黏滯阻尼器在桑園子黃河大橋上的應(yīng)用研究

談存紅，孔維艷

（1.甘肅五環(huán)公路工程有限公司，蘭州 730100；2.甘肅博睿交通重型裝備制造有限公司，蘭州 730100）

1 引言

我國處在地震多發(fā)帶，地震危害之大是國人有目共睹的，尤其是西北、西南地區(qū)的青海、甘肅、四川近年來地震災(zāi)害頻發(fā)。隨著西部大開發(fā)國家戰(zhàn)略的進(jìn)一步深入，西部地區(qū)高速公路網(wǎng)和各種城市交通干線建設(shè)越來越多，大型橋梁作為跨江跨河的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，其在地震災(zāi)害時(shí)的安全性顯得愈發(fā)重要。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)為增加結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，即設(shè)計(jì)過程中認(rèn)為結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)，如果結(jié)構(gòu)不能滿足設(shè)計(jì)要求，則通過增大構(gòu)件截面提高結(jié)構(gòu)剛度來抵抗地震力[1]，但對于高烈度地震區(qū)大型橋梁而言，通過結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的加強(qiáng)會導(dǎo)致建設(shè)成本的急劇增加，同時(shí)相較于目前的主流減震/ 隔震設(shè)計(jì)理念也有較多不足，當(dāng)前地震區(qū)橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中基本遵循“小震不壞，中震可修，大震不倒”的原則，為此，在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中引入了延性設(shè)計(jì)概念[2]，在橋梁關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)處設(shè)置減震、隔震裝置成為常見的做法。

黏滯阻尼器的設(shè)置對于橋梁的減震耗能是一種比較好的選擇，它是一種速度相關(guān)型的耗能裝置，中間活塞在密閉腔體內(nèi)運(yùn)動時(shí)迫使黏性介質(zhì)通過活塞上的孔隙交換，將結(jié)構(gòu)的動能轉(zhuǎn)化為介質(zhì)內(nèi)能向環(huán)境中耗散來減震。黏滯阻尼器具有很強(qiáng)的耗能能力，且不對主體結(jié)構(gòu)附加剛度，因黏滯阻尼器的諸多優(yōu)勢，使之在土木工程領(lǐng)域迅速成為設(shè)計(jì)人員廣泛認(rèn)可的消能減震裝置[3]。

2 項(xiàng)目概況

G312 線清水驛至傅家窯公路工程桑園子黃河大橋?yàn)榍甯淀?xiàng)目的重點(diǎn)控制性工程，大橋位于桑園子峽谷，橋軸線與黃河斜交角度約60°，跨越黃河、隴海鐵路、省道公路、桑園子天險(xiǎn)文物保護(hù)區(qū)。大橋主橋采用雙塔三跨半漂浮體系結(jié)合梁斜拉橋，按分離式雙向8 車道設(shè)計(jì)，橋梁主跨328 m，是連接蘭州市和榆中生態(tài)創(chuàng)新城的重要通道之一，是國內(nèi)8 度以上地震區(qū)最大跨度分幅聯(lián)塔斜拉橋，也是甘肅省內(nèi)采用新技術(shù)、新材料最多的橋梁，建成后將創(chuàng)多項(xiàng)之最。

3 阻尼器設(shè)置

黏滯阻尼器主要由封閉缸體、活塞、活塞桿、銷軸、阻尼介質(zhì)、密封部件、關(guān)節(jié)軸承、防塵罩及連接部分組成。

黏滯阻尼器本構(gòu)關(guān)系一般可描述如下：

式中，F(xiàn)為阻尼力，kN；α 為速度指數(shù)，一般為0.1～1；C為阻尼系數(shù)，kN/（m/s）α；v為阻尼構(gòu)件的運(yùn)動速度，m/s。

設(shè)計(jì)單位對全橋通過MIADS 分析優(yōu)化，確定本項(xiàng)目阻尼器速度指數(shù)為0.4，阻尼系數(shù)為6 000 kN/（m/s）0.4，阻尼力6 500 kN，最大速度1.2 m/s，總行程±740 mm，每個(gè)橋塔上設(shè)置2 套，全橋一共8 套，是目前國內(nèi)設(shè)計(jì)阻尼力最大的黏滯阻尼器之一，其布置形式如圖1 所示。

圖1 阻尼器布置位置圖

黏滯阻尼器兩端各設(shè)置連接件1 套，一端通過螺栓與橋塔墊石的預(yù)埋件連接，另一邊通過螺栓螺母連接至主橋工字梁梁底，如此，橋梁在地震工況下，其動能通過黏滯阻尼器傳遞給橋塔時(shí)，阻尼器可起到減震作用，在橋梁往復(fù)運(yùn)動過程中，黏滯阻尼器吸收能量并轉(zhuǎn)換為熱能耗散到環(huán)境中。

在滿足黏滯阻尼器性能曲線要求后，其主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要考慮強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求，活塞桿及缸體為重點(diǎn)計(jì)算校核部分，安全系數(shù)均不低于1.5。

本項(xiàng)目阻尼器活塞桿采用40Cr 材質(zhì)，調(diào)質(zhì)后屈服強(qiáng)度不低于490 MPa，直徑210 mm，連接處螺紋采用M200×4，活塞桿危險(xiǎn)截面處為螺紋連接處，因黏滯阻尼器所受載荷為拉力和壓力，其校核方式如下：

式中，σ1為活塞桿所受應(yīng)力；Fmax為最大阻尼力，kN；d1為螺紋小徑，mm；[σ]為材料許用應(yīng)力，MPa，由屈服強(qiáng)度σs和安全系數(shù)n計(jì)算得出，[σ]=σs/n。

經(jīng)過計(jì)算活塞桿強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

黏滯阻尼器缸體為45 鋼無縫鋼管，調(diào)質(zhì)后屈服強(qiáng)度不低于370 MPa，內(nèi)徑530 mm，壁厚60mm。因缸體部分承受內(nèi)部壓力較大，約為35 MPa，校核采用厚壁鋼管校核方式，可按Lamè 公式[4]計(jì)算缸體的應(yīng)力分布。

徑向力分布：

周向力分布：

軸向力：

綜合應(yīng)力（分別按第三強(qiáng)度理論和第四強(qiáng)度理論）：

式中，R0、Ri分別為缸體內(nèi)半徑和外半徑；r為缸壁與中心軸線的距離；φr為活塞桿直徑；pi為缸體內(nèi)表面介質(zhì)壓力；p0為缸體外表面壓力，約0.1 MPa；σr為缸體上距離中心軸線r處的徑向應(yīng)力；σθ為缸體距離中心軸線r處的周向應(yīng)力；σz為缸體軸向應(yīng)力；σⅢ為按第三強(qiáng)度理論計(jì)算的綜合應(yīng)力；σⅣ為按第四強(qiáng)度理論計(jì)算的綜合應(yīng)力。

通過分析缸體壁厚方向上的應(yīng)力分布，內(nèi)壁處為最危險(xiǎn)截面，通過計(jì)算，缸體強(qiáng)度滿足要求。

穩(wěn)定性校核時(shí)，因黏滯阻尼器缸體處有兩處端蓋及活塞作為支撐，穩(wěn)定性顯著增加，薄弱環(huán)節(jié)主要為外露活塞桿處，因活塞桿在端蓋處為圓柱面約束，無轉(zhuǎn)角，校核時(shí)，將外露活塞桿處簡化為兩端鉸接，計(jì)算長度為鉸點(diǎn)至端蓋距離的2 倍（見圖2）。

圖2 穩(wěn)定性校核示意圖

本項(xiàng)目L/2 為2.2 m，壓桿的柔度（長細(xì)比）λ 計(jì)算如下：

式中，μ 為壓桿的長度系數(shù)，數(shù)值為1；i為壓桿截面的最小慣性半徑，為0.052 5 m；L為壓桿全長。

通過計(jì)算得到壓桿柔度約為85，系大柔度壓桿，校核時(shí)按歐拉公式計(jì)算其臨界載荷如下：

式中，E為材料的彈性模量；Imin為壓桿截面最小慣性矩。

通過計(jì)算，臨界載荷約為10 000 kN，相較于最大阻尼力6 500 kN，其安全系數(shù)大于1.5，滿足要求。

4 黏滯阻尼器試驗(yàn)

本項(xiàng)目黏滯阻尼器在裝配完成后，目前在中船雙瑞（洛陽）特種裝備股份有限公司武漢分公司試驗(yàn)室進(jìn)行了慢速試驗(yàn)和部分本構(gòu)關(guān)系試驗(yàn)（見圖3）。試驗(yàn)工況1 和工況2 均為3 個(gè)正弦波位移循環(huán)，阻尼力取第二圈零位拉伸、壓縮兩個(gè)方向的平均值；工況1 振幅為180 mm，最大測試速度為215 mm/s，工況2 振幅為250 mm，最大測試速度為235 mm/s；工況1 與工況2阻尼力分別為3 045 kN 和3 213 kN。結(jié)果如圖4 所示。

圖3 黏滯阻尼器試驗(yàn)照片

圖4 黏滯阻尼器試驗(yàn)曲線

黏滯阻尼器慢速試驗(yàn)測試為一個(gè)三角波位移循環(huán)，速度為勻速1 mm/s，測試結(jié)果表明其反力小于200 kN，滿足不超過設(shè)計(jì)阻尼力10%的要求。兩不同工況測試結(jié)果偏差約為-5%，偏差在10%以內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。由于試驗(yàn)設(shè)備并不能滿足6500 kN 阻尼力試驗(yàn)，為了確保試驗(yàn)設(shè)備及產(chǎn)品安全，未開展更高速度本構(gòu)關(guān)系測試。

通過分析本項(xiàng)目黏滯阻尼器技術(shù)參數(shù)，結(jié)合國內(nèi)眾多試驗(yàn)機(jī)構(gòu)、企業(yè)、大學(xué)的相關(guān)試驗(yàn)機(jī)調(diào)研，廣州大學(xué)工程抗震研究中心萬噸壓剪機(jī)在國內(nèi)外都處于領(lǐng)先位置，可提供的最大動載輸出不小于10 000 kN，能完成本項(xiàng)目黏滯阻尼器試驗(yàn)。目前雙方已達(dá)成合作協(xié)議，但受目前試驗(yàn)機(jī)調(diào)試進(jìn)度影響，暫未能開展相關(guān)試驗(yàn)事宜，后續(xù)按EN 15129:2018《隔震裝置》完成該黏滯阻尼器型式試驗(yàn)。

5 黏滯阻尼器安裝、維護(hù)

黏滯阻尼器正確安裝對于其在橋梁上正常運(yùn)行是非常重要的。首先，橋塔墊石處預(yù)埋部分定位需準(zhǔn)確，同時(shí)預(yù)埋鋼板平整度需達(dá)到設(shè)計(jì)要求，法線與橋梁順橋向偏角不超過1°，如圖5 所示。

圖5 黏滯阻尼器預(yù)埋件預(yù)埋偏差示意

預(yù)埋角度偏差超出要求，會使黏滯阻尼器安裝時(shí)產(chǎn)生預(yù)偏，橫向?qū)嶋H允許偏角相對于設(shè)計(jì)而言會變小。極限工況下，黏滯阻尼器偏轉(zhuǎn)時(shí)與連接件可能會發(fā)生干涉。除了預(yù)埋鋼板偏角以外，橫向定位誤差同樣會使黏滯阻尼器安裝時(shí)產(chǎn)生預(yù)偏，故定位時(shí)預(yù)埋件中心與工字梁中心線之間橫橋向偏差不得超過5 cm。相較于橫向定位偏差，豎向定位偏差對阻尼器后續(xù)影響較小，這主要是因?yàn)楸卷?xiàng)目阻尼器按圖1 布置，豎向偏角無特殊限制。同時(shí)較小夾角對于阻尼器水平向分力影響幾乎可以忽略不計(jì)。

黏滯阻尼器連接件在橋塔與預(yù)埋件之間通過螺栓連接，螺栓安裝時(shí)需按設(shè)計(jì)要求安裝平墊圈和彈簧墊圈，同時(shí)按要求預(yù)緊，確保螺栓在長期使用過程中不松脫。黏滯阻尼器連接件在鋼梁底與鋼梁之間通過螺栓連接，考慮到黏滯阻尼器工作過程中為拉壓交替載荷，鋼梁螺栓采用雙螺母防松。

連接件安裝完成后，通過卷揚(yáng)設(shè)備將黏滯阻尼器吊裝至安裝位置，通過千斤頂或手拉葫蘆進(jìn)行微調(diào)，安裝梁底處銷軸，梁底安裝完成后，現(xiàn)場用千斤頂或手拉葫蘆調(diào)節(jié)阻尼器長度，使橋塔處阻尼器關(guān)節(jié)軸承孔與連接件安裝孔重合，安裝此處銷軸。

黏滯阻尼器采用免維護(hù)或少維護(hù)設(shè)計(jì)，一般而言，安裝完成后進(jìn)行一次全面檢查，檢查設(shè)備是否滲漏，油漆是否破損，外觀是否完好，運(yùn)動部分是否存在干涉可能，螺栓安裝是否正常，并做好記錄。橋梁通車后半年檢查一次，查看黏滯阻尼器的運(yùn)行情況是否良好。以后每年檢查一次即可，每次檢查需做好檢驗(yàn)記錄，對于發(fā)現(xiàn)異常情形，必須聯(lián)系專業(yè)廠家進(jìn)行進(jìn)一步檢查。除常規(guī)檢查外，發(fā)生地震或劇烈撞擊等情況后，需對黏滯阻尼器開展專項(xiàng)檢查，確定阻尼器設(shè)備正常運(yùn)行。

對于接近服務(wù)年限的黏滯阻尼器，應(yīng)適當(dāng)縮短檢查周期，一般半年檢查一次即可。阻尼器維修或更換后，檢查周期參照初次安裝的檢查頻次開展常規(guī)檢查。每次檢查時(shí)，對阻尼器關(guān)節(jié)軸承處加注潤滑脂，對油漆損壞處進(jìn)行油漆噴涂修補(bǔ)處理。

6 結(jié)語

結(jié)合桑園子黃河大橋的實(shí)際工程特點(diǎn)及減震需求，本項(xiàng)目阻尼器布置合理，黏滯阻尼器產(chǎn)品設(shè)計(jì)符合要求，初步試驗(yàn)結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)大型黏滯阻尼器完全國產(chǎn)化。通過該項(xiàng)目實(shí)施，掌握大型黏滯阻尼器在高烈度地震區(qū)大跨徑斜拉橋中的作用及工作原理，總結(jié)黏滯阻尼器安裝和維護(hù)方法，對桑園子黃河大橋黏滯阻尼器后期正常使用和延長使用壽命作用巨大。