，具體體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

a. 懸出的構(gòu)造形式，使得鋼阻尼裝置大部分懸空設(shè)置，很大程度減少了像柱形、三角板形一類(lèi)鋼阻尼裝置必須在墩頂投影空間范圍內(nèi)進(jìn)行安裝的空間限制。

b. 弧形阻尼元件交叉疊放，相較于傳統(tǒng)的E（ε或m）形、C（Ω）形阻尼元件，該種疊放形式最大程度減小了平面占用空間，為高烈度地區(qū)特大橋梁大噸位阻尼力的減震技術(shù)實(shí)現(xiàn)提供可能。

（3）成本優(yōu)勢(shì)明顯。本文提出的新型弧形鋼阻尼裝置造價(jià)相對(duì)較為經(jīng)濟(jì)，原因有二：

a. 本文的弧形阻尼元件不存在類(lèi)似于E（ε 或m）形的邊肢或中間肢，全部節(jié)段參與耗能，其理論材料用量最為節(jié)省。

b. 弧形阻尼元件的加工制作可以直接在鋼板上裁切進(jìn)行，不同于柱形阻尼元件的鍛造工藝，技術(shù)工藝要求較低；同時(shí)受益于弧形阻尼元件的線形，各弧形阻尼元件可在鋼板內(nèi)相互交叉裁切，邊角廢料相對(duì)較少，板材的使用率相對(duì)較高。

（4）可修可換性強(qiáng)。新型弧形鋼阻尼裝置基于模塊化的設(shè)計(jì)思想進(jìn)行設(shè)計(jì)，阻尼元件分別通過(guò)螺栓與連接部件進(jìn)行連接，包括運(yùn)營(yíng)模塊中的助推銷(xiāo)等構(gòu)造，可拆卸程度均較高，方便日常運(yùn)營(yíng)維修和震后更換。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

針對(duì)前文提到的弧形鋼阻尼裝置，我方設(shè)計(jì)了設(shè)計(jì)位移為±305 mm、設(shè)計(jì)阻尼力為192 kN 的弧形鋼阻尼元件，并完成了其足尺試驗(yàn)。試驗(yàn)參考《公路橋梁彈塑性鋼減震支座》[10]中的加載要求進(jìn)行，分別進(jìn)行了0.25 倍、0.5 倍、1.0 倍和1.2 倍設(shè)計(jì)位移4 個(gè)工況的加載，試驗(yàn)過(guò)程中部分照片見(jiàn)圖4。

圖4 試驗(yàn)中的弧形鋼阻尼元件

四個(gè)工況下測(cè)得的阻尼元件的力- 位移曲線關(guān)系見(jiàn)圖5。由圖5 可知，阻尼元件力-位移曲線飽滿，具有良好的滯回耗能特性。

圖5 四種工況下的力- 位移曲線

4 工程應(yīng)用

本文提出的弧形鋼阻尼裝置在國(guó)內(nèi)某斜拉橋的邊墩及輔助墩中得到應(yīng)用，用于橫橋向的震動(dòng)控制，提高大橋的抗震性能，相關(guān)應(yīng)用情況見(jiàn)圖6。截至目前，該裝置功能表現(xiàn)良好。

圖6 本文所涉的弧形鋼阻尼裝置在某大橋中的應(yīng)用情況

5 結(jié) 論

本文結(jié)合各種橋梁用鋼阻尼裝置的特點(diǎn)，提出了一種新型弧形鋼阻尼裝置，并從構(gòu)造形式、技術(shù)優(yōu)勢(shì)、足尺阻尼元件試驗(yàn)以及工程應(yīng)用等情況進(jìn)行了較為系統(tǒng)的介紹，主要結(jié)果和結(jié)論如下：

（1）本文提出的弧形鋼阻尼裝置由運(yùn)營(yíng)模塊和阻尼模塊兩部分組成，具備雙重傳力路徑保證運(yùn)營(yíng)模塊滑移功能的穩(wěn)定性，從而滿足橋梁結(jié)構(gòu)正常使用狀態(tài)下需適應(yīng)結(jié)構(gòu)沿指定方向的活動(dòng)位移的目標(biāo)需求。

（2）本文提出的弧形鋼阻尼裝置由于懸出式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式以及阻尼元件交叉疊放的布設(shè)方式，使得該裝置的空間普適性和工程實(shí)踐性較強(qiáng)。同時(shí)得益于弧形元件全部節(jié)段參與阻尼變形，且生產(chǎn)加工過(guò)程中對(duì)板材的利用率較高，使其又具備明顯的成本優(yōu)勢(shì)。

（3）針對(duì)本文裝置阻尼模塊中的弧形阻尼元件，本文開(kāi)展了足尺模型試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，弧形鋼阻尼具有良好的滯回耗能特性，可以為橋梁減震控制提供有效的技術(shù)解決途徑。最后結(jié)合國(guó)內(nèi)某斜拉橋，介紹了該裝置的工程實(shí)踐情況，為后續(xù)橋梁減震設(shè)計(jì)提供案例借鑒。