李世珩，陳彥北，胡宇新，郭紅鋒

(株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007)

我國(guó)位于世界上兩大地震帶——環(huán)太平洋地震帶和亞歐地震帶之間，是全球大陸區(qū)域中最活躍的地震區(qū)之一[1]，因地震災(zāi)害造成了巨大的危害，特別是由于基礎(chǔ)設(shè)施橋梁結(jié)構(gòu)的破壞，切斷了震區(qū)生命線，次生災(zāi)害十分嚴(yán)重，導(dǎo)致了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。目前，我國(guó)鐵路、公路及市政工程建設(shè)迅速發(fā)展，而其中橋梁是生命線工程，橋梁結(jié)構(gòu)在地震作用后能夠保持暢通具有特別重要的意義，因此，如何建立一種安全經(jīng)濟(jì)的橋梁結(jié)構(gòu)，從而可以有效抵御某種程度的、不可預(yù)測(cè)的、災(zāi)難性的大地震，近年來(lái)備受重視[2-7]。

提高橋梁抗震性能的方法可分為兩種[2，3，8]:①通過(guò)提高橋墩的配筋量或增大截面積來(lái)提高橋梁的抗震能力;②采用隔震裝置延長(zhǎng)橋梁結(jié)構(gòu)基本周期，以降低橋梁上部結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)并使用減震耗能裝置將位移控制在一定范圍內(nèi)，從而達(dá)到既降低橋梁墩臺(tái)的彎矩和剪力，又不影響橋梁的正常使用的目的。在第一種方法中，在增加了截面抗力的同時(shí)，往往也增加了結(jié)構(gòu)自重從而加大結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，造成惡性循環(huán)，特別是對(duì)于高烈度區(qū)，非常不經(jīng)濟(jì)，而從經(jīng)濟(jì)和時(shí)效角度來(lái)看，選擇在橋梁與墩臺(tái)連接處安裝減震耗能的阻尼裝置，更易于達(dá)到保護(hù)橋梁結(jié)構(gòu)在地震后正常使用的目的。

表1是對(duì)目前國(guó)際上常用的三種不同類(lèi)型阻尼器性能特點(diǎn)的比較。通過(guò)表1的比較可知，鋼阻尼器具有制造簡(jiǎn)單、阻尼效果好、成本低、易于維護(hù)等特點(diǎn)，因此在歐美、日本、新西蘭、臺(tái)灣地區(qū)等得到了較多應(yīng)用[9]。鋼阻尼器存在多種結(jié)構(gòu)形式，目前的鋼阻尼器多應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)，難以滿(mǎn)足橋梁結(jié)構(gòu)的減震需求。鋼阻尼器在應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)中時(shí)，既需要其有穩(wěn)定的阻尼性能，又需要有良好的結(jié)構(gòu)形式，便于和支座組合使用，且安裝方便易于更換。依據(jù)國(guó)外成功經(jīng)驗(yàn)[10-11]及意大利Alga公司的先進(jìn)設(shè)計(jì)理念設(shè)計(jì)的E型鋼阻尼器就較好地滿(mǎn)足了橋梁工程耗能減震對(duì)于鋼阻尼器的要求，并于2008年在南京江心洲夾江大橋中實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)的首次使用。圖1給出了E型鋼阻尼裝置的現(xiàn)場(chǎng)照片，其中E型鋼阻尼支座為常規(guī)支座(盆式橡膠支座、球型鋼支座等)與E型鋼阻尼器的結(jié)合使用，通常情況下起常規(guī)支座的功能，地震到來(lái)時(shí)則起到耗能減震的作用，E型鋼阻尼裝置則是E型鋼和連接裝置配合使用，僅在地震時(shí)起阻尼作用。

表1 三種常見(jiàn)阻尼器的比較

本文將對(duì)于E型鋼阻尼器的阻尼特性、設(shè)計(jì)原則、應(yīng)用范圍進(jìn)行探討，并給出近年來(lái)其在國(guó)內(nèi)外橋梁工程中的應(yīng)用實(shí)例，可以認(rèn)為，E型鋼阻尼器不但有著良好的耗能減震作用，也非常適合于在橋梁工程中進(jìn)一步推廣使用，有著廣闊的應(yīng)用前景。

圖1 應(yīng)用于南京江心洲夾江大橋的E型鋼阻尼裝置

1 E型鋼阻尼器的工作原理和設(shè)計(jì)原則

1.1 工作原理

E型鋼阻尼元件是E型鋼阻尼裝置中最核心的部件，因?yàn)樵撟枘嵩钠矫嫘螤詈陀⑽淖帜窫非常相似，因此將該阻尼元件制作的阻尼裝置命名為E型鋼阻尼器或E型鋼阻尼裝置，其平面形狀見(jiàn)圖2，圖中相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)的含義如下:S為E型鋼阻尼元件的厚度;b為E型鋼阻尼元件直段的寬度;h為E型鋼阻尼元件的力臂長(zhǎng);b1為中間臂平均寬度;b2為側(cè)臂平均寬度;l為E型鋼阻尼元件直段長(zhǎng)度。

工作時(shí)，中臂和側(cè)臂之間發(fā)生相對(duì)位移，在橫臂部位便會(huì)產(chǎn)生彎曲變形，而鋼材在屈服后有良好的塑性性能，通過(guò)對(duì)鋼板形狀的優(yōu)化設(shè)計(jì)，E型鋼阻尼元件能允許在大部分體積中進(jìn)行塑性變形的擴(kuò)展，同時(shí)防止局部變形和應(yīng)力集中。

圖2 E型鋼阻尼元件結(jié)構(gòu)示意

目前實(shí)際工程中的鋼阻尼器多采用軟鋼，因?yàn)橐话闱闆r下屈服點(diǎn)越低的鋼材其塑性越好，但是在滿(mǎn)足實(shí)際工況(主要是位移)的情況下，使用屈服點(diǎn)稍高且塑性較好的鋼材，在達(dá)到同樣阻尼力的情況下可以大大節(jié)約材料成本，并且同樣具有穩(wěn)定的滯回特性和良好的低周疲勞特性。

1.2 設(shè)計(jì)原則和方法

E型鋼平面形狀的設(shè)計(jì)原則和依據(jù)可以分為兩種:一種是采用理論簡(jiǎn)化的公式設(shè)計(jì)方法，在這種方法中，E型鋼阻尼元件可簡(jiǎn)化為側(cè)臂鉸支、中臂簡(jiǎn)支的梁模型，然后采用結(jié)構(gòu)力學(xué)的方法進(jìn)行求解[11];另一種是采用有限元法進(jìn)行數(shù)值仿真，這種方法能夠仿真得到E型鋼阻尼裝置全過(guò)程的全場(chǎng)解。

1.2.1 簡(jiǎn)化公式設(shè)計(jì)計(jì)算

使用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法求解過(guò)程中忽略軸力的影響，并且將鋼材視為理想彈塑性材料，即鋼材在屈服后不發(fā)生強(qiáng)化，其結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算簡(jiǎn)化模型見(jiàn)圖3，圖中F為作用于E型鋼阻尼元件的集中力，h為E型鋼阻尼元件的力臂長(zhǎng)。

圖3 E型鋼阻尼元件結(jié)構(gòu)力學(xué)簡(jiǎn)化圖及彎矩圖

根據(jù)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)力學(xué)分析，具體過(guò)程可參閱相關(guān)文獻(xiàn)[11]，可以得到E型鋼的屈服位移 dy與材料屈服應(yīng)變?chǔ)舮之間的關(guān)系為

式中，dy表示阻尼元件的屈服位移;εy表示材料的屈服應(yīng)變，與材料的特性有關(guān)。

E型鋼的最大位移 dmax與材料的最大應(yīng)變 εmax之間的關(guān)系為

式中，dmax為最大位移;εmax為材料的最大應(yīng)變，與材料的特性有關(guān)。

1.2.2 有限元分析

以上為設(shè)計(jì)中的簡(jiǎn)算方法，進(jìn)行了較多簡(jiǎn)化，與實(shí)際情況會(huì)有較大差別，比如:鋼材屈服后開(kāi)始發(fā)生塑性變形直至拉斷的過(guò)程中材料強(qiáng)度有較大的強(qiáng)化，例如對(duì)于Q345B鋼其屈服點(diǎn)約為340 MPa，而其抗拉強(qiáng)度可以高達(dá)620 MPa，其屈服點(diǎn)提高了約80%;E型鋼阻尼器在使用中往往有較大的變形，比如中臂長(zhǎng)度為300 mm左右的阻尼器，其設(shè)計(jì)位移量往往高達(dá)150 mm，是個(gè)典型的大變形問(wèn)題。因此，上述方法只能用于初步設(shè)計(jì)。彈塑性問(wèn)題屬于典型的材料非線性問(wèn)題，在有限元法中，可以采用帶有強(qiáng)化本構(gòu)的彈塑性理論來(lái)處理，從而準(zhǔn)確模擬材料進(jìn)入塑性以后的情況。另外，有限元法在數(shù)學(xué)上屬于初始邊值問(wèn)題，可將待求解的問(wèn)題分解為許多子步，從初始條件和邊界條件出發(fā)逐步求解，能夠得到大變形問(wèn)題的準(zhǔn)確求解。

在內(nèi)蒙古大城西黃河橋E型鋼阻尼元件設(shè)計(jì)中，就首先采用了結(jié)構(gòu)力學(xué)的簡(jiǎn)算公式進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，然后采用有限元法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)并確定最終方案。有限元計(jì)算采用Abaqus軟件進(jìn)行，實(shí)體模型采用C3D8R單元，每個(gè)阻尼器劃分17 350個(gè)單元，有限元網(wǎng)格圖見(jiàn)圖4(a)。在達(dá)到設(shè)計(jì)位移時(shí)，有限元仿真計(jì)算得到的等效應(yīng)力云圖和等效塑性應(yīng)變?cè)茍D分別如圖4(b)和圖4(d)所示。由圖可見(jiàn)，E型鋼在達(dá)到設(shè)計(jì)位移時(shí)，大部分區(qū)域都發(fā)生了塑性變形，應(yīng)力分布比較均勻，因此其擁有較好的塑性變形耗能能力。圖4中A處和B處分別為應(yīng)力最大處和應(yīng)變最大處，圖4(c)中給出了在極限位移測(cè)試中的破壞位置的照片，可見(jiàn)有限元計(jì)算的預(yù)測(cè)破壞位置同試驗(yàn)的結(jié)果非常吻合。另外，采用有限元法還能夠很好地預(yù)測(cè)在荷載—位移試驗(yàn)中的滯回過(guò)程，圖5給出了有限元法仿真得到的和試驗(yàn)得到的滯回曲線的比較，可見(jiàn)結(jié)果符合較好。因此，采用有限元法不但可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)E型鋼阻尼的力學(xué)性能參數(shù)，還能準(zhǔn)確模擬其在荷載—位移試驗(yàn)中的滯回過(guò)程。

圖4 E型鋼阻尼器的有限元計(jì)算結(jié)果及試驗(yàn)

圖5 E型鋼阻尼器的有限元計(jì)算及試驗(yàn)滯回曲線比較

1.3 試驗(yàn)方法及阻尼特性

圖6 一種E型鋼阻尼元件的試驗(yàn)工裝

為了保證E型鋼阻尼元件的阻尼性能以及在地震工況下的安全可靠性能，需要進(jìn)行相關(guān)的性能測(cè)試。被測(cè)試件一般需按真實(shí)比例制作，并且往往成對(duì)兒組裝。圖6給出了一種專(zhuān)用試驗(yàn)工裝，其中側(cè)臂與下部結(jié)構(gòu)固定在一起，中臂與上部結(jié)構(gòu)相連并被往復(fù)施加位移荷載。試驗(yàn)中一般采用位移控制，載荷一般按照正弦波加載，平均速度為2 mm/s。被測(cè)阻尼元件需要滿(mǎn)足反復(fù)施加設(shè)計(jì)位移1.2倍位移行程至少5次而不發(fā)生破壞。

圖7 E型鋼試驗(yàn)滯回曲線

如圖7所示為在同濟(jì)大學(xué)防震減災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)機(jī)(FCS-20 000 kN電液伺服協(xié)調(diào)加載系統(tǒng))得到的典型E型鋼阻尼性能曲線，可見(jiàn)滯回曲線穩(wěn)定飽滿(mǎn)。結(jié)合圖5的試驗(yàn)及數(shù)值分析可知，E型鋼阻尼器發(fā)生塑性變形時(shí)，具有飽滿(mǎn)的滯回曲線，阻尼比一般可達(dá)到0.35以上，這說(shuō)明它具有非常好的阻尼性能。

2 工程應(yīng)用

E型鋼阻尼器既可以單獨(dú)使用，也可以并聯(lián)后使用，將其安裝在橋梁的橋墩和梁體之間，起到阻尼作用。還可以和常規(guī)橋梁支座(如盆式橡膠支座、球型支座等)進(jìn)行組合，形成具有阻尼功能的支座，使其既具有支座的功能，又具有減震耗能的功能，這種支座就被稱(chēng)為E型鋼減震阻尼支座，見(jiàn)圖1(a)。E型鋼阻尼器及阻尼支座具有結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，便于模數(shù)化等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)已在國(guó)內(nèi)橋梁工程中得到較多應(yīng)用，下面對(duì)于其在國(guó)內(nèi)的部分應(yīng)用情況進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

國(guó)內(nèi)利用E型鋼的阻尼性能制作的阻尼器及阻尼支座均于2008年首次應(yīng)用于南京江心洲夾江大橋上。該工程中E型鋼阻尼器的阻尼力為2 000 kN，設(shè)計(jì)位移為120 mm，該阻尼器由8塊E型鋼并聯(lián)組成，其結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖1(b)。E型鋼阻尼支座的結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖1(a)，該支座采用E型鋼和球型支座進(jìn)行組合，支座豎向承載力25 000 kN，E型鋼的阻尼力為800 kN，設(shè)計(jì)位移為120 mm。

2009年在常州高架新京杭大橋上使用了8套E型鋼阻尼器，其結(jié)構(gòu)形式如圖8(a)所示。2009年在大瑞線(大理至瑞麗)上使用E型鋼阻尼支座，這是E型鋼阻尼裝置在國(guó)內(nèi)鐵路線路上的首次使用，其結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖8(b)。2010年在內(nèi)蒙大城西黃河橋工程中首次使用的雙向阻尼的E型鋼阻尼支座，該支座在活動(dòng)方向上與速度鎖定器配合使用，既可以在通常情況下實(shí)現(xiàn)活動(dòng)支座在自由方向上的自由活動(dòng)，又可在地震到來(lái)時(shí)實(shí)現(xiàn)E型鋼阻尼器的阻尼耗能作用。

圖8 應(yīng)用于南京江心洲夾江大橋的E型鋼阻尼裝置

3 結(jié)論

本文介紹了E型鋼阻尼器的設(shè)計(jì)原則、依據(jù)和阻尼特性，探討了 E型鋼阻尼器的選用原則和應(yīng)用范圍，并給出了近年來(lái)E型鋼阻尼器在國(guó)內(nèi)橋梁工程中的應(yīng)用實(shí)例?？梢?jiàn)，利用E型鋼阻尼器的阻尼特性進(jìn)行橋梁工程的減震設(shè)計(jì)不但有著良好的耗能效果，并且經(jīng)濟(jì)性好，安裝、維護(hù)和更換方便，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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