E型钢阻尼器及其在桥梁工程中的应用

2012-07-27李世珩陈彦北胡宇新郭红锋

铁道建筑 2012年1期

李世珩，陈彦北，胡宇新，郭红锋

(株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南株洲 412007)

我国位于世界上两大地震带——环太平洋地震带和亚欧地震带之间，是全球大陆区域中最活跃的地震区之一[1]，因地震灾害造成了巨大的危害，特别是由于基础设施桥梁结构的破坏，切断了震区生命线，次生灾害十分严重，导致了巨大的经济损失和人员伤亡。目前，我国铁路、公路及市政工程建设迅速发展，而其中桥梁是生命线工程，桥梁结构在地震作用后能够保持畅通具有特别重要的意义，因此，如何建立一种安全经济的桥梁结构，从而可以有效抵御某种程度的、不可预测的、灾难性的大地震，近年来备受重视[2-7]。

提高桥梁抗震性能的方法可分为两种[2，3，8]:①通过提高桥墩的配筋量或增大截面积来提高桥梁的抗震能力;②采用隔震装置延长桥梁结构基本周期，以降低桥梁上部结构的地震响应并使用减震耗能装置将位移控制在一定范围内，从而达到既降低桥梁墩台的弯矩和剪力，又不影响桥梁的正常使用的目的。在第一种方法中，在增加了截面抗力的同时，往往也增加了结构自重从而加大结构的地震反应，造成恶性循环，特别是对于高烈度区，非常不经济，而从经济和时效角度来看，选择在桥梁与墩台连接处安装减震耗能的阻尼装置，更易于达到保护桥梁结构在地震后正常使用的目的。

表1是对目前国际上常用的三种不同类型阻尼器性能特点的比较。通过表1的比较可知，钢阻尼器具有制造简单、阻尼效果好、成本低、易于维护等特点，因此在欧美、日本、新西兰、台湾地区等得到了较多应用[9]。钢阻尼器存在多种结构形式，目前的钢阻尼器多应用于建筑结构，难以满足桥梁结构的减震需求。钢阻尼器在应用于桥梁结构中时，既需要其有稳定的阻尼性能，又需要有良好的结构形式，便于和支座组合使用，且安装方便易于更换。依据国外成功经验[10-11]及意大利Alga公司的先进设计理念设计的E型钢阻尼器就较好地满足了桥梁工程耗能减震对于钢阻尼器的要求，并于2008年在南京江心洲夹江大桥中实现了国内的首次使用。图1给出了E型钢阻尼装置的现场照片，其中E型钢阻尼支座为常规支座(盆式橡胶支座、球型钢支座等)与E型钢阻尼器的结合使用，通常情况下起常规支座的功能，地震到来时则起到耗能减震的作用，E型钢阻尼装置则是E型钢和连接装置配合使用，仅在地震时起阻尼作用。

表1 三种常见阻尼器的比较

本文将对于E型钢阻尼器的阻尼特性、设计原则、应用范围进行探讨，并给出近年来其在国内外桥梁工程中的应用实例，可以认为，E型钢阻尼器不但有着良好的耗能减震作用，也非常适合于在桥梁工程中进一步推广使用，有着广阔的应用前景。

图1 应用于南京江心洲夹江大桥的E型钢阻尼装置

1 E型钢阻尼器的工作原理和设计原则

1.1 工作原理

E型钢阻尼元件是E型钢阻尼装置中最核心的部件，因为该阻尼元件的平面形状和英文字母E非常相似，因此将该阻尼元件制作的阻尼装置命名为E型钢阻尼器或E型钢阻尼装置，其平面形状见图2，图中相关设计参数的含义如下:S为E型钢阻尼元件的厚度;b为E型钢阻尼元件直段的宽度;h为E型钢阻尼元件的力臂长;b1为中间臂平均宽度;b2为侧臂平均宽度;l为E型钢阻尼元件直段长度。

工作时，中臂和侧臂之间发生相对位移，在横臂部位便会产生弯曲变形，而钢材在屈服后有良好的塑性性能，通过对钢板形状的优化设计，E型钢阻尼元件能允许在大部分体积中进行塑性变形的扩展，同时防止局部变形和应力集中。

图2 E型钢阻尼元件结构示意

目前实际工程中的钢阻尼器多采用软钢，因为一般情况下屈服点越低的钢材其塑性越好，但是在满足实际工况(主要是位移)的情况下，使用屈服点稍高且塑性较好的钢材，在达到同样阻尼力的情况下可以大大节约材料成本，并且同样具有稳定的滞回特性和良好的低周疲劳特性。

1.2 设计原则和方法

E型钢平面形状的设计原则和依据可以分为两种:一种是采用理论简化的公式设计方法，在这种方法中，E型钢阻尼元件可简化为侧臂铰支、中臂简支的梁模型，然后采用结构力学的方法进行求解[11];另一种是采用有限元法进行数值仿真，这种方法能够仿真得到E型钢阻尼装置全过程的全场解。

1.2.1 简化公式设计计算

使用结构力学方法求解过程中忽略轴力的影响，并且将钢材视为理想弹塑性材料，即钢材在屈服后不发生强化，其结构力学计算简化模型见图3，图中F为作用于E型钢阻尼元件的集中力，h为E型钢阻尼元件的力臂长。

图3 E型钢阻尼元件结构力学简化图及弯矩图

根据简单的结构力学分析，具体过程可参阅相关文献[11]，可以得到E型钢的屈服位移 dy与材料屈服应变εy之间的关系为

式中，dy表示阻尼元件的屈服位移;εy表示材料的屈服应变，与材料的特性有关。

E型钢的最大位移 dmax与材料的最大应变 εmax之间的关系为

式中，dmax为最大位移;εmax为材料的最大应变，与材料的特性有关。

1.2.2 有限元分析

以上为设计中的简算方法，进行了较多简化，与实际情况会有较大差别，比如:钢材屈服后开始发生塑性变形直至拉断的过程中材料强度有较大的强化，例如对于Q345B钢其屈服点约为340 MPa，而其抗拉强度可以高达620 MPa，其屈服点提高了约80%;E型钢阻尼器在使用中往往有较大的变形，比如中臂长度为300 mm左右的阻尼器，其设计位移量往往高达150 mm，是个典型的大变形问题。因此，上述方法只能用于初步设计。弹塑性问题属于典型的材料非线性问题，在有限元法中，可以采用带有强化本构的弹塑性理论来处理，从而准确模拟材料进入塑性以后的情况。另外，有限元法在数学上属于初始边值问题，可将待求解的问题分解为许多子步，从初始条件和边界条件出发逐步求解，能够得到大变形问题的准确求解。

在内蒙古大城西黄河桥E型钢阻尼元件设计中，就首先采用了结构力学的简算公式进行初步设计，然后采用有限元法进行优化设计并确定最终方案。有限元计算采用Abaqus软件进行，实体模型采用C3D8R单元，每个阻尼器划分17 350个单元，有限元网格图见图4(a)。在达到设计位移时，有限元仿真计算得到的等效应力云图和等效塑性应变云图分别如图4(b)和图4(d)所示。由图可见，E型钢在达到设计位移时，大部分区域都发生了塑性变形，应力分布比较均匀，因此其拥有较好的塑性变形耗能能力。图4中A处和B处分别为应力最大处和应变最大处，图4(c)中给出了在极限位移测试中的破坏位置的照片，可见有限元计算的预测破坏位置同试验的结果非常吻合。另外，采用有限元法还能够很好地预测在荷载—位移试验中的滞回过程，图5给出了有限元法仿真得到的和试验得到的滞回曲线的比较，可见结果符合较好。因此，采用有限元法不但可以准确预测E型钢阻尼的力学性能参数，还能准确模拟其在荷载—位移试验中的滞回过程。

图4 E型钢阻尼器的有限元计算结果及试验

图5 E型钢阻尼器的有限元计算及试验滞回曲线比较

1.3 试验方法及阻尼特性

图6 一种E型钢阻尼元件的试验工装

为了保证E型钢阻尼元件的阻尼性能以及在地震工况下的安全可靠性能，需要进行相关的性能测试。被测试件一般需按真实比例制作，并且往往成对儿组装。图6给出了一种专用试验工装，其中侧臂与下部结构固定在一起，中臂与上部结构相连并被往复施加位移荷载。试验中一般采用位移控制，载荷一般按照正弦波加载，平均速度为2 mm/s。被测阻尼元件需要满足反复施加设计位移1.2倍位移行程至少5次而不发生破坏。

图7 E型钢试验滞回曲线

如图7所示为在同济大学防震减灾国家重点实验室试验机(FCS-20 000 kN电液伺服协调加载系统)得到的典型E型钢阻尼性能曲线，可见滞回曲线稳定饱满。结合图5的试验及数值分析可知，E型钢阻尼器发生塑性变形时，具有饱满的滞回曲线，阻尼比一般可达到0.35以上，这说明它具有非常好的阻尼性能。

2 工程应用

E型钢阻尼器既可以单独使用，也可以并联后使用，将其安装在桥梁的桥墩和梁体之间，起到阻尼作用。还可以和常规桥梁支座(如盆式橡胶支座、球型支座等)进行组合，形成具有阻尼功能的支座，使其既具有支座的功能，又具有减震耗能的功能，这种支座就被称为E型钢减震阻尼支座，见图1(a)。E型钢阻尼器及阻尼支座具有结构形式简单，便于模数化等优点，近年来已在国内桥梁工程中得到较多应用，下面对于其在国内的部分应用情况进行简单介绍。

国内利用E型钢的阻尼性能制作的阻尼器及阻尼支座均于2008年首次应用于南京江心洲夹江大桥上。该工程中E型钢阻尼器的阻尼力为2 000 kN，设计位移为120 mm，该阻尼器由8块E型钢并联组成，其结构形式见图1(b)。E型钢阻尼支座的结构形式见图1(a)，该支座采用E型钢和球型支座进行组合，支座竖向承载力25 000 kN，E型钢的阻尼力为800 kN，设计位移为120 mm。

2009年在常州高架新京杭大桥上使用了8套E型钢阻尼器，其结构形式如图8(a)所示。2009年在大瑞线(大理至瑞丽)上使用E型钢阻尼支座，这是E型钢阻尼装置在国内铁路线路上的首次使用，其结构形式见图8(b)。2010年在内蒙大城西黄河桥工程中首次使用的双向阻尼的E型钢阻尼支座，该支座在活动方向上与速度锁定器配合使用，既可以在通常情况下实现活动支座在自由方向上的自由活动，又可在地震到来时实现E型钢阻尼器的阻尼耗能作用。