基于黏滯阻尼器的連續梁橋減震控制振動臺試驗研究

李 勇, 王維凝, 閆維明

(1.石家莊鐵道大學 土木工程學院，石家莊 050043；2.中國建筑科學研究院，北京 100013；3.北京工業大學 建筑工程學院，北京 100124)

連續梁橋是一種典型的公路橋梁，一旦在地震中發生嚴重的震損，勢必會影響震后的救援工作。在2008年的汶川地震中，大量的連續梁橋發生倒塌，如百花大橋等，給震后的救災工作帶來了不便[1]。

隨著減震控制理論及技術的發展，黏滯阻尼器在一定數量的橋梁工程上已經展開了應用[2-3]，尤其是大跨橋梁上應用的較多[4-5]。由于黏滯阻尼器屬于速度型阻尼器，緩慢變形發生時不會引起阻尼器的出力，所以將其安裝在梁-墩、梁-臺之間不會影響主梁在溫度、混凝土收縮等作用下的縱向伸縮效應。既有相關研究均認為黏滯阻尼器能夠對各類型橋梁起到較好的減震控制作用，不論在設計遠場地震動還是在近場地震動輸入下，黏滯阻尼器的減震效果均較明顯，與隔震支座和位移型阻尼器(如摩擦阻尼器、鉛阻尼器等)相比具有一定的優勢[6-8]。

由于連續梁橋每3～5跨設置為一聯，只在中間一個墩頂設置固定支座，其余橋墩均設置滑動支座，在縱向地震作用下固定墩為主要受力對象，當處于地震高設防烈度地址時，宜采用使主梁所產生的水平地震荷載能由各個墩、臺共同承擔的措施，以免固定墩受力過大[9]。而在其它墩臺上設置黏滯阻尼器，可以在地震作用下讓固定墩之外的墩臺參與受力，從而降低固定墩的地震反應。由于梁端-橋臺之間設置了伸縮縫間隙，黏滯阻尼器安裝在梁-臺之間，也有一定的位移量使阻尼器發生相對運動而耗能。

基于黏滯阻尼器的橋梁減震控制研究絕大部分均依據動力彈塑性數值模擬，大多認為安裝黏滯阻尼器后橋梁的地震響應會有所降低，黏滯阻尼器在橋梁減震控制方面的應用具有一定的實用性和適用性，但是目前缺乏針對此方面的振動臺試驗驗證[10-14]，同時安裝黏滯阻尼器的實際橋梁工程經歷地震考驗的工程實例也較少，所以開展安裝阻尼器的連續梁橋減震控制振動臺試驗研究是十分必要的。

分別設計了四個黏滯阻尼器及一座連續梁橋縮尺模型，首先通過往復加載試驗得到了黏滯阻尼器的滯回曲線，然后將黏滯阻尼器安裝在連續梁橋模型上開展振動臺臺陣試驗，通過對比安裝前后的連續梁橋動力響應，驗證黏滯阻尼器對此連續梁橋縮尺模型的減震控制效果。

1 黏滯阻尼器設計、制作與測試

設計并制作四個孔隙式黏滯阻尼器，其主體結構圖及制作完成后的實物圖見圖1，相關設計參數見表1。

(a) 阻尼器設計示意圖

(b) 活塞側視圖

(c) 阻尼器成品

表1 黏滯阻尼器的主要設計參數

圖2 黏滯阻尼器的循環往復加載試驗

通過對黏滯阻尼器開展基于不同加載頻率正弦位移波輸入下的循環往復加載試驗，得到了阻尼器在不同加載頻率下對應的力-位移關系曲線，如圖3所示。由圖3可以看出，隨著加載頻率的逐漸提高，黏滯阻尼器的阻尼力也隨之提高，正弦加載下獲得的阻尼器阻尼力-位移關系曲線大致呈橢圓形，滯回曲線較為飽滿。

2 連續梁橋縮尺模型設計與制作

選取某1聯4跨連續梁橋進行縮尺模型的設計與制作，原橋總長160.0 m，單跨跨徑40.0 m，上部結構主梁為單箱兩室預應力混凝土箱梁，下部結構為雙圓柱式鋼筋混凝土橋墩，如圖4所示。

根據振動臺臺陣系統的設計技術參數，確定本實驗的幾何縮尺比例為1∶10。在進行模型設計制作的過程中，主要考慮了以下方面：

(1) 上部結構在地震作用下往往發生落梁破壞或梁端因碰撞引起局部混凝土破損，很少發生基于鋼筋混凝土材料的非線性損傷，可以認為是彈性；加之普通鋼筋及預應力筋數量多、布置復雜，腹板及頂底板縮尺后較薄，所以根據剛度等效的原則將上部結構預應力混凝土主梁用鋼箱梁進行替換，如圖5(a)所示。

(a) 頻率0.5 Hz/位移20 mm(b) 頻率1.0 Hz/位移20 mm(c) 頻率1.5 Hz/位移15 mm(b) 頻率2.0 Hz/位移15 mm

圖3 黏滯阻尼器測試滯回曲線

Fig.3 Hysteresis loop of viscous dampers

(a) 立面圖

(b) 側視圖

(2) 下部結構分別由蓋梁、墩柱和承臺組成，若將圖1(a)中的0#及4#橋臺進行幾何縮尺，則橋臺的重量較大，會超過振動臺的最大重量，所以綜合考慮橋臺的功能及剪切剛度，也采用一定直徑的雙圓柱橋墩進行替換。下部結構墩柱的幾何形狀及配筋如圖5(b)～(c)所示。

(3) 墩梁之間設置盆式支座，其中3號墩的墩頂設置三向固定支座，其它橋墩的墩頂均設置為沿縱橋向可滑動的單向滑動支座，均按照剪切剛度相似的原則進行縮尺設計，試驗模型上的支座高度為7.5 cm，動摩擦因數通過試驗標定為0.15。

(b) 橋墩幾何尺寸

(c) 墩柱配筋

(d) 梁頂配重示意圖

(e) 阻尼器布置圖(正視)

(f) 阻尼器布置圖(俯視)

(g) 安裝阻尼器的連續梁橋整體模型

(4) 由于幾何縮尺比例較小，會造成地震波動力壓縮系數較大，會導致地震波輸入時程過短，所以通過在主梁頂部布置配重來調整動力相似系數，共設置6片重約1 000 kg的配重梁及1 560 kg的配重鐵磚，配重布置如圖5(d)所示。

安裝完成后的整體模型如圖5(g)所示，其中分別在邊墩(1#和5#墩)和主梁之間共安裝了黏滯阻尼器(圖5(e)和圖5(f))。

連續梁橋模型設計過程中各物理量及相似關系，如表2所示。

圖書館作為高職院校的文獻信息中心，對院校教育教研工作的開展有重要作用。“高職院校圖書館具備非常豐富的文獻資源，擁有組織信息的專業水平與應用技能的能力。”因此，可以創新遠程教育課程，充分發揮圖書館的教育職能，探索新的發展路徑，創新出更多的服務項目。例如，借助于當前新媒體技術，通過建立起的網絡平臺，為師生提供便捷的文獻資料查詢、外借預約等服務，不斷提升圖書館服務工作質量和效率，使高職院校圖書館信息管理更加高效。

表2 主要設計參數的相似關系

模型設計制作使用到的各種材料的實測強度及彈模，如表3所示。

表3 實測材料特性

3 安裝黏滯阻尼器的連續梁橋振動臺試驗結果

3.1 地震波選取及調整

選擇3條適合II類場地輸入的地震動記錄進行振動臺輸入，分別為集集地震波(ILA063)、El-centro地震波和擬合規范反應譜的人工地震波，如圖6所示，按照表2所示的時間t動力相似比進行壓縮，并按照加速度幅值a調整其峰值相當于橋梁原型所對應的E1(0.043g，重現期約50～100年)和E2地震作用(0.13g，重現期約475～2 000年)，調整之后的峰值分別為0.598g和1.198g。

(a) 集集地震波(b) El-centro地震波(c) 人工波(d) 反應譜對比

圖6 選用的地震波記錄

Fig.6 Selected earthquake records

試驗過程中，先對安裝阻尼的高架橋模型分別輸入了三條地震動記錄，地震動峰值按照先E1后E2的原則進行輸入；然后將阻尼器在高架橋模型上卸掉，再次輸入三條地震動記錄，獲得并對比安裝阻尼器和不安裝阻尼器的高架橋動力響應。因為先開展安裝阻尼器的減震控制試驗工況，所以可以保證橋梁模型不致發生非線性的損傷，以保證后續試驗工況的順利開展。

3.2 阻尼器的動力響應

以集集地震波輸入為例，1#墩和5#墩處阻尼器在地震動輸入得到的阻尼力時程、位移時程及滯回曲線如圖7所示。由圖7可知，阻尼器在地震輸入下滯回曲線較為飽滿，耗能效果較好，能夠對連續梁橋模型起到減震控制的作用。由于1#墩處阻尼器的阻尼力及位移基本一致，同樣5#墩處的3#和4#阻尼器也一致，所以后續只給出1#和3#阻尼器的動力響應。

3.3 連續梁橋減震前后動力響應對比

實測連續梁橋縮尺模型縱向基頻為2.43 Hz，分別輸入3條所選的地震動記錄，獲得安裝阻尼器前后連續梁橋橋墩墩底縱筋動應變、墩頂縱向位移及支座縱向位移響應對比，進而根據不同的實測響應結果確定黏滯阻尼器的減震效果和減震率。

圖8給出了不同地震輸入工況下的阻尼器的阻尼力響應。由圖8可以看出，1#和5#兩個邊墩處的阻尼器出力相差不大，E2輸入下阻尼器的出力大于E1輸入，即阻尼力隨著地震波輸入峰值的增加而增大，增大約80%；不同地震動輸入下阻尼器的出力有所不同，集集波和人工波的阻尼器出力均大于El-cento地震波。

圖9給出了不同地震輸入工況下的墩底鋼筋應變動力響應實測結果對比。由于結構縱向周期對應的El-centro地震波的反應譜值最小，說明在同樣加速度峰值的地震動輸入下，所選取的結構模型動力響應值也較小，遠小于集集波和人工波。所以對于El-centro地震波而言阻尼器減震率也不明顯，但是集集波和人工波輸入下墩底鋼筋應變的減震率達到30%～50%，減震效果較好。

(a) 1#阻尼器阻尼力(b) 1#阻尼器位移(c) 3#阻尼器阻尼力(d) 3#阻尼器位移(e) 1#阻尼器滯回曲線(f) 3#阻尼器滯回曲線

圖7 集集地震波輸入下阻尼器動力響應

圖8 E1和E2地震波輸入下阻尼器的阻尼力

圖9 E1和E2地震波輸入工況下墩底鋼筋的動應變

Fig.9 Dynamic strain of reinforcements at the bottom of pier subjected to E1 and E2 earthquake inputs

圖10給出了不同地震輸入工況下的固定墩墩頂縱向位移動力響應實測結果對比。E2輸入比E1輸入墩頂縱向位移增大約1倍，但是安裝阻尼器后墩頂縱向位移得到有效控制，在E1和E2輸入下，集集波和人工波的減震率可以達到約50%。

圖11給出了不同地震輸入工況下的活動支座位移響應實測結果對比，其中活動支座編號與橋墩編號保持一致。活動支座位移也即墩梁之間的相對位移，縱向活動支座(縱向活動，橫向限位)位移一旦超限，極有可能引起墩梁橫向約束失效，進而引起橫向落梁現象。由圖11可以看出，安裝阻尼器后，除了3#固定墩外，其它墩頂的縱向活動支座位移均得到了有效控制。

4 結 論

通過將黏滯阻尼器應用于連續梁橋進行減震控制振動臺試驗研究，可以得出以下結論：

(1) 孔隙式黏滯阻尼器阻尼力隨著加載頻率的提高而增大，實測力-位移滯回性能曲線接近于橢圓形狀，將其沿縱橋向安裝在連續梁橋上進行減震控制是可行的。

(2) 將黏滯阻尼器應用于連續梁橋進行減震控制能夠有效降低固定墩的墩底應變和墩頂位移，同時對其它橋墩墩頂活動支座的縱向位移響應也能起到有效的控制作用。

(3) 不同地震動記錄輸入下的連續梁橋動力響應差別較大，進而阻尼器的阻尼力與減震率也會有所差別，El-centro地震波最小，集集波次之，人工波最大，最大減震率可以達到50%以上。

(4) 本文所選連續梁橋橋墩較高，縱向基本周期較長，對于反應譜長周期成分較高的地震動，設計制作的速度型黏滯阻尼器具有相對更明顯的縱向減震效果。

(a) El-centro地震動E1輸入(b) El-centro地震動E2輸入(c) 集集地震動E1輸入(d) 集集地震動E2輸入(e) 人工波E1輸入(f) 人工波E2輸入

圖10 E1和E2地震波輸入工況下3#固定墩墩頂縱向位移

圖11 E1和E2地震波輸入工況下活動支座位移

Fig.11 Relative displacement of slidding bearings subjected to E1 and E2 earthquake inputs