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阅读 3115 次 桥梁用液体黏滞阻尼器的减振设计和类型选择

摘要:总结和归纳目前国内外桥梁工程中使用的不同类别的液体黏滞减振装置:锁定装置、液体黏滞阻尼器、熔断液体黏滞阻尼器、限位阻尼器和摩擦型液体阻尼器。...

桥梁用液体黏滞阻尼器的减振设计和类型选择

陈永祁  耿瑞琦  马良喆

(北京奇太振控科技发展有限公司,北京100037)

    近20年来,用于桥梁减振的结构保护系统有了很大的发展。在国际上迅速发展并被广泛接受的结构保护系统包括液体黏滞阻尼器、金属摩擦摆和铅芯橡胶抗震支座。在桥梁上设置液体黏滞阻尼器,衰减大桥纵横2个方向运动已经成为设计工作者的一个重要选择。

    液体黏滞阻尼器在工程应用中得到很快的发展。到目前为止,已经有5种不同类型的液体黏滞阻尼器在桥梁工程中得到应用的,锁定装置、液体黏滞阻尼器、熔断液体黏滞阻尼器、限位阻尼器和摩擦型液体阻尼器。本文的目的是系统地介绍并完善它们的计算公式、分析模型和选用原则;介绍国内几个应用阻尼器减振的桥梁工程实例和它们的控制效果;还谈及一个我们认为国内急需认识和解决的问题——阻尼器的测试和检验。希望能给未来的设计提供一个参考。

1、阻尼器的发展和应用

    我们可以从两个方面了解液体黏滞阻尼器的发展过程和目前的国际水平:一是阻尼器内部结构和性能的完善和提高;二是对阻尼器质量控制体系的建立和发展。

    半个世纪来,阻尼器所使用的材料和加工技术的主要发展是:

    1)采用特制硅油取代温度稳定性能差的硅胶;

    2)高度密封技术的完善;

    3)活塞孔设计改进,确保非线性阻尼器的速度指数能在一定范围内(0.31.0选择;

    4)单出活塞杆改进为双出杆,提高稳定性;

    5)在确保不漏油的基础上取消了油库;

    6)不设置任何阀门,减少阻尼器破坏的可能。   

    另一方面,阻尼器在结构工程应用上的发展过程,可以说是质量保证的发展过程。对于工程中采用的材料和设备的质量,当然是工程师们最关心的。80年代末,美国结构工程师和研究人员开始考虑把军事、机械、宇航等成熟应用的阻尼器技术试用在土木结构工程中。美国国家地震研究中心(NCEER MCEER)和美国加州伯克利地震研究中心(EERC)大量的模型试验都证明了用阻尼器来减少结构在地震和大风中的振动理念是非常成功的。工程师们更想知道的是阻尼器在各种工程环境下是否能保证长期、稳定和可靠的使用。为了更好地回答这一问题,分别由美国科学基金会(NSF)以旧金山金门大桥抗震加固工程为例[23和美国土木工程学会(ASCE)高速公路创新技术评估中心(HITEC)E3 2,组织了两次大型联合鉴定测试。这两次鉴定证明,成功通过试验的阻尼器完全可以在结构工程中使用;它不仅成为后来编制相关规范的参考,也成为日后使用者选择产品的重要依据。

    在产品的材料、技术和工程应用鉴定两个方面的充分发展得到肯定并进入规范后,液体黏滞阻尼器开始在美国、日本等国得到了大量的应用,上百座的桥梁已经安置或将要安置这一有效的结构保护系统。框图1示出了阻尼器在工程应用上的这一发展过程。

1液体黏滞阻尼器的发展过程

    1999年竣工的西雅图棒球场在可开启屋盖上安置了8个液体黏滞阻尼器,为了考验阻尼器在实际工程中的表现,安置了在线健康监测系统。在2003年一次5级地震中阻尼器表现完好并由监测系统采集了该次地震的加速度记录m。安置了液体黏滞阻尼器的墨西哥市长大楼在200376级墨西哥地震中安然屹立。而该地震造成2700栋建筑倒塌或严重破坏,13600栋建筑不同程度损坏。这座57225 m高的南美最高建筑也就成了结构工作者抗震工程的一个榜样。2005年百年不遇的卡特里娜飓风对安置了68个泰勒公司悬索阻尼器的Cochrane大桥的塔和悬索没有带来任何破坏。这些经历了地震和大风的实例给了我们更多的信心和经验。

    我国正在建设的大型桥梁,为了达到减少各种振动对桥梁的影响,也纷纷考虑加设液体黏滞阻尼器。中交公路规划设计院(中交院)设计的世界第一大斜拉桥——苏通长江大桥[4]所使用的加有特殊限位的特大阻尼器(限位力到l0000 kN)是世界首创,设计者提出的对阻尼器的全面测试和鉴定将在最近完成。1999年完工的江阴长江大桥瞪],通车几年来,发现大桥伸缩缝处开始有较严重破坏,经观测发现:伸缩缝的滑块发生过脱落,有的横梁下底面不锈钢板被挤出,有的部位缝隙最大开口达81 cm。因伸缩缝开口过大,密封橡胶被拉裂,伸缩缝工作很不正常,严重影响了伸缩缝的使用寿命,不利于桥梁的安全运行。通过中交院完成的动力分析,大桥决定采用目前世界上最大行程(±1000 mm)的大型阻尼器控制其振动。这是我国用阻尼器补强加固大桥的首例,在桥梁工程中的地位同样举足轻重。在南京长江三桥工程上,首次在引桥上设计和使用了54个液体黏滞阻尼器。  

    这三个长江大桥上的阻尼器的应用实例必将对我国桥梁事业的发展带来巨大影响。

2、同阻尼器的选择

    减少和控制桥梁主要结构的受力和位移是我们加设阻尼器的主要目的。一般说来,它应该安置在结构最大位移之处。简述它的放置,可以有以下几种目的:

    1)控制桥梁的纵向振动(减少桥梁与桥墩、桥塔或地面的相对运动和结构受力)

    2)控制桥梁的横向振动(减少桥梁与桥墩、桥塔或地面的相对运动和结构受力)

    3)控制桥面的垂直方向振动,可以用阻尼器直接控制,也可以用TMD减振;

    4)采用TMD系统控制斜拉或悬索桥塔的水平振动;

    5)控制斜拉桥上斜拉索的振动;

    6)控制开启或旋转桥梁的碰撞和振动(缓冲器)缓冲船只对桥墩的可能碰撞(缓冲器)

    本文主要介绍用来控制桥梁主桥纵横两方向运动的黏滞阻尼器,用其控制桥梁结构的位移和桥墩、桥塔的受力。这里,我们把在国内外工程中已经使用过的液体黏滞阻尼器从应用的角度作一个介绍对比。  

    在世界桥梁工程中遇到的直接用来控制桥梁纵横两方向运动的黏滞阻尼器有以下几种:

    1)锁定装置;

    2)液体黏滞阻尼器;  

    3)熔断阻尼器;

    4)限位阻尼器;

    5)摩擦型液体黏滞阻尼器。

    这几种都是活塞形式的液体阻尼器。其中锁定装置和液体黏滞阻尼器是最常用的两种。除活塞上小孔的大小不同外,产品的其他结构完全相同,可以把锁定装置看成是黏滞阻尼器的一种特例。熔断阻尼器和限位阻尼器是根据设计者在实际工程中的不同的设计需要,发展出的液体黏滞阻尼器的最新产品。摩擦型液体黏滞阻尼器为最近几年研制生产的一种阻尼器,其滞回曲线接近方形,性能与传统意义上的摩擦阻尼器相近。

    2.1(Lock-Up Devicesor ShockTrans- mission Unit)

    锁定装置如图2所示,是一种类似速度开关的限动装置,当桥梁运动到某一速度时启动并锁定装置上两个安置点间的相对位移。它在桥梁上的工作原理就像汽车上的安全带,在慢速运动中它不限制,在急速运动中会起到制动作用。该装置不能耗散能量。用在大桥上的锁定装置,在温度和正常活荷载下可以自由变形;但对于中小地震荷载、较大的风荷载带来的桥梁各部分间的运动、受力和碰撞,可有效地起到减少、转移和限制作用。锁定装置的控制速度通常选择在0127025 mms之间。

    锁定装置可以用下列公式来模型化。设计人员要预先设定一个速度开关V。,在V>V。时锁定装置可按一个刚性连杆计算。计算出的锁定力为:

其中Fmax为最大锁定力。

2密苏里比尔·埃莫森纪念桥上680 t锁定装置

    2.2滞阻尼器(Fluid Viscous Damper)

    很多文献都对液体黏滞阻尼器作过全面的介绍[1]。这里,我们特别要强调一点:液体黏滞阻尼器是一种需要并且能够精确计算的定量减振产品,绝不仅是一个定性的缓冲器。产品的选择一定要经过精确的计算分析。

    液体黏滞阻尼器的运动速度和阻尼力的关系为:

   F=CVα          

    (2)式中:F为阻尼力;C为阻尼系数;V为阻尼器两端的相对速度;α为速度的指数(常用031.0)。阻尼力和最大冲程是阻尼器的主要指标,而阻尼系数和速度指数是阻尼器控制作用大小的两个关键参数。

    2.3尼器(Fuse Damper)

    根据不同的工程要求,设计工作者有时期望阻尼器具有下面两个阶段的特性:对于风、温度、刹车、小地震等常规荷载,阻尼器像刚性连杆一样,不发生两端相对运动;而在大风和大地震、超过一定动力荷载时,阻尼器开始相对运动,并消耗振动能量。

    熔断阻尼器可以很好地实现这一愿望。这种阻尼器比一般的液体黏滞阻尼器多一个金属熔断装置,起到控制开关作用。在美国旧金山附近的Richmond San Rafael大桥上,泰勒公司提供了设计值为2270 kN的熔断阻尼器装置,装置上设计了在1250 kN(to)时断裂的金属保险片(3)。如果阻尼器受到风荷载、刹车荷载或者小的地震荷载,受力低于1250 kN时,金属片限制了阻尼器两端的相对运动;如果地震导致了1250 kN甚至更大的荷载时,金属保险片断裂,阻尼器将像一个一般的2270 kN的阻尼器那样耗能工作。保险片断裂以后,只要简单地更换保险片,阻尼器可继续使用。金属熔断阻尼器的计算模型为:

 

    F。为金属熔断开关力。

 

3加州里奇蒙德大桥熔断阻尼器

    2.4限位阻尼器(Limited Displacement Damper) 

    考虑到苏通长江大桥桥位风速大、风况复杂、抗震要求高,为了防止预想不到的静力荷载、特大风可能给桥梁带来的超量位移,设计了一种新型带限位的阻尼器。在常规阻尼器的基础上,在阻尼器运动的双方向上加设限位装置。当该阻尼器最大相对位移超过±750 mm时,阻尼器进入两端限位阶段。限位由非线性弹簧板(用弹簧表示)实现。限位可达最大附加位移±l00 mm,限位力可达l0000 kN。这一超大的阻尼器见图4。限位阻尼器的计算公式应为:

 

    Flim为最大限位力,Dmax一为阻尼器开始限位前的最大位移。

4苏通大桥限位阻尼器

    2.5摩擦型液体黏滞阻尼器

    在上述阻尼器的基本关系式(2)中,当速度的指数α非常小时,该关系式近似为:

    阻尼力就变成与速度无关的曲线。由于目前桥梁计算分析通用软件SAP2000程序中速度指数定义的范围为0220,当α小于02时,计算可能不收敛。

    这种阻尼器的滞回曲线呈方形,接近摩擦阻尼器。它很容易有摩擦阻尼器的特性,也可以把它看成带有屈服性能的锁定装置。

1锁定装置和阻尼器的对比和选用办法

 

    在上述五种阻尼器中,如何选用?我们的意见是:从大多数桥梁的需要来看,应该首选常规的锁定装置和液体黏滞阻尼器。到底是选用锁定装置还是黏滞阻尼器,建议利用下述内容进行分辨和选择。

    在桥梁的设计或加固工程中,有时希望施加一定刚度,在中小风振、地震和车辆荷载时希望阻尼器协助锁死时,可以选用熔断黏滞阻尼器。当桥梁所处的环境复杂、不可预见性高、又不希望阻尼器有过大的位移,希望通过限位阻尼器来实现时,可以考虑使用带限位的液体黏滞阻尼器。

    汇总以上各种液体黏滞阻尼器的理论和性能对比,列于表2加以说明。

2各种阻尼器性能对比

3、尼器的应用和控制效果

    目前,国内外都是采用非线性(如果阻尼器设计成非线性)时程分析的计算程序来分析加了阻尼器前后的地震反应,最常用的是SAP2000非线性分析程序。我们只要在桥梁动力分析的SAP2000模型上,按预定的阻尼器的位置,加上阻尼器的计算单元,输入设计地震的时程记录,进行时程分析,就可以得到初步的结构地震反应。当然,我们还要对计算的结果进行评估,看得到的结果是否满足各方面的要求。通常,经过一个反复迭代过程,就可以得到一个相对满意的结果。阻尼器参数的选取和优化也可以采用阻尼器参数和结构反应间的对比优化得出[8]。这里,简单介绍几个常见形式的桥梁工程阻尼器的安放位置和几个我国实际工程的计算分析结果,从中可见阻尼器在这些桥上的减震效果。

    3.1钢筋混凝土梁桥

    连续梁桥和简支梁桥的支座,一般都由固定支座和滑动支座所组成。地震和大风的水平纵向动力荷载将由固定支座和其桥墩所承担。如果我们能在滑动支座的梁和墩之间安置锁定装置,该桥墩也就参与分担固定墩的受力,从而减小固定支座的水平剪力(见图5)。锁定装置起分散受力的作用。在吉林松花江龙华七孔连续梁桥上的l6个锁定装置可以将固定支座上的水平剪力减少453

 

5钢筋混凝土梁桥锁定装置安置示意图

    3.2钢管拱桥

    对某城市内环城公路大桥的计算分析表明,即便对刚度比较大的钢管桥,同样可以减少桥梁纵向位移达19%。该桥还是我国首次设计成纵横两个方向减震。这个两方向起作用的阻尼器,减少横向位移达15(见图6)

    3.3斜拉桥

6钢管拱桥阻尼器的安置示意图

    由于全漂浮体系桥塔之间无任何约束,阻尼器对于这类斜拉桥的振控作用最为显著(7)。通过对阻尼器参数优化可将大桥纵向运动的减振率达到50%以上。苏通大桥的设计者通过优化将大桥的纵向位移降低了594%,主塔在大震中的受力也降低了17%左右,如前所述,该装置上还施加了世界首创带限位装置的阻尼器

7斜拉桥阻尼器的安置示意图

    3.4悬索桥

    作为大跨柔性结构,悬索桥具有超长周期及较宽的频率范围,其动力特性决定这类结构易受到外界动力荷载的激励,其抗风及抗震设计一直是研究及设计人员的工作重点。我国建成的第一座跨千米大桥——江阴长江大桥在两端伸缩缝处设置的4个阻尼器,可以使其纵向位移减少55%,加固前的振动问题应该可以得到很好的解决(8)。我国舟山群岛的跨海大桥上将安置的阻尼器具有经过优化计算出的阻尼器参数

8悬索桥阻尼器的安置示意图

    把以上提到的工程和阻尼器的参数、计算结果列在表3中,阻尼器减振的效果是很容易看出的。

4、同阻尼器检测验收的要求

    在桥梁上的车辆和风振等动荷载作用下,结构保护装置应用前的严格检测对保证产品长期稳定工作非常重要。对于控制偶发振动的减振产品,它几乎更是唯一有效的办法。这里,我们讨论一下不同液体黏滞阻尼器在测试验收上的相同和不同点。

3不同类型桥梁的减震效果

  

    4.1Lock-up装置

    美国AASHT0规范首先提出对锁定装置的测试  验收要求,这是以后阻尼器测试规程和规范发展的起点。

    4.2滞阻尼器(Fluid Viscous Damper)

    液体黏滞阻尼器的测试,和锁定装置的检测原则上要求相同。不同点是:液体黏滞阻尼器的基本速度和阻尼力之间的关系式(2)要得到定量的验证。这里结合美国FEMA450ASCE07 110冲的相应规定谈一点我们的看法。

    4.2.1预检测

    在先进的阻尼器技术和产品进入我国桥梁领域的七八年历史中,已有十几座桥梁安置或正在安置不同的阻尼器。然而,在我国现行桥梁规范中,还没有关于应用阻尼器的规定,也就更没有对于阻尼器测试验收的相应要求。随着数以百计的桥梁在我国相继建设,为了使这一新技术能在我国快速健康地发展,建议我国相关管理部门或协会能对进入我国桥梁市场的所有国内外产品,组织并作一次类似金门大桥口]HITEC3作过的综合预检测。

    4.2.2阻尼装置的原型测试

    美国规范中提出每种类型的阻尼器要抽样做原型试验,这是十分必要的。缩尺试验只能说明产品的理论依据,不能证明产品在真实工作的环境和状态下的可靠性和耐久性。原型测试的内容应该包括以下几方面:

    1)对原型样品按三种不同工作温度条件对产品作静力耐压测试和动力测试。

    2)对抽取的样品在不同频率下、最大动力冲程情况下的最少三次循环试验。三次循环中最大阻尼力允许在15%以内浮动。

    3)疲劳能力试验。经过10000次以上脉动风(低速小位移)循环试验,观察密封系统是否漏油,用肉眼检查密封系统是否由于疲劳磨损引起退化,装置在第2个和第9999个周期的力一位移特征反应和阻尼器力学曲线的变化都应小于l5%。

    所有原型测试的结构都要满足阻尼器的基本关系式(2)

    4.2.3产品的出厂检验测试

    阻尼器的力学性能要符合阻尼器的技术参数要求。每个黏滞阻尼器都必须进行严格并有监督的出厂检测试验,使之满足设计要求。检验内容应包括:

    1)外形测试。检查阻尼器的外形尺寸和外观,如有无漏油、油漆剥落、外壳损坏等;

    2)耐压测试。阻尼器油缸和管道在设计阻尼力的15倍安全系数下,恒定受力1 h,不得有任何泄漏;

    3)总行程测试。阻尼器的总行程满足设计值的要求;

    4)慢速位移最大阻尼力测试。使阻尼器往复慢速运动至少3个周期,记录阻尼力和位移的关系。要求阻尼器不漏油,阻尼力不大于设计阻尼力的l0%;

    5)动力测试。按设计要求作一个完整的滞回过程,给出以下参数和曲线:a.阻尼力、行程和速度的时程曲线;b.行程和阻尼力的滞回曲线;c.不同冲程下的阻尼力和理论曲线的对比(要求在±15%的误差范围内)d.在受拉和受压情况下的最大阻尼力和最大行程。

    4.3熔断阻尼器(Fuse Damper)

    熔断阻尼器的试验应该分两部分。熔断金属片的测试;阻尼器的测试。熔断金属片的测试除了要测试它的受力大小符合设计以外,还要看它被安装到阻尼器上以后是否可以按要求熔断和考虑地震后的恢复。阻尼器本身的测试与普通液体黏滞阻尼器的测试相同。

    4.4限位阻尼(Limited Displacement Damper )

在限位阻尼器进入限位阶段以前,它的工作原理和普通液体黏滞阻尼器一样,测试的内容也应该和普通阻尼器一样。限位部分,就是弹簧的工作原理,除了需要测试它的最大限位力和限位位移外,还要测试整个阻尼器整体的受力能力是否可以满足设计要求。   

    大型桥梁的阻尼器采购,往往是在招标中完成。招标完成后的测试,很难得到有效的监察。因此,对产品预检测和过去原型及产品出厂检验文件的审阅,就变的更加重要。

5、结论

    本文综合介绍了5种不同的液体黏滞减振装置:锁定装置、液体黏滞阻尼器、熔断液体黏滞阻尼器、限位阻厄器和摩擦型液体阻尼器,介绍了它们的性能、计算公式、工程应用上的选用意见和应用前应该经过的严格测试检验。从目前我国已经安置或将要安置这种减振装置的几个桥梁工程的计算分析中,可以看出它们在抗风和抗震中的减振效果十分显著有效。这是个值得推广利用的成功的结构保护系统。

参考文献

[1]段玉凤。液体黏滞阻尼器的研究和试验中国公路学会桥梁和结构工程分会2005年全国桥梁学术会议论文集。北京:人民交通出版社,2005

[2]Pre-qualification testing of viscous dampers for theGolden  GateBridgeseismic rehabilitation project . A report to  T.Y. Lin International, Inc. and the Golden Bridge District,  Report No  EERCL,  Earthquake Engineering Research Center, University of California at Berkeley. 1995

[3]Summary of evaluation findings for the testing of seismic isolation  and energy dissipating devices, CERF report.HighwayInnovativeTechnologyEvaluationCenter(HITEC) of A service Center of the Civil Engineering Research Foundation (CERF). 1999

[4]裴岷山、张喜刚、袁洪等。苏通大桥主桥结构体系研究和特殊阻尼器设计中国公路学会桥梁和结构工程分会2006年全国桥梁学术会议论文集。北京人民交通出版社,2006

[5]中交公路规划设计院。江阴长江公路大桥主桥阻尼器设计计算研究报告,2005

[6]陈永祁,杜义新。液体黏滞阻尼器在结构工程中的最新进展工程抗震与加固改造,2006

[7]王磊、刘寒冰、吴斌暄等。新型地震结构保护系统的大跨径桥梁抗震分析。哈尔滨工业大学学报,2004

[8]卢桂臣,胡雷挺。西堠门大桥液体黏滞阻尼器参数分析。世界桥梁,2005 Section 32 Shock transmission units AASHTO LRFD bridgeconstruction specifications 2002 interim edition ASCE 7-05 Minimum design loads for buildings and otherstructures

(本文来源:陕西省土木建筑学会     文径网络:尹维维 编辑  文径 审核

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