减振技术在桥梁结构中的应用

减振技术在桥梁结构中的应用

余健梅羽姜坤赵军

中建二局三公司天津分公司天津300000

摘要：本文在查阅相关文献的基础上，首先对桥梁结构减振控制技术的国内外研究与应用做了一个概述；然后给出了减振控制的两种主要途径；接着详细介绍了采用时程分析法计算求解增设阻尼器等减振控制装置后结构的响应；最后以设置粘滞阻尼器的杭州湾大桥南航道桥为例，分析了该斜拉桥的横向位移和内力反应，得出减振控制技术在桥梁结构中值得采用。

关键词：桥梁结构；减振；粘滞阻尼器；斜拉桥

引言

我国地处世界两大地震带——环太平洋地震带与欧亚地震带之间，是世界上地震最多发的国家之一，有40％以上国土属于超过7度的抗震设防区[1]。强震作用下，桥梁结构的正常使用是灾区人民生命财产安全的最后一道保障，如果桥梁结构损毁将会造成更加严重的次生灾害[2]。我国1976年的唐山地震、1999年的台湾集集地震、2008年的四川汶川地震以及2010年的青海玉树地震都导致了桥梁的严重破坏或毁灭性破坏，给救援及震后援建工作带来很多困难[3]。

进入21世纪，中国桥梁建设进入了一个全面发展的阶段，建成了数以百计的大跨度桥梁。在建设五纵七横主干公路的同时，中国开始了跨海工程建设。先后建成了东海、杭州湾、胶州湾和舟山连岛等10多个跨海大桥工程。港珠澳跨海工程已进入建设高潮，其中桥梁主体工程全长约29.6km，预计于2016年8月完成合拢[4]。随着这些大跨度桥梁的发展，传统的通过增强梁、柱、基础的抗震设计理念已经不能满足抗震设防的要求或抗震效果不理想。因此，人们开始吸收和借鉴航空、机械等领域的成果，在传统结构体系之外，附加如基础隔震、消能系统、主动控制体系等对结构进行抗震保护[5]。工程实际表明，采用减振系统后，在同等造价情况下可达到比传统抗震设计更高的抗震性能，也更容易实现小震不坏、中震可修和大震不倒的抗震设计原则[6]。

本文在查阅相关文献的基础上，简要介绍了结构减振控制技术在桥梁结构上的应用。首先对桥梁减振的实际应用及国内外研究现状做了一个概述；然后给出了减振控制技术的基本原理；接着以斜拉桥的减振控制为例，列举出各种减振控制技术；最后结合算例对磁流变阻尼器在斜拉桥中的应用做了简要分析。

1桥梁减振控制的应用现状

隔震与消能减振技术的思想在二十世纪初就已被提出，经过近一个世纪的发展，该技术在美国、日本、新西兰、意大利等多地震国家得到了广泛的发展和应用。我国在结构减振控制领域虽然起步较晚，但经过众多学者和工程设计人员的不懈努力，我国在这方面的研究与应用已处于国际先进行列。下面就国内外桥梁减振控制的研究现状做一个简要介绍，并对各国设计规范作了一个比较。

1.1减振控制在桥梁上的应用

对桥梁结构而言，梁体和墩台通过支座连接，理论和试验分析表明：支座连接方式对桥梁动力特性有很大的影响，在梁体与墩台间安放水平柔性支承和能量耗散装置可以有效地降低结构的地震响应。对桥梁结构，研究较多的有叠层橡胶支座、聚四氟乙烯支座、铅芯橡胶支座、新型减震支座以及位移控制装置等。

新西兰是世界上最早进行减振技术研究并广泛应用的国家之一，1973年以来，新西兰已有几十座公路桥梁和铁路桥梁采用了减振技术，其中大部分采用铅芯橡胶支座。世界上首座减振桥梁MotoBridge建于1973年，为170m长的钢桁架轻型桥面，钢筋混凝土薄腹桥墩，上部结构采用滑动支座隔震，隔震系统的阻尼由U型钢弯曲梁提供[7]。

美国第1次采用隔震系统是在1979年，将一些电路断路器装备了阻尼为7%的弹性支承，从那时起，许多新建和改建的建筑和桥梁都使用了隔震系统。美国第1次将隔震技术用于桥梁是1984年，对SeirraPoint桥进行抗震加固。该桥原建于1956年，长200m，宽40m，水平方向略有弯曲。动力分析表明，在遭受0.69g水平加速度的强震作用下，该桥将会发生严重破坏。解决办法是用铅芯橡胶支座代替锕陛球支座进行隔震。据计算，在距离该桥7km处的圣安德烈斯断层发生里氏8.3级地震情况下，这些支承能延长结构的固有周期，使桥墩所受实际弹性力减小到原来的1/6，并采用限位杆保证纵梁与横梁的连接，估计大桥在设计地震动大小的地震发生时和刚发生后都能继续使用。该桥在LomaPrieta地震中经受了峰值加速度为0.09g的冲击。由于铅芯橡胶支座的使用有效地降低了地震力，因而桥墩没有受到损坏而幸存下来。

消能减振技术在我国桥梁上（主要是大型桥梁）已有不少应用工程：重庆鹅公岩长江大桥（悬索桥，主跨600m，边跨211m，宽35.5m），是我国首次采用粘滞阻尼器对悬索桥进行减振限位的桥梁工程，它在锚碇与钢梁间设置了四只新型高阻尼粘滞阻尼器，达到了提高使用性能、减振限位、减小变形的目的；理论分析结果表明，设置阻尼器后选用的伸缩缝伸缩量由168cm减小到120cm，产生了明显的技术经济效益。已建成的如卢浦大桥、杭州湾大桥、苏通大桥、青岛海湾大桥、嘉兴至绍兴跨江大桥均采用或计划采用粘滞阻尼器。

1.2减振控制设计规范

目前，减隔震技术在国外桥梁抗震中已有广泛应用，美国、新西兰、日本和欧洲的一些国家将减隔震设计纳入了桥梁抗震规范。1983年，新西兰在桥梁设计规范中正式写入关于桥梁隔震设计的条文；1991年，美国AASHTO通过了《公路桥梁隔震设计指导规范》，并于次年出版执行；1991-1993年，日本建设省土木研究所与民间28社团合作进行了关于“公路桥梁免震构造系统”的研究，开发了10种消能减振装置，并对隔震装置的性能确认试验方法、采用隔震设计的细部构造、抗震加固、将简支梁连续化等问题进行了研究，最后归纳汇总成“道路桥免震设计指南”，并于1996年首次将减振技术引入桥梁抗震设计规范中。

近二十年来我国在这一领域发展迅速，减振技术基本概念从最初的鲜为人知，到现在的广大一线工程师基本普及，发展非常之迅速。《铁路工程抗震设计规范》（GB50111-2006）、《公路桥梁抗震设计细则》（JTG/TB02-01-2008）、《城市桥梁抗震设计规范》征求意见稿均已增加了减振设计内容；但相比国外规范还显得比较笼统，设计方法不够明确具体，适用范围小（不包括悬索桥、斜拉桥及大跨径的梁桥、拱桥等大型桥梁），可操作性受到限制。

虽然近年来国内已建、在建的特大型桥梁一般均采用了减振措施，但与需求相比还只是很少的一部分。我国境内己建和拟建的大跨度桥梁，虽大多数都位于非高烈度地震地区，但由于大跨度桥梁的重要性，在提高抗震等级后，一般均需进行抗震设计：对高烈度地区桥梁，一般抗震设计方法很难满足抗震设防要求，更是迫切需求进行减振设计。与发达国家相比，我国减振技术在桥梁上的研究和应用还处于起步阶段，影响该技术推广的原因主要有：1）国内大多数单位对桥梁抗震缺乏研究和重视，加之对减振桥梁进行分析需要清晰的抗震设计理念和较高的理论水平，只能由少数专业研究人员独立完成；2）可借鉴的工程实例较少，缺少大震或大型振动台试验对该技术减振效果的检验，难以消除人们对减振技术有效性的顾虑。为此，需对桥梁减振技术的应用进行研需对桥梁减振技术的应用进行研究，形成操作方便、可行的抗震设计实用方法，并用现代化的试验手段对减振桥梁进行试验研究验证。只有桥梁工程师亲自参与抗震设计，才能将抗震设计概念融入桥梁设计的各个阶段，达到预期的抗震设计效果[8]。

2减振控制技术的原理

2.1减振控制的途径

地震作用下多质点体系的运动方程[9]为：

式中，[M]、[C]、[K]分别为结构的质量、阻尼和刚度矩阵；、和分别为结构的位移、速度和加速度；p（t）为外荷载作用。

振动方程表明，桥梁结构的地震反应与地面运动的加速度、结构质量及分布、阻尼和刚度有关。一般情况下不易改变桥梁结构的质量及其分布，但利用结构自身的延性或在桥梁中设置减振装置改变桥梁结构的阻尼、刚度，则可以优化桥梁结构动力特性、振动形态或使桥梁上、下部结构之间、桥梁与地基之间产生动力相互干涉，以减小地震作用，从而达到桥梁结构减振的目的。

当结构的自振周期大于特征周期后，自振周期越长，地震引起的结构内力越小，如图1（a）所示。在上部结构和下部结构间采用水平刚度较小的柔性支承，延长结构的自振周期，可隔离地震能量向上部结构的传递，从而减小结构地震响应，这种结构称为隔震结构。目前，许多国家的规范均要求使用隔震支座桥梁的基本隔震周期是对应的传统非隔震桥梁周期（假设所有支座处约束条件均为铰支座时所得的周期）的2倍以上，有的甚至是3倍。但隔震装置同时应具备足够的刚度和强度，以承受正常使用状态下的风荷载、汽车制动力等水平作用。

增加桥梁结构的阻尼可吸收地震输入能量，减小结构地震反应，如图1（b）所示。传统的桥梁抗震设计是通过使墩柱在控制范围内产生塑性变形来提供阻尼，然而，过大的塑性变形可能会导致构件的损坏甚至桥梁的倒塌。对于隔震结构，随着结构自振周期的延长，结构的位移反应也同时增加。为减小隔震结构的位移反应，可在桥梁的适当位置设置特制的构件或装置，使之在强震时率先进入塑性，产生大阻尼，大量消耗进入结构体系的能量，此种结构称为消能减振（振）结构，最大可提供高于20％的等效阻尼比[10]。

图1结构反应谱

2.2减振控制的时程分析方法

有控制作用的多自由度体系，其运动方程为：

3斜拉桥的减振控制技术

斜拉桥由于其结构形式有利于大跨度的受力条件，且具有外型美观、造价低、施工方便等突出的优点，从而成为世界上广泛采用的大跨度桥型。随着斜拉桥兴建数目和跨度的增长，其在地震作用下的响应受到越来越多的关注。斜拉索由于设计安全度高，抗震强度一般不成问题，因此，斜拉桥抗震设计的重点应放在抗震体系的优化和消能减振措施的选取[12]。本文将以一采用粘滞阻尼器的大跨度斜拉桥为例，分析增设减振控制装置的桥梁结构在地震作用下的响应。

3.1粘滞阻尼器

消能减振装置的形式较多，但粘滞阻尼器被一些先进国家作为大跨斜拉桥振动控制的首选减振装置。其原因是粘滞阻尼器是速度相关型的消能器，可消耗大量振动能量而又不给桥梁结构附加刚度，在温度变化、收缩徐变等因素引起的慢速变形时能保证梁体自由变形不产生附加内力；粘滞阻尼器具有阻尼系数调整幅度大、应用范围广、稳定性好、施工维修方便等技术优势。在大跨桥梁的抗震抗风设计和加固方面具有很好的应用前景。

如图2所示，粘滞流体阻尼器[13]一般由缸体、导杆、活塞、阻尼孔和粘滞流体阻尼材料等部分组成，活塞在缸筒内作往复运动，活塞上有适量小孔成为阻尼孔，缸筒内装满粘滞流体阻尼材料。当活塞与缸筒之间发生相对运动时，由于活塞前后的压力差使流体阻尼材料从阻尼孔中通过，从而产生阻尼力，达到耗能的目的。

式中，C为阻尼系数；α为速度指数，它们与阻尼器的构造有关。在工程应用中，可根据结构的动力特性合理选择阻尼器的阻尼系数C和阻尼常数α，使阻尼器的减振效果达到最优。

4结论

桥梁结构是至关重要的生命工程之一，因此确保桥梁结构能够在地震后，依旧能够正常使用是每一个从事桥梁研究工作者的任务。本文在简要介绍了国内外桥梁结构减振控制研究与应用的基础上，简要概括了桥梁减振控制的两种主要途径，并具体介绍了采用时程分析法计算求解增设阻尼器等减振控制装置后结构的响应，最后以采用粘滞阻尼器的杭州湾大桥南航道桥为例，分析了采用阻尼器后结构各截面、部位的响应，由此得出在大跨斜拉桥中设置粘滞阻尼器，可以有效地控制地震作用下的桥梁结构的横向位移反应和内力反应，值得在工程实践中采用。

参考文献

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