徐校春，朱唯豐

（上海材料研究所，上海市 200437）

0 引言

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。作為一個(gè)地震多發(fā)的國(guó)家,大面積的國(guó)土處于強(qiáng)震頻發(fā)的地帶, 因此抗震是我國(guó)工程領(lǐng)域非常重要的問(wèn)題。

橋梁是我國(guó)交通系統(tǒng)中的重要組成部分，隨著我國(guó)高速公路網(wǎng)的建設(shè)，跨江海橋梁建設(shè)也全面展開(kāi)。在過(guò)去的40 年中，我國(guó)共新建公路橋梁51 萬(wàn)多座，特別是大跨徑橋梁的不斷突破，對(duì)于橋梁的安全防護(hù)已經(jīng)是關(guān)系國(guó)計(jì)民生的重要問(wèn)題。如果因地震災(zāi)害造成大量橋梁結(jié)構(gòu)的破壞，不僅會(huì)帶來(lái)橋梁倒塌造成的損失，而且會(huì)因切斷了震區(qū)生命線，次生災(zāi)害將十分嚴(yán)重，從而導(dǎo)致更加巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。因此，減振抗震技術(shù)在橋梁工程的應(yīng)用已經(jīng)是必不可少的。其中，黏滯阻尼器以其良好的抗震性能及適用性大量應(yīng)用于大跨度橋梁上。第12 屆美國(guó)地震工程大會(huì)（UTC-7）于2022 年6 月28 日至7 月1 日在美國(guó)鹽湖城舉辦，會(huì)議主題為“重新構(gòu)想風(fēng)險(xiǎn)與韌性”（Reimaging Risk and Resilience），集中體現(xiàn)過(guò)去四年世界各國(guó)學(xué)者在地震工程領(lǐng)域的最新研究成果，確定“韌性”是抗震設(shè)計(jì)理念今后的發(fā)展方向[1]。而黏滯阻尼器從一開(kāi)始就是在“韌性”的抗震設(shè)計(jì)發(fā)展道路上，因此，我們可以預(yù)見(jiàn)，黏滯阻尼器在橋梁上的應(yīng)用將越來(lái)越廣泛。

1 橋梁黏滯阻尼器在役性能檢測(cè)的必要性

橋梁黏滯阻尼器的設(shè)計(jì)使用壽命一般為50 年至60 年，但是國(guó)內(nèi)目前已知的第一座使用黏滯阻尼器的橋梁是重慶鵝公巖大橋，于2000 年年底建成通車，也就是說(shuō)國(guó)內(nèi)實(shí)際使用黏滯阻尼器的時(shí)間也就剛20 年出頭。作為一種新型產(chǎn)品，影響其工作性能變化的因素有很多，不同的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)影響性能的因素也是不同的。但是最主要的影響因素有兩個(gè)，一個(gè)是阻尼介質(zhì)，另外一個(gè)就是密封系統(tǒng)。目前國(guó)內(nèi)的黏滯阻尼器的生產(chǎn)廠家魚(yú)龍混雜，使用的阻尼介質(zhì)也是五花八門，密封結(jié)構(gòu)也各有不同。因此，沒(méi)有很好的辦法直接來(lái)評(píng)判各種阻尼介質(zhì)和密封結(jié)構(gòu)使用效果的優(yōu)劣，我們只能采用定期檢測(cè)的方法來(lái)查看阻尼器性能是否穩(wěn)定。

目前黏滯阻尼器在橋梁應(yīng)用過(guò)程中，只有在出廠前進(jìn)行過(guò)專業(yè)的性能檢測(cè)。由于黏滯阻尼器安裝到橋梁上后，會(huì)長(zhǎng)期處于工作狀態(tài)，在這過(guò)程中黏滯阻尼器性能是否有變化無(wú)法直接被維護(hù)人員了解。黏滯阻尼器在安裝完成后，基本就是和橋梁“共存亡”，期間阻尼器是否還在起作用沒(méi)有一個(gè)客觀判定。雖然國(guó)內(nèi)從2000 年第一個(gè)黏滯阻尼器安裝到橋梁上，至今為止，國(guó)內(nèi)在橋梁上已安裝了成千上百個(gè)黏滯阻尼器，但是真正還能起作用的黏滯阻尼器還有多少個(gè)還是個(gè)未知數(shù)。由于地震的發(fā)生是不可預(yù)見(jiàn)的，我們只能在安裝完阻尼器后被動(dòng)地“等待”它的到來(lái)。在此之前，我們需要保證橋梁安裝的黏滯阻尼器是正常工作的，因此，在役黏滯阻尼器在工作五至十年后再次進(jìn)行性能檢測(cè)是非常必要的。

2 橋梁黏滯阻尼器在役性能的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

2.1 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)前期準(zhǔn)備

一般在橋梁現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)阻尼力的采集都是采用電阻應(yīng)變計(jì)進(jìn)行采集。而電阻應(yīng)變計(jì)采集的都是相對(duì)值，因此我們必須同時(shí)采集兩臺(tái)阻尼器的應(yīng)變值，并將其分為2 組，一組為檢測(cè)組（檢測(cè)組所在阻尼器定為1號(hào)阻尼器），一組為補(bǔ)償組（補(bǔ)償組所在阻尼器定為2號(hào)阻尼器）。下面以馬鞍山長(zhǎng)江公路大橋主橋的縱向黏滯阻尼器在役性能測(cè)試為例，如圖1、圖2 所示。

圖1 黏滯阻尼器現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)之實(shí)景

圖2 黏滯阻尼器現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)示意圖

在同一主塔上選取兩臺(tái)對(duì)稱布置的黏滯阻尼器（1號(hào)和2號(hào)阻尼器），先將兩臺(tái)阻尼器同一端的銷軸取下，使這兩臺(tái)阻尼器處于自由狀態(tài)。分別在兩臺(tái)阻尼器接長(zhǎng)套（接長(zhǎng)套為傳力部件，不是工作腔，在上面布置應(yīng)變計(jì)不會(huì)影響阻尼器的性能）的四個(gè)方向布置四個(gè)應(yīng)變計(jì)，如圖3、圖4 所示。

圖3 應(yīng)變計(jì)布置圖

圖4 檢測(cè)組及參照組應(yīng)變計(jì)之實(shí)景

其中，應(yīng)變值和阻尼力的關(guān)系，我們可以通過(guò)以下計(jì)算得到：

假設(shè)：縱向黏滯阻尼器接長(zhǎng)套的外徑為D，mm；內(nèi)徑為d，mm；截面積為S，mm2；其材料的彈性模量為E，MPa；所受的阻尼力為F，N；應(yīng)力為σ，MPa；應(yīng)變?yōu)棣拧?/p>

通過(guò)四個(gè)應(yīng)變計(jì)采集的應(yīng)變分別為ε1、ε2、ε3、ε4，可計(jì)算出平均應(yīng)變值：

那么，阻尼器接長(zhǎng)套的平均應(yīng)力值為：

而接長(zhǎng)套的截面積S 可通過(guò)下式計(jì)算：

從而計(jì)算出阻尼器接長(zhǎng)套受到的阻尼力：

同時(shí)在檢測(cè)組所在阻尼器（1號(hào)阻尼器）上加載位移傳感器和溫度傳感器（見(jiàn)圖2），以便采集得到位移值和溫度值，方便對(duì)檢測(cè)阻尼器進(jìn)行后期數(shù)據(jù)分析和整理。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)過(guò)程

選取拔出銷軸時(shí)記錄下來(lái)的溫度，作為開(kāi)始檢測(cè)的起始溫度。開(kāi)始檢測(cè)前，記錄下當(dāng)前1號(hào)、2號(hào)阻尼器上八個(gè)應(yīng)變計(jì)的數(shù)據(jù)作為應(yīng)變計(jì)的初始基準(zhǔn)值（如圖5 所示），并將儀器設(shè)備清零。

圖5 應(yīng)變計(jì)初始值圖示

插入1號(hào)阻尼器銷軸，使1號(hào)阻尼器處于工作狀態(tài)，并開(kāi)始使用采集儀同時(shí)采集1號(hào)、2號(hào)阻尼器的應(yīng)變值。先進(jìn)行半個(gè)小時(shí)的測(cè)試，判斷采集數(shù)據(jù)是否符合預(yù)期，如果有明顯錯(cuò)誤，及時(shí)調(diào)整。然后開(kāi)始正式測(cè)試并采集數(shù)據(jù)，采集數(shù)據(jù)時(shí)長(zhǎng)必須大于24 h，如圖6、圖7 所示。

圖6 1號(hào)阻尼器（檢測(cè)組）平均應(yīng)變值的變化趨勢(shì)圖示

圖7 2號(hào)阻尼器（補(bǔ)償組）平均應(yīng)變值的變化趨勢(shì)圖示

從上述兩個(gè)圖我們可以看到，1號(hào)阻尼器表面的應(yīng)變計(jì)所測(cè)平均應(yīng)變值基準(zhǔn)線的變化趨勢(shì)和2號(hào)阻尼器表面應(yīng)變計(jì)所測(cè)的應(yīng)變值（補(bǔ)償組）變化趨勢(shì)相同，使用1號(hào)阻尼器所測(cè)的平均應(yīng)變值與2號(hào)阻尼器所測(cè)的平均應(yīng)變值之差即可將溫度等環(huán)境因素所帶來(lái)的相關(guān)誤差消除，得到1號(hào)阻尼器的真實(shí)應(yīng)變值的測(cè)試結(jié)果，如圖8 所示。

圖8 1號(hào)阻尼器（檢測(cè)組）真實(shí)應(yīng)變值的變化趨勢(shì)圖示

通過(guò)圖8 中的應(yīng)變值的變化，計(jì)算出1號(hào)阻尼器真實(shí)阻尼力的變化趨勢(shì)，如圖9 所示。

圖9 1號(hào)阻尼器（檢測(cè)組）真實(shí)阻尼力的變化趨勢(shì)圖示

在記錄上述應(yīng)變值的變化趨勢(shì)的同時(shí)，記錄下相同時(shí)間段1號(hào)阻尼器的位移變化趨勢(shì)和表面溫度變化趨勢(shì)，如圖10、圖11 所示。

圖10 1號(hào)阻尼器的位移變化趨勢(shì)曲線圖

圖11 1號(hào)阻尼器的表面溫度變化趨勢(shì)曲線圖

2.3 檢測(cè)結(jié)果分析

通過(guò)上述的測(cè)試，我們得到了1號(hào)阻尼器的位移變化趨勢(shì)和阻尼力的變化趨勢(shì)，截取一段同一起始時(shí)刻的的位移時(shí)程曲線和阻尼力時(shí)程曲線（取1000 s），分析這段時(shí)間阻尼器的力學(xué)性能，截取的分析數(shù)據(jù)如圖12、圖13 所示。

圖12 1號(hào)阻尼器1000 s 的位移時(shí)程曲線圖

從圖12、圖13，我們可以看出，阻尼器位移明顯呈周期性運(yùn)動(dòng)，由于馬鞍山長(zhǎng)江公路大橋的黏滯阻尼器是速度型阻尼器，其力學(xué)方程為：，因此要分析阻尼器的力學(xué)性能，必須得到阻尼器的運(yùn)動(dòng)速度。阻尼器的運(yùn)動(dòng)速度由兩種方式得到：一種是根據(jù)位移進(jìn)行微分得到；另一種是將位移進(jìn)行傅里葉變換，得到位移的各階組成進(jìn)行計(jì)算得到。由于這次采集位移和應(yīng)變不是同步采集，微分得到的速度無(wú)法找到相對(duì)應(yīng)時(shí)刻的實(shí)測(cè)力值，因此我們采用傅里葉變換。利用傅里葉變換得到對(duì)應(yīng)頻譜圖并分析一階模態(tài)下阻尼器理論力與實(shí)測(cè)力誤差，對(duì)應(yīng)頻譜圖如圖14、圖15 所示。

圖14 1號(hào)阻尼器1000 s 位移頻譜圖

圖15 1號(hào)阻尼器1000 s 阻尼力頻譜圖

1 階模態(tài)下計(jì)算理論力如表1 所列。

表1 1號(hào)阻尼器1 階模態(tài)下的速度和理論力值一覽表

根據(jù)阻尼力頻譜圖可得，一階模態(tài)下實(shí)測(cè)阻尼力往復(fù)值約為±193 kN（見(jiàn)圖15），這兩個(gè)數(shù)值非常接近，誤差小于15%，滿足阻尼器力學(xué)性能要求。

如果實(shí)際采集時(shí)，我們能夠同時(shí)采集到位移和應(yīng)變，通過(guò)將位移微分得到速度，并同時(shí)得到對(duì)應(yīng)的實(shí)際阻尼力，對(duì)于我們分析阻尼器的性能將更加有利。

3 結(jié)論

（1）按上述測(cè)試方法進(jìn)行測(cè)試，排除了溫度、環(huán)境等因素的影響，測(cè)試的數(shù)據(jù)可靠準(zhǔn)確，且用時(shí)短，相對(duì)來(lái)說(shuō)工作流程也比較簡(jiǎn)潔，是一種值得推薦的橋梁黏滯阻尼器在役性能的測(cè)試方法。

（2）黏滯阻尼器作為橋梁百年工程的保護(hù)裝置，其質(zhì)量關(guān)系著橋梁的生命，對(duì)于不可預(yù)見(jiàn)的地震，我們要隨時(shí)保證黏滯阻尼器的工作狀態(tài)是正常的，因此定期對(duì)橋梁在役黏滯阻尼器進(jìn)行檢測(cè)是非常必要的。

（3）根據(jù)上述的測(cè)試數(shù)據(jù)和分析結(jié)果，馬鞍山長(zhǎng)江公路大橋上安裝的黏滯阻尼器力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果與理論值非常接近，表明上海材料研究所生產(chǎn)的馬鞍山長(zhǎng)江公路大橋黏滯阻尼器經(jīng)過(guò)近十年的運(yùn)行后，還處于正常工作狀態(tài)，其質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求，表現(xiàn)優(yōu)異。

（4）從2000 年第一臺(tái)黏滯阻尼器安裝到國(guó)內(nèi)橋梁上開(kāi)始，黏滯阻尼器在國(guó)內(nèi)橋梁的應(yīng)用歷史已經(jīng)有20 余年，但是鮮有進(jìn)行再檢測(cè)的實(shí)例，馬鞍山長(zhǎng)江公路大橋阻尼器進(jìn)行的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)是黏滯阻尼器發(fā)展的又一個(gè)里程碑，表明國(guó)產(chǎn)黏滯阻尼器不僅在性能上已經(jīng)達(dá)到了世界一流水平，質(zhì)量上也達(dá)到了世界一流水平。