鎖定-黏滯阻尼器組合系統(tǒng)及其減震效果驗(yàn)證

胡尚韜，胡仁康，楊孟剛，李新

(1.中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙，410075；2.洛陽(yáng)雙瑞特種裝備有限公司，河南洛陽(yáng)，471000)

MA等[21-23]以不同橋梁為對(duì)象，對(duì)城市高架連續(xù)梁橋、公路大跨連續(xù)梁橋和高速鐵路連續(xù)梁橋黏滯阻尼器以及速度鎖定器的減震效果進(jìn)行了對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)黏滯阻尼器可以起到耗能的作用，而速度鎖定器不耗能，但對(duì)各墩響應(yīng)分配效果良好。而單獨(dú)使用黏滯阻尼器進(jìn)行減震時(shí)，固定墩內(nèi)力遠(yuǎn)大于活動(dòng)墩內(nèi)力，沒(méi)有充分發(fā)揮每個(gè)主墩的抗震能力；單獨(dú)使用速度鎖定器進(jìn)行減震時(shí)，常常需要其提供較大阻尼力，可靠性較低，成本較高[24-26]。為此，本文提出一種適合于連續(xù)梁橋減震控制的新型鎖定-黏滯阻尼器組合系統(tǒng)。首先，闡述該系統(tǒng)的工作機(jī)理，設(shè)計(jì)制作鎖定裝置模型并對(duì)行鎖定效果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證；然后，以1座鐵路連續(xù)梁橋?yàn)檠芯繉?duì)象，對(duì)比分析使用黏滯阻尼器、速度鎖定器和鎖定-黏滯阻尼器組合系統(tǒng)在罕遇地震作用下的減震效果，驗(yàn)證組合系統(tǒng)減震控制的優(yōu)越性。

1 鎖定-黏滯阻尼器組合系統(tǒng)

1.1 工作機(jī)理

鎖定-黏滯阻尼器組合系統(tǒng)如圖1所示。該組合系統(tǒng)由黏滯阻尼器和外接機(jī)械鎖定裝置組成，安裝在活動(dòng)墩墩頂與主梁底部之間，用于控制主梁縱向位移與平衡各墩地震響應(yīng)。該系統(tǒng)在溫度、收縮徐變、列車(車輛)、多遇地震等荷載作用下鎖定裝置不鎖定，可保證連續(xù)梁橋的正常使用功能，且黏滯阻尼器具有一定的減振/震耗能能力；在罕遇地震作用下鎖定裝置觸發(fā)鎖定功能，提高活動(dòng)墩與主梁之間的連接剛度，從而實(shí)現(xiàn)地震力在主墩間的合理分配。

圖1 鎖定-黏滯阻尼器組合系統(tǒng)示意圖Fig.1 Diagram of lock-viscous damper combined system

組合系統(tǒng)的鎖定裝置如圖2所示。該鎖定裝置通過(guò)銷釘與黏滯阻尼器的活塞桿相連外接，屬于機(jī)械裝置，與常規(guī)的速度鎖定器構(gòu)造及工作機(jī)理截然不同。當(dāng)黏滯阻尼器出力較小時(shí)，銷釘所受剪力小于其抗剪強(qiáng)度，因此，銷釘未被破壞，壓緊螺母正常工作，可動(dòng)板在預(yù)壓彈簧和預(yù)拉彈簧作用下受力平衡，并與阻尼器外接套筒分離，此時(shí)，黏滯阻尼器活塞桿正常出力，黏滯阻尼器工作耗能。當(dāng)黏滯阻尼器出力超過(guò)銷釘剪斷力時(shí)，銷釘剪斷，壓緊螺母失去作用，預(yù)拉彈簧失效，可動(dòng)板在預(yù)壓彈簧作用下向外彈出，齒塊卡入凹槽內(nèi)，完成鎖定，此時(shí)，黏滯阻尼器退出工作，活塞桿不再受力，轉(zhuǎn)由阻尼器外筒和鎖定裝置傳力，相當(dāng)于剛性連桿，使活動(dòng)墩變?yōu)楣潭ǘ?，從而使多個(gè)主墩共同分配承擔(dān)地震力，達(dá)到抗震目的。由于鎖定后黏滯阻尼器不再參與受力，其最大設(shè)計(jì)出力可限制在鎖定力以下，且該鎖定力遠(yuǎn)小于單獨(dú)使用黏滯阻尼器和速度鎖定器所需的阻尼器出力。同時(shí)，由于采用外部機(jī)械裝置進(jìn)行鎖定，易于維修、更換，并且可以通過(guò)調(diào)整銷釘剪斷力來(lái)控制鎖定速度，從而可提高減震系統(tǒng)的有效性，降低減震系統(tǒng)的成本。

圖2 鎖定裝置示意圖Fig.2 Diagram of locking device

1.2 鎖定試驗(yàn)

設(shè)計(jì)制作鎖定裝置的小比例模型，如圖3所示，通過(guò)靜力加載試驗(yàn)驗(yàn)證其鎖定效果。齒塊與凹槽寬度均為1 cm，高度為1.6 cm，銷釘剪斷力設(shè)為12 kN。由圖3(b)可知：鎖定前銷釘未剪斷，壓緊螺母工作良好，可動(dòng)板與阻尼器外接套筒分離，在預(yù)壓彈簧和預(yù)拉彈簧共同作用下保持平衡。由圖3(c)可知：鎖定后銷釘剪斷，壓緊螺母退出工作，預(yù)拉彈簧失去作用，可動(dòng)板在預(yù)壓彈簧作用下向外彈出，齒塊卡入凹槽內(nèi)，完成鎖定。由試驗(yàn)結(jié)果可知，鎖定裝置達(dá)到預(yù)期效果，鎖定可靠。

圖3 鎖定裝置小比例模型Fig.3 Small-scaled model of locking device

2 工程背景與仿真模型

2.1 工程背景

采用某高烈度區(qū)鐵路連續(xù)梁橋作為工程背景進(jìn)行分析研究，連續(xù)梁立面布置如圖4所示。三跨變截面連續(xù)梁跨徑布置為(48.75+80.00+48.75) m；1號(hào)、2號(hào)與4號(hào)墩為活動(dòng)墩，3號(hào)墩為固定墩。主梁采用C50混凝土，單箱單室截面，截面尺寸參照我國(guó)高速鐵路(48+80+48)m 雙線標(biāo)準(zhǔn)連續(xù)梁選取。橋墩采用C35 混凝土，圓端形截面，墩高均為20 m，邊墩橫橋向?qū)挾扰c縱橋向厚度分別為2.80 m和7.00 m，主墩橫橋向?qū)挾扰c縱橋向厚度分別為4.45 m和8.65 m?；A(chǔ)采用鉆孔灌注樁，由群樁和聯(lián)結(jié)樁頂?shù)某信_(tái)板組成。邊墩處樁徑為1.25 m，主墩處樁徑為1.50 m。

圖4 連續(xù)梁橋立面布置圖Fig.4 Elevation of continuous bridge

2.2 有限元模型

采用有限元分析軟件ANSYS 建立連續(xù)梁橋模型，有限元空間模型如圖5所示。主梁、橋墩和承臺(tái)均采用BEAM 單元模擬；基礎(chǔ)剛度選用六彈簧模式，并采用MATRIX 單元模擬；支座為球形鋼支座，采用COMBIN 單元模擬；黏滯阻尼器和速度鎖定器采用Maxwell 模型，利用COMBIN 單元模擬；鎖定-黏滯阻尼器組合系統(tǒng)鎖定前利用COMBIN單元模擬，鎖定后利用主從連接模擬。

圖5 連續(xù)梁橋有限元模型Fig.5 Finite element model of continuous bridge

利用子空間迭代法對(duì)該連續(xù)梁橋模型進(jìn)行模態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)該橋一階振型為縱飄，頻率為1.23 Hz，其原因是橋梁僅設(shè)置1 個(gè)固定墩，其余均為活動(dòng)墩，縱向約束較弱。因此，在地震作用下，該橋會(huì)產(chǎn)生較大的主梁縱向位移以及墩底響應(yīng)，對(duì)其采取相應(yīng)的減震措施很有必要。

2.3 地震動(dòng)輸入

根據(jù)相關(guān)工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告，橋梁抗震設(shè)防烈度為8 度，Ⅱ類場(chǎng)地，設(shè)計(jì)地震作用地表峰值加速度為0.20g(1g=9.8 m/s2)，對(duì)應(yīng)的多遇地震和罕遇地震作用地表峰值加速度分別為0.07g和0.38g。選取3 條地震波進(jìn)行計(jì)算，并取響應(yīng)最大值作為計(jì)算結(jié)果。3 條地震波分別為El-Centro波、Taft波以及根據(jù)對(duì)應(yīng)的加速度反應(yīng)譜模擬的人工波，調(diào)幅至0.38g，時(shí)間取前40 s，時(shí)間步長(zhǎng)取0.02 s。地震動(dòng)加速度時(shí)程曲線如圖6所示。

行動(dòng)主張：在質(zhì)量需求的識(shí)別過(guò)程：建議學(xué)院或系部、教研室做好專業(yè)需求的社會(huì)調(diào)研，結(jié)合學(xué)生層次識(shí)別其固有特性滿足的程度，確定達(dá)到質(zhì)量要求的任務(wù)；在質(zhì)量目標(biāo)定義過(guò)程：學(xué)院、教務(wù)處、各系、教研室確定為達(dá)到質(zhì)量要求其任務(wù)的目標(biāo)值應(yīng)該怎樣，注意必須是一個(gè)能夠量化的指標(biāo)，以及各教研室根據(jù)具體情況，提出更高的質(zhì)量目標(biāo)，創(chuàng)造精品教學(xué)工程。在質(zhì)量目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程：建議學(xué)院、教務(wù)處、系或教研室制定內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)施目標(biāo)管理、過(guò)程監(jiān)控，階段考核，持續(xù)改進(jìn)的方法。

圖6 地震動(dòng)加速度時(shí)程曲線Fig.6 Tme history curves of ground motion

3 減震效果仿真分析與驗(yàn)證

3.1 阻尼器布置及參數(shù)選取

為了避免安裝阻尼器后顯著增大邊墩響應(yīng)，使得邊墩破壞，僅于2 號(hào)活動(dòng)主墩墩頂對(duì)稱設(shè)置2個(gè)阻尼器。在工程實(shí)際應(yīng)用中，黏滯阻尼器阻尼系數(shù)一般取2 000～4 000 kN·(s/m)α，其中，α為速度指數(shù)，一般取0.2～0.4?？紤]到本文算例僅為驗(yàn)證組合系統(tǒng)的減震效果，黏滯阻尼器的阻尼系數(shù)和速度指數(shù)分別取為3 000 kN·(s/m)α和0.3。根據(jù)夏修身等[15]的研究結(jié)果，速度鎖定器的阻尼系數(shù)和速度指數(shù)分別取為2×108kN·(s/m)α和2.0。

對(duì)于鎖定-黏滯阻尼器組合系統(tǒng)，為了控制黏滯阻尼器最大出力，并且保證罕遇地震作用下鎖定裝置完成鎖定，選取多遇地震(幅值為0.07g)作用下黏滯阻尼器最大出力作為鎖定力。在多遇地震作用下，黏滯阻尼器滯回曲線如圖7所示。由圖7可知黏滯阻尼器最大出力為1.567 MN，因此，阻尼器鎖定力可取為1.570 MN。

圖7 多遇地震作用下黏滯阻尼器滯回曲線Fig.7 Hysteresis curve of viscous damper under frequent earthquake

3.2 減震效果對(duì)比分析

為了驗(yàn)證鎖定-黏滯阻尼器組合系統(tǒng)的減震效果及其優(yōu)越性，選取4種工況進(jìn)行對(duì)比分析，各工況下的減震措施見(jiàn)表1，罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)減振率見(jiàn)表2。通過(guò)對(duì)前述連續(xù)梁橋有限元模型在罕遇地震作用下進(jìn)行仿真分析，得到主梁縱向位移和墩底內(nèi)力時(shí)程曲線如圖8所示。

表1 各工況下的減震措施Table 1 Measurements of reducing vibration in different working conditions

表2 罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)減震率Table 2 Reduction effect of structural responses under rare earthquake

由圖8(a)和圖8(b)可知：鎖定前，工況2 和工況4的時(shí)程曲線幾乎重合；鎖定后，工況3和工況4的時(shí)程曲線基本一致。這是因?yàn)?，鎖定前，工況2 和工況4 中，結(jié)構(gòu)響應(yīng)均由黏滯阻尼器進(jìn)行減震控制，工作狀態(tài)一致；而鎖定后，工況3 和工況4中，由于墩梁鎖定剛接，從而工作狀態(tài)一致。因此，地震響應(yīng)基本相同。由于工況3 使用Maxwell模型模擬鎖定，而工況4 使用主從連接模擬鎖定，模擬方式不同導(dǎo)致二者的計(jì)算結(jié)果有微小差別。

由圖8(a)、圖8(b)和表2可知：安裝阻尼器后，主梁梁端位移和2 號(hào)主墩的墩梁相對(duì)位移均減??；對(duì)于梁端位移，工況2、工況3 和工況4 的減震率分別達(dá)到22.86%，32.18%和33.61%，鎖定-黏滯阻尼器組合系統(tǒng)和速度鎖定器的減震效果基本一致，且其減震效果比黏滯阻尼器的減震效果好。

由圖8(c)、圖8(d)和表2可知：安裝阻尼器后，2 號(hào)活動(dòng)墩的內(nèi)力顯著增大；工況2、工況3 和工況4 的彎矩增加率分別達(dá)60.96%，376.24%和368.69%，安裝了組合系統(tǒng)和速度鎖定器的結(jié)構(gòu)效應(yīng)基本一致。這是因?yàn)榘惭b阻尼器后提高了墩梁連接剛度，因此，活動(dòng)墩承擔(dān)更多主梁慣性力作用，從而增加了其橋墩內(nèi)力。

由圖8(e)、圖8(f)和表2可知：安裝阻尼器后，3號(hào)固定墩的內(nèi)力減?。还r2、工況3和工況4的彎矩減震率分別為17.37%，28.76%和30.18%，組合系統(tǒng)和速度鎖定器的減震效果基本一致，且其減震效果比黏滯阻尼器的減震效果好。這是因?yàn)?號(hào)活動(dòng)墩分擔(dān)了一部分地震荷載，使得固定墩內(nèi)力減小。

對(duì)主墩墩底截面彎矩曲率進(jìn)行分析，得到主墩墩底彎矩-曲率曲線如圖9所示。由圖9可知：該墩底截面首次屈服彎矩為587 MN·m；而由表2可知：在罕遇地震作用下，工況1和工況2的固定墩彎矩分別達(dá)788.91 MN·m和651.90 MN·m，因此，固定墩仍會(huì)進(jìn)入塑性狀態(tài)；而工況3和工況4的固定墩和活動(dòng)墩彎矩均在580 MN·m以下，處于彈性工作狀態(tài)，因此，與黏滯阻尼器相比，鎖定-黏滯阻尼器組合系統(tǒng)和速度鎖定器對(duì)地震力的分配更有效，且能保護(hù)主墩免于損傷。

圖9 主墩墩底截面彎矩-曲率曲線Fig.9 Moment curvature curve of pier at bottom’cross section

由表2可知：工況1中，固定墩所承擔(dān)的彎矩占總彎矩的比值為78.42%，而工況2、工況3和工況4 中固定墩彎矩占比分別為69.82%，45.42%和45.32%，且邊墩彎矩未明顯增大；單獨(dú)使用黏滯阻尼器時(shí)，雖然阻尼器能夠消耗一部分地震能量，但對(duì)于地震力的分配效果不夠理想，2號(hào)活動(dòng)墩與3 號(hào)固定墩的內(nèi)力仍相差較大，未能充分發(fā)揮2 號(hào)活動(dòng)墩的抗震能力，大部分地震荷載仍由3號(hào)固定墩承擔(dān)；而鎖定-黏滯阻尼器組合系統(tǒng)和單獨(dú)使用速度鎖定器雖然改變了結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，縮短了結(jié)構(gòu)周期，在一定程度上增大了總地震響應(yīng)，但是能夠更平均地分配地震力，使得2 號(hào)活動(dòng)墩與3號(hào)固定墩的內(nèi)力基本一致?？紤]到實(shí)際工程中2個(gè)主墩的截面形式和尺寸均相一致，鎖定-黏滯阻尼器組合系統(tǒng)和單獨(dú)使用速度鎖定器能充分發(fā)揮2號(hào)活動(dòng)墩的抗震能力，降低3 號(hào)固定墩分擔(dān)的地震力，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的整體抗震性能更有利。

提取工況3和工況4中的阻尼器出力，其與位移的關(guān)系如圖10(a)所示，出力時(shí)程曲線如圖10(b)所示。由圖10可知：在鎖定-黏滯阻尼器組合系統(tǒng)中，黏滯阻尼器在出力達(dá)到鎖定力時(shí)即退出工作，由鎖定裝置和阻尼器外筒承擔(dān)鎖定后的縱向力；組合系統(tǒng)中黏滯阻尼器的最大出力為1.57 MN。而對(duì)于單獨(dú)使用速度鎖定器，在罕遇地震作用下，其最大出力達(dá)16.56 MN。考慮到制作高出力阻尼器的成本以及高出力阻尼器的漏油和失效問(wèn)題，鎖定-黏滯阻尼器組合系統(tǒng)明顯比單獨(dú)使用速度鎖定器的效果好。

圖10 阻尼器出力特征Fig.10 Forces characteristics of dampers

綜上所述，在罕遇地震作用下，鎖定-黏滯阻尼器組合系統(tǒng)不僅對(duì)連續(xù)梁橋的主墩內(nèi)力具有良好的分配效果，保護(hù)主墩免于損傷，而且能顯著降低阻尼器的設(shè)計(jì)最大出力，其減震效果比單獨(dú)使用黏滯阻尼器的效果好，其成本比單獨(dú)使用速度鎖定器時(shí)小，而可靠性比單獨(dú)使用速度鎖定器時(shí)高。

4 結(jié)論

1)與單獨(dú)使用黏滯阻尼器相比，鎖定-黏滯阻尼器組合系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)地震力在連續(xù)梁橋各主墩間的有效、合理分配，有效降低固定墩內(nèi)力，充分發(fā)揮活動(dòng)墩的抗震能力。

2)鎖定-黏滯阻尼器組合系統(tǒng)具有與單獨(dú)使用速度鎖定器基本相同的減震效果，但可以顯著降低阻尼器的設(shè)計(jì)最大出力，提高減震系統(tǒng)的可靠性，降低減震系統(tǒng)的成本。

3)鎖定-黏滯阻尼器組合系統(tǒng)采用外部機(jī)械裝置鎖定，鎖定力可通過(guò)銷釘進(jìn)行調(diào)整，損壞后易于維修和更換，降低了安裝和使用難度。

4)鎖定-黏滯阻尼器組合系統(tǒng)鎖定可靠，減震效果顯著，可為高烈度地區(qū)的大跨度連續(xù)梁橋抗震設(shè)計(jì)提供一種有效、可靠的減震方法。