陳永祁， 鄭成成， 馬良喆， 鄭久建

（1.北京奇太振控科技發(fā)展有限公司，北京 100037；2.燕山大學(xué) 建筑工程與力學(xué)學(xué)院，河北 秦皇島 066004）

0 引言

鐵路橋梁在減振設(shè)計時除通常必須考慮的地震、大風(fēng)和其他突發(fā)荷載外，列車正常行駛時產(chǎn)生的各種荷載也會對結(jié)構(gòu)安全有一定影響。列車在通過橋梁時可能會發(fā)生加速、轉(zhuǎn)向和制動等情況，給橋梁結(jié)構(gòu)帶來縱、橫向的振動荷載。由于鐵路列車自身質(zhì)量大，運(yùn)行速度快，產(chǎn)生的荷載比一般的公路橋梁荷載大得多，屬于較為復(fù)雜而劇烈的動力荷載，且出現(xiàn)的頻率較高，幾乎在每次列車通過橋梁時都會發(fā)生，給結(jié)構(gòu)的耐久性和穩(wěn)定性帶來巨大考驗(yàn)。

1 鐵路橋梁剎車荷載的特殊性

在列車荷載中，列車的制動力已經(jīng)成為鐵路橋梁設(shè)計時重點(diǎn)考慮的荷載之一。已有研究和實(shí)測結(jié)果表明，由于閘瓦摩擦系數(shù)會隨著列車運(yùn)行速度的降低而不斷增大，并在列車運(yùn)行速度趨于零的瞬間躍升至最大，因此列車軌道面制動力在閘瓦壓力達(dá)到額定限值后仍不斷增大，并在列車停止的瞬間達(dá)到峰值［1］。目前，研究中常用到的列車初始制動力速度一般在50~200 km/h之間，其中部分制動力時程曲線見圖1［2］。

圖1 不同制動初速度制動力時程曲線

通常計算制動力的方法主要有換算閘瓦壓力計算法和實(shí)算閘瓦壓力計算法，其中實(shí)算閘瓦壓力Ki計算法的公式如下［2-3］：

式中：pzi為第i輛車上制動缸的空氣壓力；dz為制動缸的直徑；γz為制動倍率；ηz為制動裝置的計算傳動效率；nk為閘瓦數(shù)；nz為制動缸的數(shù)量。

與計算閘瓦壓力的方法相似，摩擦系數(shù)的計算也包括換算摩擦系數(shù)和實(shí)算摩擦系數(shù)，其中實(shí)算摩擦系數(shù)?k的計算公式式如下［2-3］：

我國行車試驗(yàn)和動態(tài)分析均已證明，列車緊急制動停車前的2 s內(nèi)，列車軌面的制動力由40%~60%躍升到100%，具有十分明顯的動力特性［1］。這種動力荷載由于瞬間增大較快，容易對梁體產(chǎn)生很大的縱向位移，橋墩底部彎矩瞬間增大，從而影響橋梁的使用和安全。對于采用全漂浮體系的鐵路斜拉橋或懸索橋而言，還容易出現(xiàn)加速度過大，舒適度超標(biāo)的問題。此外，不同結(jié)構(gòu)形式的鐵路橋梁，受力傳遞方式和受力特點(diǎn)都不相同，這些動力荷載需要通過各自的橋墩、橋臺、梁體和橋上線路共同組成的復(fù)合式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)傳遞，車輛荷載的動力分析變得十分復(fù)雜，難以通過常規(guī)辦法準(zhǔn)確控制［4-6］。

2 鐵路橋梁對減振設(shè)備的特殊要求

鐵路橋梁上使用的減振設(shè)備都要經(jīng)受由列車帶來的頻繁運(yùn)行和制動荷載的檢驗(yàn)。和地震力相比，力值較小，但其往復(fù)運(yùn)動的頻次很高，容易使減振用阻尼器達(dá)到工作能力的上限，對其耐久性是個極大挑戰(zhàn)。

根據(jù)美國泰勒公司對臺灣高鐵C-270 段阻尼器的試驗(yàn)報告分析顯示，在40 年內(nèi)列車制動次數(shù)可累計達(dá)到100萬次左右。為此，在安置減振用阻尼器前，做了100萬次抗疲勞循環(huán)測試。結(jié)果顯示，阻尼器最大出力僅達(dá)到額定值的10%（250 kN），最大沖程為±5 mm，均在允許范圍內(nèi)。

由于鐵路橋梁所用減振設(shè)備的特殊性，有必要針對不同橋梁的結(jié)構(gòu)組成和實(shí)際需求進(jìn)行深入研究，進(jìn)而選取最合適的減振裝置。此外，可根據(jù)受力荷載的不同，將減振設(shè)備大體分成兩大類［7-8］：一是偶發(fā)大荷載或日常小荷載用抗震阻尼器；二是常遇大荷載用高功率阻尼器。

2.1 偶發(fā)大荷載、日常小荷載用抗震阻尼器

偶發(fā)大荷載主要指百年不遇的罕遇地震，因此真正能達(dá)到阻尼器最大沖程和最大出力的荷載十分罕見，且振動時間一般也很短。而阻尼器在平均風(fēng)荷載，車輛荷載等日常小荷載下一般只有微小的振動。我國的公路橋梁如蘇通大橋、江陰大橋等，采用的阻尼器均屬于這種類型。其中，蘇通大橋所采用的抗震阻尼器進(jìn)行了5萬次疲勞荷載測試，測試中最大出力僅達(dá)到限值的10%（320 kN），最大沖程為±5 mm，均在阻尼器的安全允許范圍內(nèi)。

然而，鐵路橋梁由列車運(yùn)行和制動產(chǎn)生的振動要比公路橋梁更加強(qiáng)烈，這給抗震用阻尼器帶來了巨大負(fù)擔(dān)。例如韓國高鐵，由于設(shè)計者對日常荷載引起的振動估計不足，所采用的內(nèi)置硅膠鎖定裝置在安置2~3年后就出現(xiàn)了硅膠分離、硅油大量泄漏的問題。

2.2 常遇大荷載高功率阻尼器

在很多情況下阻尼器要經(jīng)常進(jìn)行大荷載運(yùn)動［8］，例如：（1）斜拉索阻尼器；（2）TMD 減振系統(tǒng)的阻尼器；（3）部分設(shè)備減振用阻尼器。其中，設(shè)備減振又分為2種情況：一是設(shè)備起動時減振，這種仍屬于偶發(fā)荷載；二是設(shè)備長期工作減振，這種則屬于常遇大荷載減振。

已有資料顯示［3］，某公鐵兩用斜拉橋，因其大跨斜拉橋的工作狀態(tài)及靠近市中心的地理位置，使列車過橋時剎車制動頻繁且制動力較大。經(jīng)計算，由列車制動所引起的橋梁縱向振動位移最大達(dá)±20 mm，振動速度達(dá)5 mm/s。如果考慮鐵路正常運(yùn)行40 年，上述制動荷載將會循環(huán)出現(xiàn)高達(dá)200萬次，這種高頻率振動已超過一般抗震用阻尼器的允許工作能力范圍。如果單純采用常規(guī)抗震阻尼器，而無其他減振措施，阻尼器將有疲勞損壞的可能。

對于處在頻繁剎車位置的鐵路橋梁，所采用的減振設(shè)備實(shí)際上已接近或達(dá)到常遇大荷載的工作狀態(tài)。因此，在選用減振裝置時應(yīng)進(jìn)行精細(xì)計算，在內(nèi)部結(jié)構(gòu)、密封裝置的選材等方面必須進(jìn)行特殊處理，而不宜簡單選用普通抗震阻尼器。

3 鐵路橋梁用阻尼器的應(yīng)用誤區(qū)

鐵路橋梁的特點(diǎn)決定了其配套阻尼器的復(fù)雜性和特殊性，在應(yīng)用中容易引起部分設(shè)計人員和工程人員的錯誤認(rèn)識。

3.1 阻尼器初始力的應(yīng)用

鐵路橋梁的自身特點(diǎn)決定在列車經(jīng)過及制動情況下所引起的振動是不可避免的。一些設(shè)計人員提出在阻尼器受力初期即提供一定的初始力，從而抑制并減小結(jié)構(gòu)的顫振。

根據(jù)不同的工程需求，期望阻尼器在工作時具有下面2 個階段的特性［9］：對于平均風(fēng)、溫度、剎車、小地震等荷載，阻尼器可以像剛性連桿一樣，控制兩端不發(fā)生相對運(yùn)動；而對于大風(fēng)、大地震或超過一定動力荷載時，阻尼器能進(jìn)行相對運(yùn)動，消耗振動能量。在建筑和橋梁工程中，通常要求阻尼器在工作初期具有一定的剛度。

3.2 熔斷阻尼器的應(yīng)用

橋梁熔斷阻尼器，在工作的第一階段主要依靠金屬熔斷片提供的初始力限制阻尼器的相對位移，從而限制橋梁在風(fēng)荷載和剎車荷載作用下的振動位移，同時也限制了溫度變化下的相對位移。當(dāng)在溫度變化較大的橋梁上使用時，為了釋放可能產(chǎn)生的溫度變形，可在橋梁的另一端使用普通的黏滯阻尼器。通過這種組合使用的方法，既可以限制橋梁在日常荷載下的振動，又可以應(yīng)對溫度變形帶來的影響，同時滿足橋梁抗震的需要。例如，美國舊金山附近的Richmond-San Rafael Bridge便采用了這種組合減振控制方案。

如果設(shè)計時不考慮溫度變形，僅通過阻尼器的初始力與受到的荷載作用抗衡，其結(jié)果將會導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)剛性過大，經(jīng)過長年熱脹冷縮后各部件容易出現(xiàn)變形、松動等問題，嚴(yán)重時阻尼器將會破壞并危及橋梁安全。因此，在進(jìn)行減振設(shè)計時必須考慮橋梁結(jié)構(gòu)自身特點(diǎn)，不能對橋梁結(jié)構(gòu)的變形、受力等造成負(fù)面影響。此外，這種帶初始力的阻尼器一般在低速工作下出力很大，很難滿足橋梁阻尼器的慢速測試要求。

3.3 油阻尼器的應(yīng)用

油阻尼器一般通過設(shè)置較小的速度指數(shù)和不同的機(jī)械閥門獲取所需的阻尼力，以實(shí)現(xiàn)對低速下剎車荷載的控制。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算時，油阻尼器一般采用雙線性模型，與黏滯阻尼器采用的Maxwell模型完全不同［10］。在實(shí)際應(yīng)用中，油阻尼器存在2個問題：一是內(nèi)置閥門在沖擊荷載作用下存在工作失靈的情況，造成內(nèi)部壓力瞬時陡升，使設(shè)備內(nèi)部元件和密封裝置損壞；二是當(dāng)速度指數(shù)取0.1時，油阻尼器輸出的性能曲線是不連續(xù)的。

對斜拉橋而言，在普通的連續(xù)小幅橋梁振動中，由于速度指數(shù)為0.1 的阻尼器閥門關(guān)閉而出力陡增，使整個箱梁看起來如同處于被壓緊的彈簧之上［11］。在這些小位移下，隨時間而累積的荷載要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于速度指數(shù)為0.3 的阻尼器產(chǎn)生的荷載。且對于采用混凝土箱梁等結(jié)構(gòu)的橋體，在速度指數(shù)取0.1 時易被激起共振，長期運(yùn)行后，橋體的連接節(jié)點(diǎn)會出現(xiàn)松動現(xiàn)象［12］。

4 工程實(shí)例

與一般公路橋梁不同，鐵路橋梁除可能遇到的地震作用外，在其正常運(yùn)營階段可能還要承受很大的運(yùn)行荷載和剎車荷載。因此，在進(jìn)行鐵路橋梁抗震設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)各鐵路橋梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、橋跨布置等情況，選擇合適的減震設(shè)備和合理的安置方案。一般情況下，對于非抗震區(qū)橋梁，主要考慮采用速度鎖定裝置來控制列車運(yùn)行荷載和剎車荷載作用下出現(xiàn)的縱向振動位移；對于抗震區(qū)橋梁，主要采用黏滯阻尼器作為主要的減震措施［13］。當(dāng)需要同時考慮地震和列車荷載時，可根據(jù)工程控制目標(biāo)進(jìn)行組合控制方案設(shè)計。

4.1 組合控制系統(tǒng)

目前，國內(nèi)的一些鐵路橋梁，為了實(shí)現(xiàn)對地震和列車荷載的雙重控制，常采用不同控制措施的組合設(shè)計方案。

4.1.1 武漢天興洲大橋

武漢天興洲公鐵兩用斜拉橋，設(shè)計者考慮列車運(yùn)行荷載特別是制動力對橋本身的動力影響很大，在該橋上使用了世界首創(chuàng)的組合控制方案［14-15］：一方面在縱橋向安置6個出力40 t 的磁流變阻尼器來控制列車制動力引起的主梁振動；另一方面采用大型的普通阻尼器控制主橋在強(qiáng)烈地震下的縱漂和受力。其中普通阻尼器最大出力為200 t，沖程為±350 mm，速度指為0.4，阻尼系數(shù)為5 000 kN/（m·s-1）0.4，全橋共計12個。

但安置在橋上的磁流變阻尼器幾乎已全部破壞。因此，磁流變阻尼器在長期工作下的穩(wěn)定性和耐久性還需注意。此外，2種不同性能的阻尼器減振系統(tǒng)共同工作時的銜接問題及互相影響也有待深入研究。由于磁流變阻尼器的最大允許噸位有限，當(dāng)遭受超過其最大允許噸位的荷載作用時如大風(fēng)、地震等，它會率先退出工作，所有荷載將全部由普通阻尼器承擔(dān)。

4.1.2 韓家沱大橋

韓家沱鐵路斜拉橋在設(shè)計時同樣采用了組合控制方案［16］：采用4 個帶熔斷的速度鎖定裝置控制剎車荷載對橋體產(chǎn)生的振動、4個大型黏滯阻尼器用于抵抗可能發(fā)生的地震。但與天興洲大橋的不同之處在于：該橋采用了對剎車荷載控制效果更好的帶熔斷的速度鎖定裝置。在列車運(yùn)行荷載及剎車荷載作用下，熔斷器處于關(guān)閉狀態(tài)，僅鎖定裝置工作，此時對阻尼器的影響很小。當(dāng)較大地震發(fā)生時，熔斷器開啟，斷開與鎖定裝置的連接，此時橋梁的振動荷載全部由黏滯抗震阻尼器承擔(dān)。帶熔斷鎖定裝置見圖2。

圖2 帶熔斷鎖定裝置

通過計算發(fā)現(xiàn)，在不同工況下，通過設(shè)置不同參數(shù)的鎖定裝置和粘滯阻尼器均可對列車制動帶來的剎車位移產(chǎn)生一定的控制效果，且鎖定裝置的控制效果明顯優(yōu)于阻尼器，具體效果對比見圖3和表1。

表1 設(shè)置鎖定裝置、黏滯阻尼器后減振效果對比

圖3 不同工況下主梁位移控制效果對比

4.2 單套控制系統(tǒng)

4.2.1 臺灣高鐵橋

90 年代建設(shè)的臺灣高鐵橋在C-270 地震區(qū)采用了1種介于鎖定裝置和阻尼器之間的減振裝置——帶放泄閥的緩沖裝置，其最大出力為390 t，最大沖程為±125 mm。通過設(shè)置此減振裝置，可把列車產(chǎn)生的縱向制動力有效地傳遞到周圍各橋墩上，起到分散受力的作用，可減輕單個橋墩的負(fù)擔(dān)。與常規(guī)鎖定裝置不同的是，該緩沖裝置在速度減小時會釋放鎖定約束，允許硅油自由通過阻尼孔。當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時，該裝置通過閥門的快速放泄使硅油往復(fù)運(yùn)動，產(chǎn)生黏滯阻尼力進(jìn)行耗能。因此，此裝置既可控制列車制動力產(chǎn)生的梁體振動位移，又可發(fā)揮耗能減震的作用（見圖4）。

圖4 臺灣高鐵橋C-270段減振裝置

4.2.2 津秦高速鐵路橋

跨京沈高速公路匝道特大橋是津秦鐵路沿線主要橋梁之一，其結(jié)構(gòu)為四跨變截面連續(xù)梁橋。橋墩從左到右依次編號，中間3#墩為固定墩，其他均為滑動墩。為了加強(qiáng)跨京沈高速公路匝道特大橋抵御強(qiáng)烈振動的能力，計劃在2#，4#墩頂處各設(shè)置4 個速度鎖定裝置，大橋有限元模型見圖5［17］。

圖5 匝道特大橋有限元模型

通過非線性時程分析，對比了2#橋墩設(shè)置鎖定裝置前后在剎車荷載作用下墩梁相對位移和相對速度，結(jié)果見圖6、圖7。

圖7 2#墩梁相對速度

由圖6可見，加設(shè)鎖定裝置后在剎車荷載作用下，主梁和2#橋墩間的相對位移時程曲線最大值明顯減小，由控制前的14.48 mm降到6.88 mm，最大減振率達(dá)52.49%。

圖6 2#墩梁相對位移

圖7中，鎖定裝置對于控制剎車荷載引起的橋梁振動速度也有一定效果，主梁和2#橋墩間的相對速度時程曲線最大值，由控制前的134.20 mm/s 降到80.07 mm/s，最大減振率達(dá)40.34%。

除上述工程實(shí)例外，烏錫線黃河連續(xù)梁橋，通過采用阻尼系數(shù)C較大的抗震阻尼器，在滿足橋梁抗震需求的同時，對列車制動力引起的橋體振動也起到了一定控制作用。設(shè)置阻尼器后，使剎車荷載作用下梁端的振動峰值位移由17.50 mm 降到11.90 mm，振動峰值速度由57.40 mm/s降到22.30 mm/s，減振效果較好。

4.3 振動控制方案匯總

國內(nèi)外采用組合控制或單控制系統(tǒng)解決鐵路橋梁剎車荷載問題的技術(shù)方案部分匯總見表2。

表2 部分鐵路橋剎車荷載控制方案匯總

5 結(jié)論

目前，采用阻尼器或鎖定裝置解決列車制動力引起的鐵路橋梁振動問題是一個重要的研究課題。

通過具體工程案列的分析，總結(jié)了如下具有實(shí)用價值的技術(shù)方案：

對于小跨徑橋梁，建議選擇單套系統(tǒng)控制，在滿足振動控制的同時也更具經(jīng)濟(jì)性。比如臺灣高鐵橋上選用的帶放泄閥的緩沖裝置，對剎車荷載和地震荷載均有較為明顯的控制效果。可實(shí)現(xiàn)對高頻率剎車荷載和部分地震耗能控制的雙重目的，其關(guān)鍵在于要選擇合適的控制點(diǎn)和放泄時間，以實(shí)現(xiàn)二者之間的自動轉(zhuǎn)換。

對于所處位置地震烈度不高或通過結(jié)構(gòu)設(shè)計已能滿足抗震需求的小跨徑橋梁，可直接采用鎖定裝置實(shí)現(xiàn)對剎車力的控制，而不用專門進(jìn)行抗震設(shè)計。

對于跨度較大的斜拉橋或懸索橋，建議采用組合控制系統(tǒng)，即采用鎖定裝置和黏滯阻尼器聯(lián)合控制方法，將列車剎車荷載和地震荷載分開控制。尤其采用帶熔斷的鎖定裝置，對控制剎車荷載引起的橋梁振動有更好的減振效果，該裝置可根據(jù)兩端的相對速度大小啟動，將其連接的兩端相對位移鎖定，進(jìn)而改變橋梁的傳力路徑，使各橋墩受力更加均衡。當(dāng)強(qiáng)烈地震發(fā)生時，熔斷裝置斷開，鎖定裝置退出工作，以免被破壞。與此同時，黏滯阻尼器正式啟動進(jìn)行耗能工作。地震過后，只需簡單的更換新的熔斷裝置，便可繼續(xù)工作。

通過相關(guān)算例的計算發(fā)現(xiàn)，對于大跨徑，尤其采用漂浮體系結(jié)構(gòu)的鐵路橋梁，采用組合控制系統(tǒng)分開控制剎車荷載和地震荷載，在滿足經(jīng)濟(jì)性的同時，控制效果更佳。