高 昊， 杨 俊， 王君杰， 颜海泉

(1. 中交路桥建设有限公司，北京 100027； 2. 上海材料研究所，上海 200437；3. 同济大学 土木工程学院，上海 200092； 4. 上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司，上海 200092)

大中跨度桥梁抗震设计中，出于对不同构件抗震性能的差异化要求以及震后修复的难易程度等多方面的考量，采用各种类型的地震保护装置作为一种可行的抗震技术途径已经得到学术界和工程界的广泛认可[1-5]；另一方面，逐步积累的震害案例也间接或直接地检验了有关地震保护装置的有效性。总体上，应用于大跨度桥梁的地震保护装置可分为两类：一类是沿顺桥向设置的既能够适应结构日常运营状态下梁体的伸缩变位，又能够在震时状态提供沿该方向阻尼力的速度型相关装置；另一类是沿横桥向设置的以钢阻尼元件为代表的位移型相关装置[6]。减隔震设计的大跨度桥梁下部结构弹性无损伤或者有限损伤，这样的抗震设防目标不仅对装置提出了具备基于日常使用的“温度位移大伸缩变位”的一般技术特征要求，还对装置提出了面向地震使用的“抗震阻尼力大吨位”、“地震位移大行程”的专门技术特征要求。一般情况下，各类面向不同目标功能需求的装置在不影响非设置方向其他元件或装置力学行为的前提下，沿且只沿该设置方向发挥功能。如需实现双向震动控制，则需要分别设置对应装置，相关应用成本较高。

基于上述原因，本文提出一种用于满足上述全部技术特征要求的双向震动控制装置，发挥位移型装置技术优势的同时，又能降低有关速度型相关装置的控制成本，通过组件多目标需求分项试验以及总装功能集成试验多角度检验了装置工作机制的可靠性，最后在论证了工程可实践性分析的基础上，进一步结合一个悬索桥案例，通过数值仿真技术手段，检验了装置在地震过程中的力学行为，供有关设计人员参考选用。

1 目标需求提出与装置构造剖析

1.1 装置的目标需求

总结引言中大跨度桥梁地震保护装置的技术特征要求，进一步提炼出本文双向震动组合装置的目标需求与功能定位[7]。

(1) 要求能够适应日常使用中由于温度等因素上部结构所产生的伸缩变位，这种变位的数值对于大中跨度桥梁可能是几十厘米，甚至更大。

(2) 装置在地震作用下的减震耗能主体宜以力学行为可控性相对较强的位移型组件为主，如各种构造形式的钢阻尼元件，其中以各向力学行为均相同的形式为优。

(3) 可通过速度型组件适应梁体的温度伸缩变位，但须进一步明确该类型组件在不同工程场景中的功能定位。

(4) 在力求保证装置力学行为可预测的前提下，地震保护系统应具备一定的超载运行能力。面向不确定性的地震荷载时，各组件之间宜存在一定的保险丝或者过载保护的设定逻辑关系。

1.2 装置构造剖析

围绕前述的目标需求，提出了如图1所示的双向地震保护装置，装置从上至下依次由上顶板、推力板、速度相关组件、位移相关组件、下底板等部分构成。

上顶板及速度相关组件的右耳座板均与梁体底部进行连接，下底板与塔(墩)顶部进行连接。上顶板、与上顶板一体化设计加工的横向挡板、承托板共同构成滑道系统，推力板可在此滑道系统中沿顺桥向自由滑动。正常使用状态，速度相关组件输出的反力很小，梁体在温度作用下绝大部分的伸缩变位通过此速度相关组件释放，推力板几乎没有移位，位移型相关组件-榫结构的变形很小，基本处于弹性工作状态。地震作用下，激发速度相关组件的“刚性杆”工作状态，沿顺桥向，地震力通过速度相关组件传递至推力板，推力板通过自身内置的圆形推力槽沿预设滑道系统的滑动方向迫使位移型相关组件-榫结构发生弹塑性变形；沿横桥向，地震力通过与上顶板一体化设计的横向挡板构造传递至推力板，推力板同样通过自身内置的圆形推力槽迫使位移型相关组件-榫结构沿该方向发生弹塑性变形。因为推力板中内置的推力槽为圆形，配合端部的球头接触构造，榫结构可沿任一方向提供阻尼力，一次性满足大跨度桥梁顺桥向和横桥向两个方向的抗震需求[8-9]。

2 阈值设定与参数示例

2.1 阈值设计原则

为了实现1.1节中装置的目标需求，各相关组件在已设定逻辑关系下的临界参数取值是关键问题。本文地震保护装置中各组件的阈值确定遵循以下设计原则：

(1) 有别于以往的速度型相关组件，本装置的速度型相关组件的临界速度在能够满足日常使用下梁体自由伸缩而不受力的要求前提下，取值越小越好，这样能够保证地震过程中位移型相关组件更多的时刻进入塑性工作状态[10-18]。

(2) 速度相关组件的最大承载力应大于位移相关组件的最大屈服力，且宜存在不小于1.5倍的比值关系。这样做有利于位移相关组件发生屈服后，实现对速度相关组件的过载保护。

2.2 装置关键参数举例

基于2.1节提出的阈值确定原则，本节结合具体的参数取值示例作进一步的阐释说明，如表1所示列出了组合装置的参数示例。

表1 组合装置参数示例Tab.1 Example of device parameters

结合表1，正常使用状态下，速度相关组件的运动速度一般小于临界速度0.005 mm/s，位移相关组件-榫结构处于弹性或非线性弹性状态(速度相关组件输出反力353 kN<位移组件等效屈服力360 kN)；地震作用下，相对速度绝大多数情况下大于该值，速度相关组件输出的反力数值迅速达到或超过位移相关组件设计屈服力值，但由于位移相关组件发生屈服后，具备串联特征的工作体系输出反力已达上限，该上限值为位移组件最大屈服力680 kN，即使是再大的地震相对速度，速度相关组件也会是安全运载的，因为其超载运行能力为755 kN>体系输出反力680 kN。关于上述速度相关组件的具体技术实现，可以是速度锁定器，亦可以是满足要求的液体黏滞阻尼器。

3 组件多工程场景分项试验检验

本章介绍检验速度相关组件在日常使用和地震过程中工作性能的试验，所选用的组件类型为液体黏滞阻尼器，重点为分别考察其慢速、快速工况下的试验行为[19]。

3.1 试件加工

基于与表1中速度组件相同的目标抗震参数，液体黏滞阻尼器的阻尼系数600(kN/(mm/s)0.1)，阻尼指数为0.1，对应的有关其他目标抗震参数如表2所示。

表2 液体黏滞阻尼器目标抗震参数Tab.2 Parameters of speed related component

3.2 试验装置

试验在高速阻尼装置试验台架系统进行，液体黏滞阻尼器两端分别通过销轴与试验机进行联结，如图2所示。

3.3 试验方案与过程

3.3.1 单调匀速加载试验

该试验目的是测试液体黏滞阻尼器在不同加载速率下、匀速加载时的力学行为。工况有：0.005 mm/s，0.05 mm/s，0.1 mm/s (目标临界速度)，1 mm/s，2 mm/s。该试验主要是模拟桥梁结构在正常运营状态下的温度作用，关于温度作用下梁体的伸缩速率一般认为小于0.1 mm/s，这里选取0.005 mm/s，0.05 mm/s作为代表工况[20]；同时，检验速度液体黏滞阻尼器超过设计临界速度时的超载能力，即1 mm/s和2 mm/s对应的工况。

3.3.2 循环正弦加载试验

该试验目的是：测试液体黏滞阻尼器在采用不同正弦波加载时的力学行为。平均加载速度分别为：0.05 mm/s， 0.1 mm/s (目标临界速度)，1 mm/s，选取目的同3.3.1节。

数据采集：采用作动器的力传感器对荷载数据进行采集，顶杆式位移计对液体黏滞阻尼器的相对位移进行采集，测点布置见图2。

3.4 试验结果与分析

液体黏滞阻尼器的试验曲线如图3所示，单调匀速加载试验：目标临界速度0.1 mm/s下，指定位移内对应的最大反力值为542 kN，与表2中设计值相差14%；温度作用下的代表速度0.005 mm/s，0.05 mm/s对应的最大反力值分别为123 kN和393 kN；超载运行下的代表速度1 mm/s，2 mm/s对应的最大反力值分别为639 kN和715 kN，且超载运行时，液体黏滞阻尼器并未发生泄漏、变形现象。

循环正弦加载试验中的力值与单调匀速加载试验相接近。速率越大，液体黏滞阻尼器的力-位移曲线越“狭长”；速率越小，其力-位移曲线越“饱满”。

4 总装功能集成试验检验

试验目的是研究组合装置在地震作用下的工作机制，检验阈值确定的是否合理、装置是否满足设定的目标需求。

4.1 试件加工

组合装置中速度相关组件的设计和选用同3.1节，位移相关组件的设计和选用同Gao等的研究，该榫结构底部直径为178 mm，顶部直径92 mm，其极限位移为360 mm所对应的最大阻尼力为340 kN，所试验平行试件的数量为2个。

4.2 试验装置

组合装置试验借助于实验室地锚、反力架，配合定制的滑块和导轨系统完成。如图4所示，榫结构底部通过地锚螺栓与实验室地面连接，顶部球头置于与加载板自身内置的推力槽中，加载板通过液体黏滞阻尼器与作动器连接，且加载板上方依附于与大梁连接的导轨-滑块系统，因此加载板沿且只能沿指定滑动方向运动。

4.3 试验方案与过程

参考JT/T 843—2012《公路桥梁弹塑性钢减震支座》[21]，考虑到作动器位移能力及组合装置中液体黏滞阻尼器可能存在的变形，试验按规范中标准位移-载荷试验模式探索进行。若试验结束后，榫结构仍未出现断裂及裂纹，则根据情况适当提高加载速率。

组合装置的具体试验过程相关照片，如图5所示。

4.4 试验结果与分析

组合装置中榫结构球头处的力-位移曲线，如图6所示。榫结构的试验曲线相对饱满，液体黏滞阻尼器的力-位移曲线呈针状，几乎没有相对位移，相当于一根刚性连杆。这是因为在本文阈值设定原则下速度相关组件的临界速度相对较小(0.1 mm/s)，即使在快速工况下，其相对位移也会很小。需要特别说明的是：榫结构的力-位移曲线上的“毛刺”现象，是由于试验加载速率过快，与元件连接的底座发生了松动而引起的，试验后期通过两件千斤顶加固后，该现象一定程度上得到缓解。

组合装置中速度相关组件不同速度下的力-位移曲线，如图7所示。对于#1号试件，在2 mm/s和200 mm/s的加载速率下，其力-位移曲线比较接近，均呈现为狭长的针状；#2号试件的情况与#1号试件类似，液体黏滞阻尼器在两种加载速率下的响应差异很小。使用不同加载速率(速率区间为8～250 mm/s)对组合装置进行加载时，液体黏滞阻尼器均在临界速度0.1 mm/s附近缓慢运动，运动幅值均控制在±10 mm以内，绝大部分的变形都由榫结构承担完成，这使得装置的力学行为更加稳定，可控性更强。另外，这种耗能机制使得组合装置的速度相关组件一般不需要很大的位移冲程，极大降低了装置的生产成本。因此相对于顺桥向采用液体黏滞阻尼器，横桥向采用钢阻尼装置分别进行震动控制的传统方案，本文组合装置的经济性更强。

5 工程可实践性分析与桥例论证

笔者调研了国内数座大中跨度桥梁塔-梁之间可供地震保护装置安装的空间信息，如表3所示。表3中的平面信息考虑了垫石构造等因素，实际情况中可供安装的平面空间可能会更加富裕，所以此处数值仅作参考。但可以明确的是：对于大中跨度桥梁，如斜拉桥或悬索桥等，一般情况下都会有1 m及以上的竖向空间供支承连接装置使用。本文的组合装置也因此具备较好的空间普适性，去满足绝大部分大中跨度桥梁的双向震动控制需求。

表3 大中跨度桥梁地震保护装置安装空间信息Tab.3 Spatial information of installation for seismic protection device for large and medium span bridge

值得指出的是：上述多数斜拉桥和悬索桥工程案例，沿顺桥向，由于主梁的温度伸缩移位需求，多数的塔(墩)和梁之间设置为滑动摩擦约束体系；沿横桥向，支座一般设置有剪力销构造，以保证正常使用状态下，为一固定约束体系，以提供连接系统沿该方向的必要的强度和刚度，地震来临时，支座的剪力销构造发生剪断，此时的塔(墩)和梁之间处于一种滑动摩擦约束状态，以使得设置在二者之间的阻尼装置发生弹塑性变形来耗散地震能量[22-23]。为进一步论证本文双向地震保护装置的工程可实践性和技术可行性，本章以一座如图8所示的主跨485 m的单跨组合梁悬索桥作为案例，通过数值仿真的技术手段，分析和验证本文装置在地震作用过程中的工作机制和功能表现。

基于Midas Civil计算平台[24]，建立了如图9所示的有限元模型。模型中，相应的速度相关组件和位移相关组件分别通过一般连接特性值中的黏弹性消能器和滞后系统进行模拟，在左右桥塔横梁处分别建立塔与主梁的边界连接关系。相关设置参数如下：液体黏滞阻尼器：消能器阻尼Cd=600，阻尼指数s=0.1；榫结构：等效屈服强度Fy=420 kN，屈服后刚度与弹性刚度之比r=0.025。上述参数下，模拟的是一根速度组件与两根位移组件组合使用的情况。正常使用状态，假定案例桥梁日温差为30 ℃，则梁体的伸缩距离为1×10-5×30×485/2≈0.073(m)，梁体的日平均伸缩速率约为0.000 8 mm/s，该速率下速度组件输出的反力值为600×0.000 80.1≈294 kN，小于两根位移组件初始屈服力之和360 kN，即钢阻尼元件不会发生弹塑性变形，梁体的日常移位需求均由速度组件提供，符合组合装置的设计目标。计算时，地震动激励采用1940-El Centro-Site 加速度记录，进行三向地震动输入，时间历程为53 s，以进行本文装置减震效果的检验。

组合装置在地震动作用下沿顺桥向和横桥向的力-位移曲线，如图10所示。

数值模拟结果表明，沿顺桥向，装置可以如快速工况中的试验力学行为一样，按照设定的功能目标发挥作用，速度相关组件大多数情况下处于一种“锁定状态”，进而由位移相关组件产生弹塑性变形，耗散部分地震能量，控制关键的位移在可接受的范围之内。另一方向(横桥向)，凭借榫结构的圆形截面各向力学行为均相同的构造优势，位移型相关组件同样表现出了较好的控制效果。相关的数据支撑情况如表4所示。

表4 采用装置前后结构关键位置地震响应情况Tab.4 Seismic response of key position of structure before and after installation

观察表4，对于该桥例，采用本文装置后，沿顺桥向，塔柱关键位置处的剪力响应最大减小了73%，弯矩响应最大减小了35%；横桥向的减震效果虽不如顺桥向的情况，剪力响应最大减小了15%，弯矩响应最大减小了13%，但相比于固定体系，仍有效降低了结构的地震反应，一定程度上避免了塔柱遭受地震损伤。综前所述，本文提出的组合装置具备同时提供两个方向桥梁结构震动保护的功能，且不同目标参数的产品，均可通过不同数量和不同形式的阻尼组件灵活组合实现，为大中跨度桥梁的减隔震设计提供了简单、可行、有效的技术途径。

6 结 论

从大中跨度桥梁的日常使用和震动控制需求出发，提出了一种双向地震保护装置，在详细剖析装置整体构造和分项组件构造的基础上，配套介绍了各组件相关阈值的设定原则和取值方法，通过足尺单元的分项试验和总装功能集成试验技术手段，检验了装置在慢速和快速工况下的真实力学行为。进一步地，通过数值仿真的技术手段，模拟检验了装置在地震工况下的地震力学行为，得到以下有益的结果和结论：

(1) 揭示了装置能够满足日常使用和地震作用多工程场景目标需求的工作机制，剖析了圆形截面位移相关型组件-榫结构在发挥各向同性力学行为时的构造细节处理方式。

(2) 提出了速度型组件的临界速度的取值方法。在能够满足日常使用情况下梁体自由伸缩而不受力的要求前提下，取值越小越好，通常在0.1 mm/s以下；指出了速度型组件的极限承载力相对于位移型组件的最大屈服力要留有不小于1.5倍的过载保护系数。

(3) 慢速工况、快速工况的试验结果表明——本文所设定的参数取值下，速度型组件(液体黏滞阻尼器)能够满足结构对装置提出的日常使用和地震作用过程中的功能要求；位移型组件(榫结构)在多重快速工况下均能够产生较为饱满的滞回曲线，具备较强的可控性。

(4) 通过数值仿真的技术手段验证了装置在地震作用下的工作机制和功能效果，基于与试验组件相同构造参数的数值模拟结果表明——装置在地震过程中的力学行为能够做到和快速工况的试验结果一样，按照预期实现对结构震动控制。