閱讀 8518 次 橋梁用液體黏滯阻尼器的減振設(shè)計(jì)和類型選擇

其中Fmax為最大鎖定力。

圖2密蘇里比爾·埃莫森紀(jì)念橋上680 t鎖定裝置

    2.2滯阻尼器(Fluid Viscous Damper)

    很多文獻(xiàn)都對(duì)液體黏滯阻尼器作過全面的介紹[1]。這里，我們特別要強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)：液體黏滯阻尼器是一種需要并且能夠精確計(jì)算的定量減振產(chǎn)品，絕不僅是一個(gè)定性的緩沖器。產(chǎn)品的選擇一定要經(jīng)過精確的計(jì)算分析。

    液體黏滯阻尼器的運(yùn)動(dòng)速度和阻尼力的關(guān)系為：

   F=CVα          

    (2)式中：F為阻尼力；C為阻尼系數(shù)；V為阻尼器兩端的相對(duì)速度；α為速度的指數(shù)(常用0．3～1.0)。阻尼力和最大沖程是阻尼器的主要指標(biāo)，而阻尼系數(shù)和速度指數(shù)是阻尼器控制作用大小的兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。

    2.3尼器(Fuse Damper)

    根據(jù)不同的工程要求，設(shè)計(jì)工作者有時(shí)期望阻尼器具有下面兩個(gè)階段的特性：對(duì)于風(fēng)、溫度、剎車、小地震等常規(guī)荷載，阻尼器像剛性連桿一樣，不發(fā)生兩端相對(duì)運(yùn)動(dòng)；而在大風(fēng)和大地震、超過一定動(dòng)力荷載時(shí)，阻尼器開始相對(duì)運(yùn)動(dòng)，并消耗振動(dòng)能量。

    熔斷阻尼器可以很好地實(shí)現(xiàn)這一愿望。這種阻尼器比一般的液體黏滯阻尼器多一個(gè)金屬熔斷裝置，起到控制開關(guān)作用。在美國舊金山附近的Richmond San Rafael大橋上，泰勒公司提供了設(shè)計(jì)值為2270 kN的熔斷阻尼器裝置，裝置上設(shè)計(jì)了在1250 kN(to)時(shí)斷裂的金屬保險(xiǎn)片(圖3)。如果阻尼器受到風(fēng)荷載、剎車荷載或者小的地震荷載，受力低于1250 kN時(shí)，金屬片限制了阻尼器兩端的相對(duì)運(yùn)動(dòng)；如果地震導(dǎo)致了1250 kN甚至更大的荷載時(shí)，金屬保險(xiǎn)片斷裂，阻尼器將像一個(gè)一般的2270 kN的阻尼器那樣耗能工作。保險(xiǎn)片斷裂以后，只要簡單地更換保險(xiǎn)片，阻尼器可繼續(xù)使用。金屬熔斷阻尼器的計(jì)算模型為：

    F。為金屬熔斷開關(guān)力。

圖3加州里奇蒙德大橋熔斷阻尼器

    2.4限位阻尼器(Limited Displacement Damper) 

    考慮到蘇通長江大橋橋位風(fēng)速大、風(fēng)況復(fù)雜、抗震要求高，為了防止預(yù)想不到的靜力荷載、特大風(fēng)可能給橋梁帶來的超量位移，設(shè)計(jì)了一種新型帶限位的阻尼器。在常規(guī)阻尼器的基礎(chǔ)上，在阻尼器運(yùn)動(dòng)的雙方向上加設(shè)限位裝置。當(dāng)該阻尼器最大相對(duì)位移超過±750 mm時(shí)，阻尼器進(jìn)入兩端限位階段。限位由非線性彈簧板(用彈簧表示)實(shí)現(xiàn)。限位可達(dá)最大附加位移±l00 mm，限位力可達(dá)l0000 kN。這一超大的阻尼器見圖4。限位阻尼器的計(jì)算公式應(yīng)為：

    Flim為最大限位力，Dmax一為阻尼器開始限位前的最大位移。

圖4蘇通大橋限位阻尼器

    2.5摩擦型液體黏滯阻尼器

    在上述阻尼器的基本關(guān)系式(2)中，當(dāng)速度的指數(shù)α非常小時(shí)，該關(guān)系式近似為：

    阻尼力就變成與速度無關(guān)的曲線。由于目前橋梁計(jì)算分析通用軟件SAP2000程序中速度指數(shù)定義的范圍為0．2～2．0，當(dāng)α小于0．2時(shí)，計(jì)算可能不收斂。

    這種阻尼器的滯回曲線呈方形，接近摩擦阻尼器。它很容易有摩擦阻尼器的特性，也可以把它看成帶有屈服性能的鎖定裝置。

表1鎖定裝置和阻尼器的對(duì)比和選用辦法

    在上述五種阻尼器中，如何選用?我們的意見是：從大多數(shù)橋梁的需要來看，應(yīng)該首選常規(guī)的鎖定裝置和液體黏滯阻尼器。到底是選用鎖定裝置還是黏滯阻尼器，建議利用下述內(nèi)容進(jìn)行分辨和選擇。

    在橋梁的設(shè)計(jì)或加固工程中，有時(shí)希望施加一定剛度，在中小風(fēng)振、地震和車輛荷載時(shí)希望阻尼器協(xié)助“鎖死”時(shí)，可以選用熔斷黏滯阻尼器。當(dāng)橋梁所處的環(huán)境復(fù)雜、不可預(yù)見性高、又不希望阻尼器有過大的位移，希望通過限位阻尼器來實(shí)現(xiàn)時(shí)，可以考慮使用帶限位的液體黏滯阻尼器。

    匯總以上各種液體黏滯阻尼器的理論和性能對(duì)比，列于表2加以說明。

表2各種阻尼器性能對(duì)比

3、尼器的應(yīng)用和控制效果

    目前，國內(nèi)外都是采用非線性(如果阻尼器設(shè)計(jì)成非線性)時(shí)程分析的計(jì)算程序來分析加了阻尼器前后的地震反應(yīng)，最常用的是SAP2000非線性分析程序。我們只要在橋梁動(dòng)力分析的SAP2000模型上，按預(yù)定的阻尼器的位置，加上阻尼器的計(jì)算單元，輸入設(shè)計(jì)地震的時(shí)程記錄，進(jìn)行時(shí)程分析，就可以得到初步的結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)。當(dāng)然，我們還要對(duì)計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，看得到的結(jié)果是否滿足各方面的要求。通常，經(jīng)過一個(gè)反復(fù)迭代過程，就可以得到一個(gè)相對(duì)滿意的結(jié)果。阻尼器參數(shù)的選取和優(yōu)化也可以采用阻尼器參數(shù)和結(jié)構(gòu)反應(yīng)間的對(duì)比優(yōu)化得出[8]。這里，簡單介紹幾個(gè)常見形式的橋梁工程阻尼器的安放位置和幾個(gè)我國實(shí)際工程的計(jì)算分析結(jié)果，從中可見阻尼器在這些橋上的減震效果。

    3.1鋼筋混凝土梁橋

    連續(xù)梁橋和簡支梁橋的支座，一般都由固定支座和滑動(dòng)支座所組成。地震和大風(fēng)的水平縱向動(dòng)力荷載將由固定支座和其橋墩所承擔(dān)。如果我們能在滑動(dòng)支座的梁和墩之間安置鎖定裝置，該橋墩也就參與分擔(dān)固定墩的受力，從而減小固定支座的水平剪力(見圖5)。鎖定裝置起分散受力的作用。在吉林松花江龍華七孔連續(xù)梁橋上的l6個(gè)鎖定裝置可以將固定支座上的水平剪力減少45．3％。

圖5鋼筋混凝土梁橋鎖定裝置安置示意圖

    3.2鋼管拱橋

    對(duì)某城市內(nèi)環(huán)城公路大橋的計(jì)算分析表明，即便對(duì)剛度比較大的鋼管橋，同樣可以減少橋梁縱向位移達(dá)19％。該橋還是我國首次設(shè)計(jì)成縱橫兩個(gè)方向減震。這個(gè)兩方向起作用的阻尼器，減少橫向位移達(dá)15％(見圖6)。

    3.3斜拉橋

圖6鋼管拱橋阻尼器的安置示意圖

    由于全漂浮體系橋塔之間無任何約束，阻尼器對(duì)于這類斜拉橋的振控作用最為顯著(圖7)。通過對(duì)阻尼器參數(shù)優(yōu)化可將大橋縱向運(yùn)動(dòng)的減振率達(dá)到50％以上。蘇通大橋的設(shè)計(jì)者通過優(yōu)化將大橋的縱向位移降低了59．4％，主塔在大震中的受力也降低了17％左右，如前所述，該裝置上還施加了世界首創(chuàng)帶限位裝置的阻尼器。

圖7斜拉橋阻尼器的安置示意圖

    3.4懸索橋

    作為大跨柔性結(jié)構(gòu)，懸索橋具有超長周期及較寬的頻率范圍，其動(dòng)力特性決定這類結(jié)構(gòu)易受到外界動(dòng)力荷載的激勵(lì)，其抗風(fēng)及抗震設(shè)計(jì)一直是研究及設(shè)計(jì)人員的工作重點(diǎn)。我國建成的第一座跨千米大橋——江陰長江大橋在兩端伸縮縫處設(shè)置的4個(gè)阻尼器，可以使其縱向位移減少55％，加固前的振動(dòng)問題應(yīng)該可以得到很好的解決(圖8)。我國舟山群島的跨海大橋上將安置的阻尼器具有經(jīng)過優(yōu)化計(jì)算出的阻尼器參數(shù)。

圖8懸索橋阻尼器的安置示意圖

    把以上提到的工程和阻尼器的參數(shù)、計(jì)算結(jié)果列在表3中，阻尼器減振的效果是很容易看出的。

4、同阻尼器檢測驗(yàn)收的要求

    在橋梁上的車輛和風(fēng)振等動(dòng)荷載作用下，結(jié)構(gòu)保護(hù)裝置應(yīng)用前的嚴(yán)格檢測對(duì)保證產(chǎn)品長期穩(wěn)定工作非常重要。對(duì)于控制偶發(fā)振動(dòng)的減振產(chǎn)品，它幾乎更是唯一有效的辦法。這里，我們討論一下不同液體黏滯阻尼器在測試驗(yàn)收上的相同和不同點(diǎn)。

表3不同類型橋梁的減震效果

    4.1Lock-up裝置

    美國AASHT0規(guī)范首先提出對(duì)鎖定裝置的測試  驗(yàn)收要求，這是以后阻尼器測試規(guī)程和規(guī)范發(fā)展的起點(diǎn)。

    4.2滯阻尼器(Fluid Viscous Damper)

    液體黏滯阻尼器的測試，和鎖定裝置的檢測原則上要求相同。不同點(diǎn)是：液體黏滯阻尼器的基本速度和阻尼力之間的關(guān)系式(2)要得到定量的驗(yàn)證。這里結(jié)合美國FEMA450和ASCE一07 110沖的相應(yīng)規(guī)定談一點(diǎn)我們的看法。

    4.2.1預(yù)檢測

    在先進(jìn)的阻尼器技術(shù)和產(chǎn)品進(jìn)入我國橋梁領(lǐng)域的七八年歷史中，已有十幾座橋梁安置或正在安置不同的阻尼器。然而，在我國現(xiàn)行橋梁規(guī)范中，還沒有關(guān)于應(yīng)用阻尼器的規(guī)定，也就更沒有對(duì)于阻尼器測試驗(yàn)收的相應(yīng)要求。隨著數(shù)以百計(jì)的橋梁在我國相繼建設(shè)，為了使這一新技術(shù)能在我國快速健康地發(fā)展，建議我國相關(guān)管理部門或協(xié)會(huì)能對(duì)進(jìn)入我國橋梁市場的所有國內(nèi)外產(chǎn)品，組織并作一次類似金門大橋口]和HITEC3作過的綜合預(yù)檢測。

    4.2.2阻尼裝置的原型測試

    美國規(guī)范中提出每種類型的阻尼器要抽樣做原型試驗(yàn)，這是十分必要的。縮尺試驗(yàn)只能說明產(chǎn)品的理論依據(jù)，不能證明產(chǎn)品在真實(shí)工作的環(huán)境和狀態(tài)下的可靠性和耐久性。原型測試的內(nèi)容應(yīng)該包括以下幾方面：

    1)對(duì)原型樣品按三種不同工作溫度條件對(duì)產(chǎn)品作靜力耐壓測試和動(dòng)力測試。

    2)對(duì)抽取的樣品在不同頻率下、最大動(dòng)力沖程情況下的最少三次循環(huán)試驗(yàn)。三次循環(huán)中最大阻尼力允許在15％以內(nèi)浮動(dòng)。

    3)疲勞能力試驗(yàn)。經(jīng)過10000次以上脈動(dòng)風(fēng)(低速小位移)循環(huán)試驗(yàn)，觀察密封系統(tǒng)是否漏油，用肉眼檢查密封系統(tǒng)是否由于疲勞磨損引起退化，裝置在第2個(gè)和第9999個(gè)周期的力一位移特征反應(yīng)和阻尼器力學(xué)曲線的變化都應(yīng)小于l5％。

    所有原型測試的結(jié)構(gòu)都要滿足阻尼器的基本關(guān)系式(2)。

    4.2.3產(chǎn)品的出廠檢驗(yàn)測試

    阻尼器的力學(xué)性能要符合阻尼器的技術(shù)參數(shù)要求。每個(gè)黏滯阻尼器都必須進(jìn)行嚴(yán)格并有監(jiān)督的出廠檢測試驗(yàn)，使之滿足設(shè)計(jì)要求。檢驗(yàn)內(nèi)容應(yīng)包括：

    1)外形測試。檢查阻尼器的外形尺寸和外觀，如有無漏油、油漆剝落、外殼損壞等；

    2)耐壓測試。阻尼器油缸和管道在設(shè)計(jì)阻尼力的1．5倍安全系數(shù)下，恒定受力1 h，不得有任何泄漏；

    3)總行程測試。阻尼器的總行程滿足設(shè)計(jì)值的要求；

    4)慢速位移最大阻尼力測試。使阻尼器往復(fù)慢速運(yùn)動(dòng)至少3個(gè)周期，記錄阻尼力和位移的關(guān)系。要求阻尼器不漏油，阻尼力不大于設(shè)計(jì)阻尼力的l0％；

    5)動(dòng)力測試。按設(shè)計(jì)要求作一個(gè)完整的滯回過程，給出以下參數(shù)和曲線：a．阻尼力、行程和速度的時(shí)程曲線；b．行程和阻尼力的滯回曲線；c．不同沖程下的阻尼力和理論曲線的對(duì)比(要求在±15％的誤差范圍內(nèi))；d．在受拉和受壓情況下的最大阻尼力和最大行程。

    4.3熔斷阻尼器(Fuse Damper)

    熔斷阻尼器的試驗(yàn)應(yīng)該分兩部分。熔斷金屬片的測試；阻尼器的測試。熔斷金屬片的測試除了要測試它的受力大小符合設(shè)計(jì)以外，還要看它被安裝到阻尼器上以后是否可以按要求熔斷和考慮地震后的恢復(fù)。阻尼器本身的測試與普通液體黏滯阻尼器的測試相同。

    4.4限位阻尼(Limited Displacement Damper )

在限位阻尼器進(jìn)入限位階段以前，它的工作原理和普通液體黏滯阻尼器一樣，測試的內(nèi)容也應(yīng)該和普通阻尼器一樣。限位部分，就是彈簧的工作原理，除了需要測試它的最大限位力和限位位移外，還要測試整個(gè)阻尼器整體的受力能力是否可以滿足設(shè)計(jì)要求。   

    大型橋梁的阻尼器采購，往往是在招標(biāo)中完成。招標(biāo)完成后的測試，很難得到有效的監(jiān)察。因此，對(duì)產(chǎn)品預(yù)檢測和過去原型及產(chǎn)品出廠檢驗(yàn)文件的審閱，就變的更加重要。

5、結(jié)論

    本文綜合介紹了5種不同的液體黏滯減振裝置：鎖定裝置、液體黏滯阻尼器、熔斷液體黏滯阻尼器、限位阻厄器和摩擦型液體阻尼器，介紹了它們的性能、計(jì)算公式、工程應(yīng)用上的選用意見和應(yīng)用前應(yīng)該經(jīng)過的嚴(yán)格測試檢驗(yàn)。從目前我國已經(jīng)安置或?qū)⒁�安置這種減振裝置的幾個(gè)橋梁工程的計(jì)算分析中，可以看出它們在抗風(fēng)和抗震中的減振效果十分顯著有效。這是個(gè)值得推廣利用的成功的結(jié)構(gòu)保護(hù)系統(tǒng)。

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(本文來源：陜西省土木建筑學(xué)會(huì)     文徑網(wǎng)絡(luò)：尹維維 編輯  文徑 審核)