橋梁黏滯阻尼器在役性能的測試研究

徐校春，朱唯豐

（上海材料研究所，上海市 200437）

0 引言

我國位于世界上兩大地震帶——環(huán)太平洋地震帶和亞歐地震帶之間，是全球大陸區(qū)域中最活躍的地震區(qū)之一。作為一個地震多發(fā)的國家,大面積的國土處于強(qiáng)震頻發(fā)的地帶, 因此抗震是我國工程領(lǐng)域非常重要的問題。

橋梁是我國交通系統(tǒng)中的重要組成部分，隨著我國高速公路網(wǎng)的建設(shè)，跨江海橋梁建設(shè)也全面展開。在過去的40 年中，我國共新建公路橋梁51 萬多座，特別是大跨徑橋梁的不斷突破，對于橋梁的安全防護(hù)已經(jīng)是關(guān)系國計民生的重要問題。如果因地震災(zāi)害造成大量橋梁結(jié)構(gòu)的破壞，不僅會帶來橋梁倒塌造成的損失，而且會因切斷了震區(qū)生命線，次生災(zāi)害將十分嚴(yán)重，從而導(dǎo)致更加巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。因此，減振抗震技術(shù)在橋梁工程的應(yīng)用已經(jīng)是必不可少的。其中，黏滯阻尼器以其良好的抗震性能及適用性大量應(yīng)用于大跨度橋梁上。第12 屆美國地震工程大會（UTC-7）于2022 年6 月28 日至7 月1 日在美國鹽湖城舉辦，會議主題為“重新構(gòu)想風(fēng)險與韌性”（Reimaging Risk and Resilience），集中體現(xiàn)過去四年世界各國學(xué)者在地震工程領(lǐng)域的最新研究成果，確定“韌性”是抗震設(shè)計理念今后的發(fā)展方向[1]。而黏滯阻尼器從一開始就是在“韌性”的抗震設(shè)計發(fā)展道路上，因此，我們可以預(yù)見，黏滯阻尼器在橋梁上的應(yīng)用將越來越廣泛。

1 橋梁黏滯阻尼器在役性能檢測的必要性

橋梁黏滯阻尼器的設(shè)計使用壽命一般為50 年至60 年，但是國內(nèi)目前已知的第一座使用黏滯阻尼器的橋梁是重慶鵝公巖大橋，于2000 年年底建成通車，也就是說國內(nèi)實(shí)際使用黏滯阻尼器的時間也就剛20 年出頭。作為一種新型產(chǎn)品，影響其工作性能變化的因素有很多，不同的設(shè)計結(jié)構(gòu)影響性能的因素也是不同的。但是最主要的影響因素有兩個，一個是阻尼介質(zhì)，另外一個就是密封系統(tǒng)。目前國內(nèi)的黏滯阻尼器的生產(chǎn)廠家魚龍混雜，使用的阻尼介質(zhì)也是五花八門，密封結(jié)構(gòu)也各有不同。因此，沒有很好的辦法直接來評判各種阻尼介質(zhì)和密封結(jié)構(gòu)使用效果的優(yōu)劣，我們只能采用定期檢測的方法來查看阻尼器性能是否穩(wěn)定。

目前黏滯阻尼器在橋梁應(yīng)用過程中，只有在出廠前進(jìn)行過專業(yè)的性能檢測。由于黏滯阻尼器安裝到橋梁上后，會長期處于工作狀態(tài)，在這過程中黏滯阻尼器性能是否有變化無法直接被維護(hù)人員了解。黏滯阻尼器在安裝完成后，基本就是和橋梁“共存亡”，期間阻尼器是否還在起作用沒有一個客觀判定。雖然國內(nèi)從2000 年第一個黏滯阻尼器安裝到橋梁上，至今為止，國內(nèi)在橋梁上已安裝了成千上百個黏滯阻尼器，但是真正還能起作用的黏滯阻尼器還有多少個還是個未知數(shù)。由于地震的發(fā)生是不可預(yù)見的，我們只能在安裝完阻尼器后被動地“等待”它的到來。在此之前，我們需要保證橋梁安裝的黏滯阻尼器是正常工作的，因此，在役黏滯阻尼器在工作五至十年后再次進(jìn)行性能檢測是非常必要的。

2 橋梁黏滯阻尼器在役性能的現(xiàn)場檢測

2.1 現(xiàn)場檢測前期準(zhǔn)備

一般在橋梁現(xiàn)場檢測時阻尼力的采集都是采用電阻應(yīng)變計進(jìn)行采集。而電阻應(yīng)變計采集的都是相對值，因此我們必須同時采集兩臺阻尼器的應(yīng)變值，并將其分為2 組，一組為檢測組（檢測組所在阻尼器定為1號阻尼器），一組為補(bǔ)償組（補(bǔ)償組所在阻尼器定為2號阻尼器）。下面以馬鞍山長江公路大橋主橋的縱向黏滯阻尼器在役性能測試為例，如圖1、圖2 所示。

圖1 黏滯阻尼器現(xiàn)場檢測之實(shí)景

圖2 黏滯阻尼器現(xiàn)場檢測示意圖

在同一主塔上選取兩臺對稱布置的黏滯阻尼器（1號和2號阻尼器），先將兩臺阻尼器同一端的銷軸取下，使這兩臺阻尼器處于自由狀態(tài)。分別在兩臺阻尼器接長套（接長套為傳力部件，不是工作腔，在上面布置應(yīng)變計不會影響阻尼器的性能）的四個方向布置四個應(yīng)變計，如圖3、圖4 所示。

圖3 應(yīng)變計布置圖

圖4 檢測組及參照組應(yīng)變計之實(shí)景

其中，應(yīng)變值和阻尼力的關(guān)系，我們可以通過以下計算得到：

假設(shè)：縱向黏滯阻尼器接長套的外徑為D，mm；內(nèi)徑為d，mm；截面積為S，mm2；其材料的彈性模量為E，MPa；所受的阻尼力為F，N；應(yīng)力為σ，MPa；應(yīng)變?yōu)棣拧?/p>

通過四個應(yīng)變計采集的應(yīng)變分別為ε1、ε2、ε3、ε4，可計算出平均應(yīng)變值：

那么，阻尼器接長套的平均應(yīng)力值為：

而接長套的截面積S 可通過下式計算：

從而計算出阻尼器接長套受到的阻尼力：

同時在檢測組所在阻尼器（1號阻尼器）上加載位移傳感器和溫度傳感器（見圖2），以便采集得到位移值和溫度值，方便對檢測阻尼器進(jìn)行后期數(shù)據(jù)分析和整理。

2.2 現(xiàn)場檢測過程

選取拔出銷軸時記錄下來的溫度，作為開始檢測的起始溫度。開始檢測前，記錄下當(dāng)前1號、2號阻尼器上八個應(yīng)變計的數(shù)據(jù)作為應(yīng)變計的初始基準(zhǔn)值（如圖5 所示），并將儀器設(shè)備清零。

圖5 應(yīng)變計初始值圖示

插入1號阻尼器銷軸，使1號阻尼器處于工作狀態(tài)，并開始使用采集儀同時采集1號、2號阻尼器的應(yīng)變值。先進(jìn)行半個小時的測試，判斷采集數(shù)據(jù)是否符合預(yù)期，如果有明顯錯誤，及時調(diào)整。然后開始正式測試并采集數(shù)據(jù)，采集數(shù)據(jù)時長必須大于24 h，如圖6、圖7 所示。

圖6 1號阻尼器（檢測組）平均應(yīng)變值的變化趨勢圖示

圖7 2號阻尼器（補(bǔ)償組）平均應(yīng)變值的變化趨勢圖示

從上述兩個圖我們可以看到，1號阻尼器表面的應(yīng)變計所測平均應(yīng)變值基準(zhǔn)線的變化趨勢和2號阻尼器表面應(yīng)變計所測的應(yīng)變值（補(bǔ)償組）變化趨勢相同，使用1號阻尼器所測的平均應(yīng)變值與2號阻尼器所測的平均應(yīng)變值之差即可將溫度等環(huán)境因素所帶來的相關(guān)誤差消除，得到1號阻尼器的真實(shí)應(yīng)變值的測試結(jié)果，如圖8 所示。

圖8 1號阻尼器（檢測組）真實(shí)應(yīng)變值的變化趨勢圖示

通過圖8 中的應(yīng)變值的變化，計算出1號阻尼器真實(shí)阻尼力的變化趨勢，如圖9 所示。

圖9 1號阻尼器（檢測組）真實(shí)阻尼力的變化趨勢圖示

在記錄上述應(yīng)變值的變化趨勢的同時，記錄下相同時間段1號阻尼器的位移變化趨勢和表面溫度變化趨勢，如圖10、圖11 所示。

圖10 1號阻尼器的位移變化趨勢曲線圖

圖11 1號阻尼器的表面溫度變化趨勢曲線圖

2.3 檢測結(jié)果分析

通過上述的測試，我們得到了1號阻尼器的位移變化趨勢和阻尼力的變化趨勢，截取一段同一起始時刻的的位移時程曲線和阻尼力時程曲線（取1000 s），分析這段時間阻尼器的力學(xué)性能，截取的分析數(shù)據(jù)如圖12、圖13 所示。

圖12 1號阻尼器1000 s 的位移時程曲線圖

從圖12、圖13，我們可以看出，阻尼器位移明顯呈周期性運(yùn)動，由于馬鞍山長江公路大橋的黏滯阻尼器是速度型阻尼器，其力學(xué)方程為：，因此要分析阻尼器的力學(xué)性能，必須得到阻尼器的運(yùn)動速度。阻尼器的運(yùn)動速度由兩種方式得到：一種是根據(jù)位移進(jìn)行微分得到；另一種是將位移進(jìn)行傅里葉變換，得到位移的各階組成進(jìn)行計算得到。由于這次采集位移和應(yīng)變不是同步采集，微分得到的速度無法找到相對應(yīng)時刻的實(shí)測力值，因此我們采用傅里葉變換。利用傅里葉變換得到對應(yīng)頻譜圖并分析一階模態(tài)下阻尼器理論力與實(shí)測力誤差，對應(yīng)頻譜圖如圖14、圖15 所示。

圖14 1號阻尼器1000 s 位移頻譜圖

圖15 1號阻尼器1000 s 阻尼力頻譜圖

1 階模態(tài)下計算理論力如表1 所列。

表1 1號阻尼器1 階模態(tài)下的速度和理論力值一覽表

根據(jù)阻尼力頻譜圖可得，一階模態(tài)下實(shí)測阻尼力往復(fù)值約為±193 kN（見圖15），這兩個數(shù)值非常接近，誤差小于15%，滿足阻尼器力學(xué)性能要求。

如果實(shí)際采集時，我們能夠同時采集到位移和應(yīng)變，通過將位移微分得到速度，并同時得到對應(yīng)的實(shí)際阻尼力，對于我們分析阻尼器的性能將更加有利。

3 結(jié)論

（1）按上述測試方法進(jìn)行測試，排除了溫度、環(huán)境等因素的影響，測試的數(shù)據(jù)可靠準(zhǔn)確，且用時短，相對來說工作流程也比較簡潔，是一種值得推薦的橋梁黏滯阻尼器在役性能的測試方法。

（2）黏滯阻尼器作為橋梁百年工程的保護(hù)裝置，其質(zhì)量關(guān)系著橋梁的生命，對于不可預(yù)見的地震，我們要隨時保證黏滯阻尼器的工作狀態(tài)是正常的，因此定期對橋梁在役黏滯阻尼器進(jìn)行檢測是非常必要的。

（3）根據(jù)上述的測試數(shù)據(jù)和分析結(jié)果，馬鞍山長江公路大橋上安裝的黏滯阻尼器力學(xué)性能檢測結(jié)果與理論值非常接近，表明上海材料研究所生產(chǎn)的馬鞍山長江公路大橋黏滯阻尼器經(jīng)過近十年的運(yùn)行后，還處于正常工作狀態(tài)，其質(zhì)量滿足設(shè)計要求，表現(xiàn)優(yōu)異。

（4）從2000 年第一臺黏滯阻尼器安裝到國內(nèi)橋梁上開始，黏滯阻尼器在國內(nèi)橋梁的應(yīng)用歷史已經(jīng)有20 余年，但是鮮有進(jìn)行再檢測的實(shí)例，馬鞍山長江公路大橋阻尼器進(jìn)行的現(xiàn)場實(shí)測是黏滯阻尼器發(fā)展的又一個里程碑，表明國產(chǎn)黏滯阻尼器不僅在性能上已經(jīng)達(dá)到了世界一流水平，質(zhì)量上也達(dá)到了世界一流水平。