謝皓宇

(1.招商局重慶交通科研設計院有限公司， 重慶 400067； 2.重慶大學 土木工程學院， 重慶 400045)

20世紀以來，全球發(fā)生了多次大地震，其中破壞性地震都集中在城市，如1976年中國唐山大地震，1994年美國Northridge地震，1995年日本阪神大地震以及2008年中國汶川地震，這幾次地震災害的共同特點是：道路交通中多因橋梁工程遭到嚴重破壞，切斷了震區(qū)交通生命線，造成救災工作的巨大困難，使次生災害加重，導致了巨大的生命和經濟損失[1]。

因此，橋梁工程抗震研究非常重要，而橋梁上部結構發(fā)生落梁是橋梁在地震中倒塌的一個主要原因[2]，為此，采用墩梁間帶有減震耗能功能的支座或使用阻尼器直接控制大跨度梁橋墩梁間、斜拉橋邊墩梁間相對位移成為了一種值得推廣的橋梁減隔震體系。另外，橋梁結構抗震設計從基于強度設計發(fā)展到延性設計[3]，而基于延性設計的高延性橋梁在遭遇罕遇地震作用后會產生較大殘余位移，影響結構的正常使用。因此，目前在混凝土框架建筑領域被廣泛應用的金屬屈曲約束支撐和帶有自復位功能的橋梁減震耗能裝置也成為了研究目標之一。

金屬阻尼器主要構造為軟鋼、低屈服點鋼材、鉛及形狀記憶合金等，具有其滯回性能穩(wěn)定、形式變化多樣及成本經濟等優(yōu)點,但目前在我國橋梁工程中，金屬阻尼器的運用相對較少。本文將梳理國內使用在橋梁上具有減震耗能功用的金屬阻尼器的最新研究進展。

1 傳統(tǒng)的墩梁間金屬阻尼器

橋梁結構墩梁之間通過支座的連接方式對地震動作用下結構的動力特性有較大影響，因此通常將金屬阻尼器、減隔震裝置布置在墩梁交接位置，利用動力作用下墩梁間的相對位移使金屬材料進入塑性階段，從而達到消耗地震能量的目的。在各種金屬阻尼器形式中，以X形和三角形為基本構件的金屬阻尼器，因其具有沿高度范圍內全截面屈服耗能的特點，得到了較多的研究與應用。在材料選擇上，鉛具有最飽滿的滯回曲線性能及再結晶的特性，被認為是天然的阻尼器材料，近年來隨著國家出臺了嚴格的環(huán)保政策和標準，鉛剪切阻尼器逐漸被舍棄，軟剛和形狀記憶合金被作為橋梁結構上用于減震耗能的主流金屬阻尼器材料。

1.1 用于橫橋向抗震的傳統(tǒng)金屬阻尼器

沈星等[4-6]提出使用以三角形鋼板為基本元件，與滑動支座相組合的新型斜拉橋橫向抗震體系，該體系利用滑動支座來承受豎向荷載，同時利用鋼阻尼器適應大跨度斜拉橋縱向大變形和橫向充分屈服耗能以控制墩梁之間位移和下部結構地震內力。這種橫橋向的鋼阻尼器具有以下特點：1) 在橫橋向減震耗能的同時不影響總橋箱的位移；2) 可以在墩梁間有限空間內安裝；3) 地震動作用下傳力途徑較為可靠；4) 在使用有限元進行動力學分析時可簡單地建立本構模型。該體系如圖1所示，較全滑動體系其對地震動最大加速度與橋梁所在場地類型的影響敏感性小，減震效果顯著。

圖1 新型橋梁橫向金屬阻尼器

基于橫向鋼阻尼器的新型斜拉橋橫向抗震體系一定程度上平衡了橫向墩梁相對位移與地震動作用下下部結構的地震力，并承擔了主要的橫向耗能作用，滑板支座的耗能能力與其相比可忽略不計，且對地震動強度不敏感，從小震到大震的能量耗散均能起到良好的效果。此體系最大的問題在于低周疲勞對其影響還沒有具體的探究。

1.2 用于雙向抗震的傳統(tǒng)金屬阻尼器

Wang、李愛群和徐艷紅等[7-9]設計了一種E形橋梁支座雙向耗能鋼阻尼器，如圖2所示。該阻尼器解決了目前大部分金屬阻尼器均為單向耗能裝置的問題，可在橫橋向、縱橋向2個方向都起到減震耗能的效果，同時擬靜力試驗顯示其豎向的應變分布也與設計預期相符合。在E形鋼阻尼器的基礎上，唐志等[10]提出了安裝尺寸更小成本更低的ε形雙向鋼阻尼器-支座系統(tǒng)，不僅能達到類似的減震效果，還能減小墩柱內力和墩梁間的相對位移。劉軍等[11]則加入了基于高粘度流體的速度鎖定裝置，使E形鋼阻尼支座系統(tǒng)能夠適應橋梁梁體溫度變化引起熱脹冷縮帶動的支座滑移，進一步完善了系統(tǒng)。Atasever和楊紅磊等[12-13]提出一種履帶式(U形)金屬阻尼器用于斜拉橋的減震耗能，如圖3所示，并研究了其長度、厚度等物理參數對其抗震性能的影響。

圖3 履帶式金屬阻尼器構造示意

圖2 E形阻尼器支座平面示意

孟兮等[14-15]將減震榫引入鐵路橋梁抗震體系，材料為軟鋼。減震榫實際上是一種采用等強度原理設計的鋼棒阻尼器，較普通軟鋼阻尼器不同之處在于，它作為支座系統(tǒng)不僅承受水平荷載，還承擔著橋梁正常使用時梁體的水平反力和水平位移的功能，且具有傳力路徑明確、橫向和縱向變形不藕聯、易于精細化設計和控制的特點。在此基礎上，李愛麗等[16-17]提出了一種新型分離式軟鋼減震榫的設計，與孟兮等提出的減震榫下端固結、上端以球型鉸接方式不同，新型軟鋼減震榫為上下兩端均為固結，根據等強度原理設計，新型減震榫的構型為上下兩端較粗，中間較細。2種減震榫的構型如圖4所示。

(a) 一端固結一端鉸接式減震榫

(b) 兩端固結式減震榫示意

Meng等[18]將形狀記憶合金為材料的金屬阻尼器引入高墩橋梁的抗震研究，并將形狀記憶合金和假橡膠金屬2種不同特性材料相結合，提高了阻尼器減震性能，解決了形狀記憶合金在受壓稱重能力上的缺陷。Meng等根據中國云南省某座高墩橋設計并組裝了等比例模型，在振動臺上試驗了形狀記憶合金阻尼器的抗震性能，結果顯示順橋向的第一模態(tài)周期從0.58 s提升到了0.96 s。Meng等認為對高墩橋梁以及大跨度橋梁采用形狀記憶合金阻尼器的減震效果非常有效。

2 框架式橋墩間的屈曲約束支撐

屈曲約束支撐，簡稱BRB(Buckling Restrained Braces)，是一種在拉、壓力負載下都能屈服的構件，它由金屬制核心受力單元承受拉力，外包約束單元承受壓力，不僅可以提升框架支撐體系的穩(wěn)定性，同時通過內核金屬的屈曲滯回性能來實現地震能量的消耗[19]。在框架式橋墩間使用金屬屈曲約束支撐，可看作是金屬作為阻尼器在加強橋梁橫橋向抗震性能上的另一種應用形式。

屈曲約束支撐從建筑領域被延展到混凝土橋梁領域始于2011年。El-Bahey等[20]針對預應力混凝土梁橋設計了一套基于X型鋼屈曲約束支撐的加固程序，并以一座雙柱墩混凝土梁橋為算例，通過動力分析得到了屈曲約束支撐幫助梁橋在地震作用下的延性位移減小40%的結論。Bazaez等[21]則以一個足尺試驗，研究了屈曲約束支撐在擬靜力周期荷載作用下對混凝土橋雙柱墩墩梁框架滯回性能的影響，其試驗設置如圖5所示。Li等[22]提出使用形狀記憶合金作為屈曲約束支撐的核心構件材料，并研究了其對于橋梁在動力作用下最大位移、殘余位移的約束。Wang等[23]利用數值模擬探索了一個三柱墩梁橋使用BRB之后橫橋向抗震能力的變化，結果顯示BRB幫助橋墩降低了75%的墩頂位移延性比，并避免了落梁的發(fā)生。

在國內，謝文等[24]根據“保險絲”抗震設計理念也進行了基于屈曲約束支撐和剪力連桿概念的橋墩設計，結果顯示其抗震性能表現良好，并認為可進一步考慮樁-土-結構的相互作用以及地震多點輸入對此類結構抗震性能的影響。董慧慧等[25-27]則設計了一套運用于雙柱式橋墩結構的自復位耗能支撐SCEB(Self-centering Energy Dissipation Brace)，和BRB相比可減小結構卸載后的殘余位移。新型SCEB主要通過BRB和自復位系統(tǒng)分別來實現穩(wěn)定的耗能能力和良好的自復位功能，其構造如圖6所示，試驗結果驗證了新型SCEB具有穩(wěn)定的耗能能力并能有效控制殘余位移，力-位移滯回曲線呈旗幟形特征。

圖6 自復位耗能支撐結構示意

Upadhyay等[28]則在一個三柱墩橋梁算例上，對分別使用BRB和自復位BRB的抗震加固效果進行了研究。結果顯示，雖然BRB可極大地消耗地震動能量，并能降低位移延性比的峰值，但系統(tǒng)無法恢復原位，這對大震過后橋梁的修復是個難題。而帶有自復位功能的BRB在減震耗能的效果上不及BRB，但能讓震后橋墩恢復原位置。

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3 結束語

我國部分舊橋在不完善的抗震設計規(guī)范時期建設，或沒有進行抗震設計，這些橋梁正進入服役壽命的中后期階段。對這類橋梁抗震性能加固，采用減震耗能良好并經濟、簡便的金屬阻尼器被認為是一個重要的加固手段。本文將金屬阻尼器分類為傳統(tǒng)墩梁之間的阻尼器以及框架墩間的屈曲約束支撐型阻尼器兩大類，梳理了國內外學者的研究進展，主要有以下認識：1) 橋梁抗震設計領域新型金屬阻尼器大都是從建筑工程領域已經得到相對成熟應用的技術“移植而來”；2) 針對橋梁抗震主要是下部結構墩柱抗震的特點，學者們將金屬阻尼器都做了特定的改造以符合橋梁抗震的特點，從而提升整體的抗震性能；3) 形狀記憶合金等新材料的應用是新型金屬阻尼器應特別關注的方面。