橋梁減震和防止落梁措施研究進展

邢心魁, 林?jǐn)埲? 覃荷瑛

(1.桂林理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院， 桂林 541004； 2.廣西有色金屬隱伏礦床勘查及材料開發(fā)協(xié)同創(chuàng)新中心， 桂林 541004; 3.廣西巖土力學(xué)與工程重點實驗室， 桂林 541004)

全球每年因為地震導(dǎo)致眾多橋梁破壞，造成巨大的人員傷亡和經(jīng)濟損失。地震作用下，橋梁各構(gòu)件間會產(chǎn)生較大的位移，導(dǎo)致梁-梁、梁-臺之間發(fā)生碰撞，如果梁體支座寬度不夠，嚴(yán)重時還會引起梁體墜落，如2011年新西蘭的克賴斯特徹奇(Christchurch)地震、2008年汶川地震、2006年印度尼西亞日惹(Yogyakarta)地震和1999年中國臺灣集集地震均出現(xiàn)了落梁破壞[1-5]。橋梁作為連接各地區(qū)的生命線，一旦發(fā)生落梁嚴(yán)重破壞，會導(dǎo)致交通癱瘓，不利于震后搶險救災(zāi)，同時落梁可能撞擊橋墩，對橋梁造成更難以修復(fù)的二次破壞，如2008年汶川大地震中，許多橋梁因發(fā)生落梁震害使交通受阻，嚴(yán)重影響了抗震救災(zāi)工作的進行[6]。

為了減輕地震中橋梁碰撞沖擊和防止梁體墜落，安裝減震和防止落梁裝置是目前最為有效的方法。近半個世紀(jì)以來，中外研究人員提出了多種不同減震防落原理的措施和裝置，進行了廣泛的研究并取得了大量的成果。這些措施和裝置在試驗和實際應(yīng)用中都表現(xiàn)出較為良好的性能，然而各自也存在著不足之處，例如鋼制限位裝置的工作保持在彈性范圍內(nèi)并且耗能作用不明顯[7-9]，形狀記憶合金(shape memory alloy，SMA)限位裝置性能依賴于溫度等[10]，這些不足之處如若沒有得到較為完善的解決，將會嚴(yán)重影響地震中裝置的正常運作。因此，了解不同減震和防止落梁措施的減震防落原理并梳理有關(guān)裝置的優(yōu)點和不足，對未來的橋梁和防落梁措施研究、設(shè)計和實際應(yīng)用具有較強的理論和工程意義?，F(xiàn)對橋梁的減震和防落梁措施進行分類并對其研究進展進行歸納總結(jié)，為其未來的發(fā)展方向提出新的思路。

1 減震耗能裝置

橋梁上部結(jié)構(gòu)相鄰主梁之間、主梁與墩臺之間在地震作用下會發(fā)生碰撞，相鄰碰撞面之間的混凝土?xí)l(fā)生破碎和剝落，如若沖擊力集中在橋梁結(jié)構(gòu)的某一個區(qū)域，可能導(dǎo)致局部損傷。為了解決由于碰撞造成的橋梁破壞，研究人員提出在相鄰接觸面之間填充彈性材料或者耗能材料作為減震裝置來減緩碰撞的沖擊力，如由橡膠材料和金屬蜂窩材料制成的減震耗能裝置。

Kawashima等[11]用數(shù)值方法研究了橡膠減震裝置對減輕相鄰橋面之間沖擊的效果，分析了三種橡膠材料的應(yīng)變硬化、應(yīng)變軟化和彈性滯回特性，研究發(fā)現(xiàn)橡膠材料在減輕沖擊力方面是有效的。Abdel[12]研究了橡膠減震裝置對橋結(jié)構(gòu)的影響,研究發(fā)現(xiàn)在橋段之間放置橡膠減震裝置可以顯著降低沖擊峰值力，在拉索限位裝置末端放置橡膠墊也可以降低拉索的沖擊力。Jankowski等[13]研究了橡膠減震裝置和可壓碎裝置對減少相鄰橋面撞擊的有效性，結(jié)果表明橡膠減震裝置可以顯著降低對橋墩的撞擊力，而可壓碎裝置通過塑性變形引起的能量耗散效果不明顯。

在中國，研究人員主要把橡膠材料應(yīng)用在橋梁支座上形成具有減震作用的橡膠支座，在此方面也進行了大量研究。韓強等[14]對一使用方形鉛芯橡膠支座的兩跨隔震梁橋結(jié)構(gòu)模型進行了地震模擬振動臺試驗，結(jié)果表明，小震時鉛芯橡膠支座水平剛度較大，結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定；大震時鉛芯橡膠支座水平剛度較小，可以耗散較多地震能量，減小能量向上部結(jié)構(gòu)傳遞。董振華等[15]考慮橋梁支座界面接觸方式、幾何尺寸等參數(shù)，設(shè)計并進行了6個普通板式橡膠支座的剪切性能試驗，研究結(jié)果表明，支座上下表面的接觸摩擦條件可明顯影響支座的水平側(cè)移和抗側(cè)力，因此在進行實際橋梁結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能計算時，應(yīng)考慮不同受力階段支座力學(xué)性能指標(biāo)的取值。

根據(jù)上文所述，由橡膠材料制成的減震耗能裝置在橋梁減震方面具有良好的效果，然而橡膠材料的耐久性較差，因此需要定期檢查和更換以保持其工作時的有效性，而可壓碎裝置耗能能力不夠明顯，因此并沒有被廣泛推廣和應(yīng)用。

2 限位裝置

2.1 鋼制限位裝置

鋼制限位裝置是目前最經(jīng)濟的防落梁裝置，其通過限制橋梁主梁梁端位移，使主梁在橋墩或臺帽上具有足夠長的擱置長度[16]。鋼制限位裝置主要分為三種類型：拉索式(鋼棒式)限位裝置、鏈?zhǔn)较尬谎b置和鋼板式限位裝置，一般采用墩臺-梁連接和梁-梁連接,如圖1所示。中國和美國較早并廣泛使用的是拉索式限位裝置，日本為了完全限制跨間的相對位移則較多使用的是鋼板式限位裝置。

圖1 鋼制限位裝置的分類Fig.1 Classification of steel limit devices

美國在1971年圣費爾南多(San Fernando)地震后，許多橋梁結(jié)構(gòu)都使用了拉索式(鋼棒式)限位裝置，在接下來的幾次大地震，如1989年洛馬·普雷塔(Loma Prieta)地震、1994年洛杉磯北嶺(Northridge)地震，為評估拉索限位裝置的性能提供了很好的機會。研究發(fā)現(xiàn)拉索限位裝置是防止跨跨倒塌的有效措施，然而在少數(shù)情況下也觀察到裝置失效發(fā)生落梁破壞，這是由于拉索式(鋼棒式)限位裝置的設(shè)計是保持彈性的，因此會在裝置一端積聚極大的荷載，導(dǎo)致拉索斷裂或鋼棒沖破裝置的兩端[17]。為了提高拉索限位裝置的有效性，Saiidi等[18]研究了1989年Loma Prieta地震期間使用拉索限位裝置的橋梁結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，研究表明裝置受到許多因素的影響，如地面運動的振幅和頻率、土和橋梁結(jié)構(gòu)的相互作用。

在中國，宋波等[19]通過建立橋梁有限元模型，并結(jié)合橋臺縮尺模型振動臺試驗，對三種鋼制限位裝置減震效果進行了分析，結(jié)果表明拉索式限位裝置對上部梁體靠近橋臺時的位移削弱達到63.34%，能有效保護橋臺背墻,鋼板式限位裝置對橋梁結(jié)構(gòu)上部梁體遠(yuǎn)離橋臺側(cè)的位移削弱達到37.53%，能有效防止發(fā)生碰撞作用和落梁現(xiàn)象,鏈?zhǔn)较尬谎b置對上部梁體遠(yuǎn)離橋臺位移削弱作用達到93.98%，能夠有效防止落梁發(fā)生，但同時會增加上部梁體靠近橋臺背墻側(cè)位移。朱萬旭等[20]在國外拉索限位裝置的基礎(chǔ)上開發(fā)了一種新型鋼絞線拉索式限位裝置，并已在中國臺灣、四川等地應(yīng)用于多座橋梁，該裝置在錨頭處安裝圓錐形彈簧，拉索的松弛可以由彈簧吸收，可承擔(dān)地震時造成的較大位移量。張煜敏等[21]結(jié)合中外已有的拉索式限位裝置的設(shè)計方法，對設(shè)置不同設(shè)計參數(shù)拉索式限位裝置的結(jié)構(gòu)進行地震響應(yīng)分析，研究設(shè)計參數(shù)對裝置防落效果和內(nèi)力的影響，結(jié)果表明，拉索限位裝置的防落效果隨著拉索長度、設(shè)計位移量的增大有所減小，設(shè)計參數(shù)取值較小的裝置內(nèi)力較大，部分會超過其設(shè)計承載力。

上述研究表明，鋼制限位裝置能較好地限制地震時橋梁主梁的位移，然而大多數(shù)裝置的設(shè)計保持彈性，因此沒有顯著的能量耗散能力，在強震作用下，因為裝置彈性應(yīng)變能力有限，限制梁體位移在合適的范圍內(nèi)，需要的鋼制材料的數(shù)量和長度都比較大，造成裝置復(fù)雜，成本高，而且裝置上積聚的巨大彈性力會直接導(dǎo)致拉索斷裂或鋼制材料從裝置兩端穿透。

2.2 擋塊限位裝置

擋塊作為橋梁橫向減震及防落限位裝置得到廣泛的應(yīng)用，其種類主要有鋼筋混凝土擋塊和鋼擋塊。國外研究人員較早對橋梁擋塊進行了研究，美國國家高速公路和交通運輸協(xié)會(AASHTO)中規(guī)定橋梁擋塊的設(shè)計強度應(yīng)滿足抵抗地震碰撞力的要求，在低烈度地震下滿足彈性要求，在較高烈度地震下?lián)鯄K作為犧牲構(gòu)件[22]。Megally 等[23]通過研究對擋塊底部進行箍筋加密來提高擋塊的塑性變形能力，使得擋塊中上部位與蓋梁形成塑性鉸，提高了擋塊動力滯回性能。

在中國，楊孟剛等[24]研究了鋼擋塊對高鐵簡支梁橋橫向碰撞效應(yīng)，結(jié)果表明鋼擋塊可以有效地限制墩梁橫向相對位移的發(fā)展，隨著擋塊-墊石間距的增加，墩梁相對位移峰值增大，而碰撞力和墩底剪力峰值減小，隨擋塊鋼板厚度增加，墩梁橫向相對位移峰值有所減小，但會增大碰撞力和墩底剪力峰值。皮水萌等[25]研究了地震作用下簡支梁橋支座-擋塊-橋墩的相互作用，結(jié)果表明提高擋塊強度可有效地控制支座的滑移，但會增大橋墩的曲率延性系數(shù)，對于中小跨徑簡支梁應(yīng)設(shè)計允許擋塊破壞，使支座出現(xiàn)小幅滑移，橋墩出現(xiàn)可修復(fù)的塑性損傷。

普通的鋼筋混凝土擋塊和鋼擋塊主要通過犧牲自身的剛度來限制墩梁橫向相對位移，無減緩碰撞沖擊的作用，因此近幾年耗能擋塊的研究成為一個新的方向。例如，魏冠華[26]提出一種新型雙重?fù)鯄K構(gòu)造，靠近主梁內(nèi)側(cè)設(shè)置采用多胞材料與圓管陳列組合形式的耗能擋塊，外側(cè)為限位作用的鋼擋塊或混凝土擋塊，兩者共同工作起到減震限位作用，如圖2所示。黃小國[27]開發(fā)設(shè)計了一種適用于橋梁結(jié)構(gòu)的X形板彈塑性擋塊，地震作用下?lián)鯄K受到發(fā)生地震位移梁體的擠壓和牽拉作用而產(chǎn)生橫向往復(fù)水平變形，當(dāng)?shù)卣饎臃逯导铀俣冗_到一定幅值后，平行布置的X形板將發(fā)生屈服進入塑性工作狀態(tài)，從而通過鋼板屈服撓曲的彈塑性變形過程耗散地震能量。由于擋塊一般只能限制墩梁橫向相對位移，因此在實際工程應(yīng)用中需要結(jié)合其他減震限位裝置保證橋梁縱向位移得到限制。

圖2 雙擋塊構(gòu)造Fig.2 The double-block structure

2.3 形狀記憶合金限位裝置

形狀記憶合金(SMA)是一種獨特的金屬合金，通過施加熱量或卸載，可以使合金發(fā)生較大的變形，同時又能恢復(fù)到原來的形狀，這些特性使其在生物醫(yī)學(xué)、航空航天和商業(yè)領(lǐng)域得到應(yīng)用和發(fā)展，近十幾年在結(jié)構(gòu)減震中SMA的應(yīng)用也有所增加。SMA恢復(fù)其形狀的能力，主要是由于奧氏體和馬氏體相之間的有序晶體結(jié)構(gòu)，使得材料在溫度變化或外加應(yīng)力下發(fā)生位移馬氏體相變[28-29]。在結(jié)構(gòu)減震應(yīng)用中，超彈性SMA因其無需加熱即可恢復(fù)形狀的能力而得到了廣泛的應(yīng)用。

對于SMA限位裝置，中外專家對其研究較多。在過去的幾十年里，DesRoches等[30-31]對SMA限位裝置的性能做了一系列研究,其對長度為280 mm、直徑為25.4 mm的全尺寸NiTiSMA棒進行了一系列循環(huán)加載試驗以研究其力學(xué)性能，同時通過非線性數(shù)值分析，研究了SMA限位裝置在多跨簡支橋中的應(yīng)用效果，結(jié)果表明SMA限位裝置在強地震條件下對橋面的響應(yīng)有很好的限制作用，當(dāng)應(yīng)變超過6%時，SMA的應(yīng)變硬化會增加限位裝置的剛度。同時DesRoches用數(shù)值模擬評估了SMA限位裝置在多框架箱梁橋上的有效性，發(fā)現(xiàn)NiTiSMA限位裝置明顯比傳統(tǒng)的鋼制限位裝置更有效地減少上部結(jié)構(gòu)的相對位移。

周?？〉萚32]使用國產(chǎn)SMA棒，對一3跨簡支梁橋設(shè)計SMA限位裝置并進行了全橋有限元地震響應(yīng)動力時程分析，研究結(jié)果表明，減少SMA限位裝置長度與初始間隙，橋梁碰撞現(xiàn)象和墩梁相對位移會減少，但墩底剪力會相應(yīng)增加，因此采用SMA限位裝置的橋梁應(yīng)提升橋墩的抗震性能。逄鵬程[33]通過對一座斜拉橋工程實例進行有限元分析，研究結(jié)果表明隨著SMA限位裝置的增多，橋梁結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的減小趨勢會變得平緩，同時研究發(fā)現(xiàn)SMA限位裝置安裝在主塔橫梁處地震響應(yīng)極值最小，斜拉橋主梁梁端、主塔塔頂?shù)目v向位移以及主塔塔底的彎矩與SMA限位裝置的等效剛度基本成反比。

近年來，一種以SMA為原料，經(jīng)過卷制、拉伸、編織、沖壓成型并結(jié)合特定熱處理工藝制成的形狀記憶合金橡膠(shape memory alloy pseudo-rubber，SMAPR)由于可以實現(xiàn)碰撞緩沖材料的重復(fù)利用，因而成為SMA合金應(yīng)用在橋梁減震防落裝置的一個新方向。李素超等[34]研究了SMAPR限位裝置對橋梁碰撞的控制效果，研究表明SMAPR限位裝置具有穩(wěn)定的吸能效率，能夠大幅度降低橋梁結(jié)構(gòu)碰撞加速度和碰撞力，對于不同強度地震下的橋梁碰撞過程都有很好的控制效果。

SMA限位裝置的主要缺點是其性能依賴于環(huán)境溫度，其超彈性僅在高于奧氏體溫度時才表現(xiàn)出來，否則SMA將會經(jīng)歷殘余變形,同時現(xiàn)階段應(yīng)用最廣的NiTi SMA限位裝置不能滿足橋梁在較低環(huán)境條件下的正常工作[10,35]。為了克服NiTi SMA的局限性，研究人員提出了CuAlBe SMA，CuAlBe SMA最顯著的特性是其工作溫度最低可以達到-80.29 ℃，這一特性使其適用于寒冷地區(qū)橋梁結(jié)構(gòu)的SMA限位裝置[36]。除了對環(huán)境溫度的依賴外，NiTi SMA還存在成本昂貴、加工困難等問題，而CuAlBe SMA可以充分解決這些缺點，其相對更便宜，而且更容易操作，因此其將成為SMA限位裝置的首選材料[37]。

2.4 纖維增強聚合物限位裝置

纖維增強聚合物(fiber reinforced polymer，F(xiàn)RP)由于抗拉強度高的特性被用作于橋梁的限位裝置。傳統(tǒng)的限位裝置一般穿透橋梁箱梁內(nèi)部進行連接，安裝成本較高并難以檢查，而FRP限位裝置安裝在橋梁結(jié)構(gòu)的外部，更易于安裝和維護。對于FRP限位裝置的研究，中國目前對其研究稀缺，國外也只是處于起步階段。Saiidi等[38]在2006年首次提出了FRP材料作為橋梁限制裝置的可能性，并對FRP限位裝置的有效性進行了振動臺試驗，試驗裝置[38]如圖3所示，通過試驗探討了FRP限位裝置作為鋼制限位裝置的替代品，以減少橋梁在地震作用下主梁的相對位移，研究發(fā)現(xiàn)與鋼制限位裝置相比，F(xiàn)RP限位裝置能有效地大幅度降低主梁的相對位移和相鄰梁間碰撞沖擊力。然而由于FRP是一種線性材料，因此FRP限位裝置的設(shè)計依舊保持彈性，和鋼制限位器一樣不具有耗能作用。

圖3 FRP限位裝置的試驗裝置Fig.3 The test device for FRP limit device

3 阻尼器

3.1 金屬阻尼器

金屬阻尼器被認(rèn)為是最為有效的防落梁耗能裝置之一，其本質(zhì)上是依賴于地震中上部結(jié)構(gòu)的位移導(dǎo)致金屬材料屈服和塑性變形來消耗地震能量。

國外研究人員較早對金屬阻尼器進行了研究。Chen等[39]在1∶10的橋梁模型上對金屬阻尼器降低橋梁結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)性能進行了測試，并制作了3個全尺寸的阻尼器，兩個是直的，一個是錐形的，主要研究在循環(huán)加載條件下優(yōu)化金屬阻尼器以獲得最大的能量耗散，研究發(fā)現(xiàn)在相同的荷載作用下，錐形金屬阻尼器的位移較大，耗能較大。Deng等[40]提出了使用鋼制剪切板來避免橋梁上部結(jié)構(gòu)在地震事件中發(fā)生錯位和脫落，為了評價鋼剪切板裝置的性能并確定其滯回特性，其設(shè)計了5個阻尼器試件并進行了循環(huán)加載試驗，試驗結(jié)果表明該裝置具有較大的變形能力和耗能能力，同時其根據(jù)有限元計算結(jié)果，制訂了該裝置的設(shè)計程序并提出了加固板和加固板凸緣尺寸的建議。

在中國，趙玉坤等[41]提出了填充式鋼管阻尼器，研究了其在橋梁橫向減震性能，并與鋼筋混凝土擋塊性能進行了比較，結(jié)果表明填充式鋼管阻尼器滯回曲線飽滿，與傳統(tǒng)鋼筋混凝土擋塊相比具有更好的耗能能力，可以顯著減小墩梁相對位移，控制結(jié)構(gòu)的整體反應(yīng)。高峰利[42]提出了E形和C形金屬阻尼器，通過理論設(shè)計確定阻尼器的結(jié)構(gòu)形式和截面尺寸，通過有限元分析和試驗對兩種阻尼器的性能進行了測定，結(jié)果表明阻尼器能顯著降低墩頂、墩底的水平剪力，從而可以減小墩臺的設(shè)計尺寸，阻尼器通過塑性變形吸收大量的地震能量。張玉平等[43]開展了軟鋼阻尼器應(yīng)用于大跨度三塔懸索橋的減震控制研究，結(jié)果表明設(shè)置軟鋼阻尼器可有效減小塔梁的相對位移，但會使中塔底剪力和部分視波速下邊塔底內(nèi)力有所增大。

金屬阻尼器可以防止橋梁主梁碰撞和降低落梁發(fā)生概率，然而這些裝置在強地震中大多為塑性變形，不能重新積聚作用力以形成抵抗余震的能力，同時其設(shè)計一般與使用的金屬材料性質(zhì)相關(guān)，因此在設(shè)計時很難確定裝置的作用荷載。中國的金屬阻尼器的研究水平目前仍落后于歐美、日本等國家，目前還未有批量生產(chǎn)的高性能金屬阻尼器。

3.2 黏彈性阻尼器

黏彈性(viscoelastic，VE)阻尼器是主要與速度參數(shù)相關(guān)的耗能裝置，通常用于結(jié)構(gòu)應(yīng)用的VE阻尼器由共聚物或彈性材料制成，當(dāng)它們受到剪切變形時，能量就會耗散，典型的VE阻尼器構(gòu)造如圖4所示。Feng等[44-45]研究了在公路橋梁伸縮縫中使用VE阻尼器防止上部結(jié)構(gòu)脫落和相鄰橋面撞擊的效果，研究結(jié)果表明，在降低橋梁上部結(jié)構(gòu)相對位移方面，VE阻尼器比彈性阻尼器更有效。Andrawes 等[46]把VE阻尼器與其他橋梁阻尼器進行比較，研究發(fā)現(xiàn)VE阻尼器能更有效減少上部結(jié)構(gòu)相對位移,然而由于VE阻尼器主要與運動速度(頻率)相關(guān)，與實際位移值無關(guān)，因此在設(shè)計時很難確定其作用力的大小。劉保東等[47]較早通過理論分析和仿真計算對VE阻尼器應(yīng)用在橋梁減震控制中的有效性進行了研究，結(jié)果表明VE阻尼器可以有效減小橋梁結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，而且具有很好的魯棒性。王東昀[48]提出一種新型VE阻尼器，并研究其在跨斷層鐵路橋梁減震效果，研究結(jié)果表明新型VE阻尼器能有效減小墩梁之間的相對位移，減震率在20%以上。

圖4 典型VE阻尼器構(gòu)造Fig.4 Typical VE damper construction

VE阻尼器的缺點是其阻尼性能隨著溫度的升高而降低，導(dǎo)致其耗散能力降低，同時單個VE阻尼器的能量耗散能力有限，為了限制墩梁相對位移，常常需要在一個墩梁結(jié)合處安裝數(shù)量較多的VE阻尼器才可以達到限位效果,并且由于VE阻尼器性能主要與速度相關(guān)，因此很難確定其作用荷載。

3.3 液體黏滯阻尼器

液體黏滯阻尼器是結(jié)構(gòu)抗震中常用的被動耗能裝置，其由一個充滿液體(一般使用液態(tài)硅油)的空心圓管組成，典型液體黏滯阻尼器如圖5所示。地震作用下，管內(nèi)的活塞桿連及活塞頭被沖擊液體，液體被迫從活塞頭周圍或通過活塞頭的孔口流動，由此產(chǎn)生的壓差通過活塞頭可以產(chǎn)生非常大的荷載以抵制相對運動。同時液體以極高的速度流動，導(dǎo)致流體與活塞頭之間發(fā)生位移，兩者的摩擦作用使能量以熱的形式耗散。該裝置提供的作用力為

圖5 典型液體黏滯阻尼器構(gòu)造Fig.5 Typical liquid viscous damper construction

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Shinozuka等[49]通過大量的非線性研究表明，液體黏滯阻尼器在地震時限制橋梁伸縮縫的張開和減緩碰撞沖擊力方面是非常有效果的。在實際工程應(yīng)用中，流體黏滯阻尼器可限制橋梁底部土的延性要求，同時可以減少45%左右的地震活動[50]。中國對液體黏滯阻尼器進行了大量研究，并在南京大勝關(guān)長江大橋上應(yīng)用了液體黏滯阻尼器，如圖6所示。賈毅等[51]研究大跨度斜拉橋采用不同抗震體系時的抗震性能，結(jié)果表明在橋塔處安裝液體黏滯阻尼器大大減小了主梁的位移響應(yīng)。李錦華等[52]研究了液體黏滯阻尼器的阻尼系數(shù)對橋梁結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)的減振效果，結(jié)果表明隨著液體黏滯阻尼器與主梁的連接點位置逐漸遠(yuǎn)離支座，阻尼器的減振效果逐漸明顯，隨著阻尼器與橋臺的連接點位置逐漸靠近支座，阻尼器的減振效果略有提升。吳林倩[53]、朱金[54]在現(xiàn)有橋梁液體黏滯阻尼器研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)實際橋梁工程對阻尼器的各部分參數(shù)進行設(shè)計和優(yōu)化，提高了液體黏滯阻尼器性能，從而減小橋梁地震響應(yīng)。

圖6 液體黏滯阻尼器應(yīng)用于南京大勝關(guān)長江大橋Fig.6 The liquid viscous damper applied in Nanjing Dashengguan Yangzi River Bridge

由于液體黏滯阻尼器內(nèi)的液體易泄露，因此為了保持裝置的密封性需要定期對裝置進行檢查，這是液體黏滯阻尼器最大的一個局限性。

3.4 磁流變阻尼器

磁流變(magneto-rheological，MR)阻尼器是一種含磁流變液的裝置，分為主動控制型、半主動控制型和被動控制型。磁流變液由油和不同比例的鐵粒子組成，當(dāng)鐵粒子不活躍時，磁流變液表現(xiàn)為普通的油，但當(dāng)暴露在磁場中時，分散在整個流體中的鐵粒子會沿著磁通量線排列。一旦達到這種排列，鐵粒子就會抵抗從它們各自的通量線中被移出，成為流體流動的屏障。當(dāng)暴露在磁場中時，磁流變液作為一個整體會出現(xiàn)黏度的變化。鐵粒子對運動產(chǎn)生的阻力使得磁流變液可以應(yīng)用于電控制的阻尼器中。

中外許多學(xué)者研究了MR阻尼器在橋梁防落中的作用。Ruangrassamee等[55]研究了MR阻尼器在提高橋梁結(jié)構(gòu)抗震性能中的有效性，分析了摩擦式阻尼力方案和兩步黏性阻尼力方案，研究發(fā)現(xiàn)，兩種阻尼方案都能有效地降低橋梁節(jié)點的地震響應(yīng)，兩步黏性阻尼力方案中的阻尼力要比摩擦型阻尼力方案中的阻尼力平滑得多，摩擦型阻尼器的荷載隨阻尼器速度的變化而變化，阻尼力的突然變化可能會對橋梁產(chǎn)生沖擊。Guo等[56-57]研究了在強地震中使用MR阻尼器來減少相鄰路段橋梁的沖擊，改進了基于預(yù)測控制算法的阻尼器控制算法，考慮了控制系統(tǒng)的時延效應(yīng)，其分析了梁-梁連接和梁-墩連接兩種連接方式，結(jié)果表明半主動控制系統(tǒng)能有效地降低結(jié)構(gòu)的沖擊加速度響應(yīng)，然而其時延嚴(yán)重影響了控制系統(tǒng)的性能。亓興軍等[58]通過有限元分析了MR阻尼器對雙支承曲線連續(xù)梁橋的抗震性能，研究發(fā)現(xiàn)MR阻尼器主動控制、半主動控制和被動控制三種減震控制方法減震效果差別較小，能夠有效地減小曲線梁橋的主梁切向位移和固定墩墩底的彎矩與扭矩，然而不同地震輸入下MR阻尼器的減震效果差別較大，因此在設(shè)計曲線梁橋減震控制參數(shù)時需要重視地震動參數(shù)的選擇和確定。

上述研究表明，MR阻尼器可以有效地減輕沖擊和落梁損害，然而需要注意的是，MR阻尼器需要外接電源，雖然很小，但是這就意味著在地震突發(fā)時需要保證電源的工作穩(wěn)定性。此外，MR阻尼器的性能也很大程度上取決于響應(yīng)延遲時間，控制算法也比較復(fù)雜，阻尼力的突變可能會對主梁產(chǎn)生反向沖擊。

4 混合防落梁系統(tǒng)

由于上述提到的限位裝置和阻尼器在工作性能上都存在某些缺點，因此許多研究人員提出了結(jié)合兩種或兩種以上裝置混合使用的混合防落梁系統(tǒng)，這些裝置一般能利用主裝置的優(yōu)點，并利用其他裝置彌補主裝置的不足。

由于橡膠支座沒有明顯的限位能力，因此其常與限位裝置或阻尼器構(gòu)成混合系統(tǒng)，例如李建中等[59-60]提出了板式橡膠支座和X形彈塑性擋塊組成的隔震系統(tǒng)，如圖7所示，研究表明強震作用下通過板式橡膠支座滑動效應(yīng)和X形板彈塑性擋塊屈服能有效減小地震能量輸入，控制墩梁相對位移。趙玉坤等[41]研發(fā)了一種填充式鋼管阻尼器與板式橡膠支座共同作用的橋梁橫向減震系統(tǒng)，如圖8所示，研究結(jié)果表明地震作用下，板式橡膠支座傳遞豎向荷載并提供一定的橫向位移能力，填充式鋼管阻尼器通過塑性變形耗散部分地震能量，可以有效減小墩梁相對位移。在國外，Kawashima等[11]和Shrestha等[61]提出將橡膠支座與SMA限位裝置或鋼制限位裝置相結(jié)合構(gòu)成混合防落梁系統(tǒng)，通過研究表明該系統(tǒng)可減小梁間碰撞沖擊，防止發(fā)生落梁破壞。由于拉索式限位裝置無明顯耗能能力，因此中國的邢心魁等[62-63]提出了一種以控制管為主要耗能部件的新型耗能拉索式限位裝置，該裝置在小震時通過拉索和控制管中的彈簧控制主梁位移量，強震作用下通過控制管中擴徑管擴徑過程吸收大量的地震能量，控制管裝置構(gòu)造如圖9所示。

圖7 隔震系統(tǒng)Fig.7 Seismic isolation system

圖8 橫向防落系統(tǒng)Fig.8 Horizontal unseatiing prevention system

圖9 主要耗能部件控制管Fig.9 The control tube of the main energy-consuming component

根據(jù)上文所述，混合防落梁系統(tǒng)中減震與防落梁部件共同作用能夠起到良好的作用，然而眾多研究人員提出的混合防落梁系統(tǒng)研究均處于理論分析和試驗?zāi)M階段，應(yīng)用于實際工程較少，因此混合防落系統(tǒng)的工作性能需經(jīng)受實際工程應(yīng)用的考驗。

5 結(jié)論

概述了中外橋梁結(jié)構(gòu)中用于減輕沖擊和防止落梁的措施。近年來，防落梁裝置的迅速發(fā)展說明工程界對減少地震中橋梁破壞有著共同急切的需求。在總結(jié)的基礎(chǔ)上，得出以下結(jié)論。

(1)橡膠材料是目前應(yīng)用最為廣泛的橋梁減震耗能裝置，能夠有效減緩橋梁上部結(jié)構(gòu)相鄰主梁之間、主梁與墩臺之間在地震作用的碰撞和沖擊，其使用性能與地震強度和兩接觸面的摩擦條件有關(guān)，因此在橋梁抗震設(shè)計時應(yīng)充分考慮這兩個影響因素。由于橡膠材料耐久性較差，因此需要定期檢查和更換。可壓碎裝置(如金屬蜂窩材料)通過塑性變形引起的能量耗散效果不明顯，因此并未廣泛推廣。

(2)鋼制限位裝置因其成本低，一直被廣泛應(yīng)用于工程改造中，然而其設(shè)計是保持彈性的，在耗能方面存在嚴(yán)重的不足，從而在強地震作用下導(dǎo)致其限位部件受荷過大，進而導(dǎo)致裝置破壞。擋塊限位裝置通過犧牲自身剛度來限制橋梁橫向墩梁的相對位移，在強地震中損壞嚴(yán)重，因此近幾年耗能擋塊成為一個新的研究方向。SMA限位裝置是一種具有能量耗散和再集中能力的限位裝置，然而現(xiàn)今應(yīng)用較廣的NiTi SMA不僅對溫度依賴性高而且材料成本較高，嚴(yán)重限制了它的應(yīng)用。近年來，CuAlBe SMA因其成本較低、易于加工、操作溫度范圍廣等優(yōu)點而備受關(guān)注。SMAPR限位裝置由于結(jié)合了SMA的可恢復(fù)性和橡膠的高強彈性，成為SMA限位裝置一個新的發(fā)展方向。FRP限位裝置其限位能力與鋼制限位裝置相當(dāng)，其安裝方便、性能可靠，可以成為鋼制限位器的替代品，但是其設(shè)計依舊保證在彈性范圍，因此和鋼制限位器一樣不具有耗能能力。FRP作為橋梁限位器的研究在國外也是處于起步階段，中國研究稀少，因此對其防落性能還需要大量的研究。

(3)使用具有能量耗散作用的阻尼器可以防止橋梁主梁碰撞和落梁的發(fā)生，然而這些裝置在強地震中大多為塑性變形，不能重新積聚作用力以形成抵抗余震的能力，同時其設(shè)計一般與頻率及使用的耗能材料性能相關(guān)，因此在設(shè)計時很難確定裝置的作用荷載，此外流體黏滯阻尼器與磁流變阻尼器需要定期檢查以保證裝置的工作穩(wěn)定性。

(4)近年來，眾多研究集中了兩種或兩種以上材料或裝置的優(yōu)點形成混合防落系統(tǒng)。橡膠材料與限位裝置的組合、限位裝置與阻尼裝置的組合、橡膠材料與阻尼裝置的組合，這些混合裝置減少橋梁地震破壞，提高橋梁的使用性能，因此這是未來橋梁減震及防落梁裝置的主要研究方向。雖然在防落梁裝置設(shè)計方面已經(jīng)有了重要的研究，但是由于地震動在空間上的變化是不可避免的，防落梁裝置性能與輸入的地震動特性具有較強相關(guān)性,因此應(yīng)該加強防落梁裝置在考慮地震動空間變化的研究。

(5)現(xiàn)階段，眾多研究集中在了直線型連續(xù)梁橋，對彎曲型連續(xù)梁橋減震和防落措施的研究較少，隨著城市環(huán)形高架橋建設(shè)的高速發(fā)展，彎曲型連續(xù)梁橋減震與防落措施將逐漸成為研究熱點。