大跨度斜拉桥粘滞阻尼器减震体系研究综述

大跨度斜拉桥粘滞阻尼器减震体系研究综述
发布时间：2022-05-20T08:39:55.683Z 来源：《建筑实践》2022年41卷第2月第3期作者：卢云松
[导读] 如今大跨度斜拉桥的理论研究和工程实践飞速发展，斜拉桥的抗震性能也得到了越来越多的研究和关注。

卢云松
重庆交通大学土木工程学院，重庆 400074）
摘要：如今大跨度斜拉桥的理论研究和工程实践飞速发展，斜拉桥的抗震性能也得到了越来越多的研究和关注。

本文系统回顾了近20年来国内在采用液体粘滞阻尼器进行斜拉桥抗震体系研究的进展与代表性研究成果，总结了液体粘滞阻尼器的减震作用和局限性，并探讨了阻尼器在斜拉桥减震领域的发展趋势。

研究结果表明：设置液体粘滞阻尼器的约束方式，可以有效地控制地震作用下桥梁结构的纵向和横向位移反应和内力反应，对大跨度斜拉桥的减震具有显著作用。

关键词：斜拉桥液体粘滞阻尼器减震体系
一、斜拉桥阻尼器减震体系研究现状
现有研究结果表明：半漂浮体系受温度、收缩和徐变的影响较小[1]。

大跨度斜拉桥在倒塌过程中，桥塔均不会产生塑性铰，且卓越周期较长的地震动作用更容易引起斜拉桥结构的倒塌；在塔梁连接处设置粘滞阻尼器和增设辅助墩均可以增强斜拉桥结构的抗震倒塌能力，其中设置粘滞阻尼器的方法效果更为显著[2]。

近年来，运用这种方式进行桥梁的抗震设计正在成为一个研究和应用的热点，并在许多实际工程得到了应用。

（一）液体粘滞阻尼器的工作原理
液体粘滞阻尼器设计一般采用双出杆油缸式结构，由油缸、活塞杆、活塞、阻尼孔、粘滞流体阻尼材料等部分组成。

活塞在缸筒内作往复运动，活塞上有相当数量的小孔成为阻尼孔，缸筒内填满了粘滞流体阻尼材料。

由活塞的往复运动带动钢筒内部硅油的流动，分子产生的相对运动不可恢复，分子之间产生内摩擦力，进而转换成热能；另外内部流体与固态缸体表面的摩擦力转换成热能，通过这种方式将地震能转化为分子热能，从而产生阻尼效果，以达到耗能的目的。

（二）粘滞阻尼器作用机理
粘滞阻尼器产生的阻尼力与速度的关系表达式为：
式中：为阻尼力；为阻尼系数；为结构相对运动速度；为速度指数。

当时称为非线性阻尼，在速度较小时即可产生较大的阻尼力，而当速度较大时，阻尼力的增幅则较小；当时，阻尼力与相对速度成比例，此时为线性阻尼器；当时称为锁阻尼，此情况与时恰好相反，速度较小时，阻尼器的阻尼力很小，而当速度较大时，阻尼力的增加却很快。

在桥梁抗震设计中，这三种阻尼系数对应的阻尼装置均有其各自的应用，对于线性阻尼和非线性阻尼情况，其阻尼力与位移的滞迴曲线比较饱满，相应的减震原理为对地震能量进行耗散；对于锁阻尼情况，其主要作用是对安装滑动支座的桥墩在地震作用下墩梁相对运动速度超过一定阈值时进行锁定，在形成多个固定支座后使产生的地震作用平均分配到各个桥墩上。

三、现有横向减震阻尼器的适用性与存在的问题
（一）现有的液体粘滞阻尼器与其他减隔震装置相比的优点
1.粘滞阻尼器内置为液体，其本身没有可计算的刚度，不会影响整个结构原有的设计和计算（比如结构的周期、振型等），也就不会产生设计之外的其他副作用；
2.安置在结构上的粘滞阻尼器在最大位移的状态下受力为零，最大受力情况下位移为零，这一特性对于减小结构的反应十分有利；
3.粘滞阻尼器既可以降低地震反应中结构的受力同时也可以降低响应的反应位移。

（二）现阶段的粘滞阻尼器在设计、验收和工作阶段的局限性
当设置在结构上的阻尼器出力较大时，虽然可以获得较好的位移控制效果，但同时也带来了一些负面效果，例如：大桥需要提供较大的反力装置，并且反力装置构造较为复杂，阻尼器的价格也比较昂贵。

我国早期采用的液体粘滞阻尼器中基本是装满油料的，但是油料自身存在的粘性会在阻尼器运作时产生巨大的阻力，这极大的降低了液体粘滞阻尼器的工作效率，并且当结构温度过高时会产生安全隐患。

经过近些年的发展，如今的粘滞阻尼器基本都是将硅油作为动力源，并特别安置了一个油压调节器，与此同时在这些改进措施中还需要特别注意导油孔、补油和泄压装置的布置。

这种种改进措施都是为了实现在工程结构运作时，促使主油缸的硅油在高压状态下能够有效地向油压控制室流动，促使整体结构在工作运转中达到其最终的平衡状态。

我国的粘滞阻尼器在设计理念和验收方面任然缺少一定的规范性流程。

液体粘滞阻尼器的工程验收步骤也是相当重要的，但在我国仍然缺乏必要的规范性的检收步骤。

任何验收都需要一定的规则标准去进行相应的评判，只有在标准规则内去进行创新和工程运作才能有效的提高阻尼器的安全性和促进阻尼器的发展，而我国现今在阻尼器方面还存在着缺失法律规范文件的问题。

测试装备和测试规程的缺失。

液体粘滞阻尼器从本质上看是一种速度型的工程设备，一般阻尼器要充分地展现出阻尼力只有在高速运转的情况下才能实现，而阻尼力的大小必须要依靠大量的试验并且其试验必须要依靠充足的动力才能够实现，这一要求对于在一般试验中所采用的位移型试验是完全不同的，然而在我国阻尼器试验装备的发展现状也是令人担忧的，现有的阻尼器试验装备对于液体粘滞阻尼器的试验来说是远远不够的，远不能满足当今社会工程验收和试验要求的。

四、发展趋势
随着桥梁力学理论的不断完善以及各种轻质高强材料的研发与应用，未来斜拉桥会朝着更大跨境和更复杂的施工和运营环境发展。

为了适应未来斜拉桥朝着更大跨径和更复杂的工作环境和受力情况的发展趋势，着手解决现有粘滞阻尼器本身的缺陷，完善阻尼器的设计理念和相应的规程，设计出适合相应工程情况的新型阻尼器以及将阻尼器与其他减震体系进行融合，共同工作是其未来的发展趋势。

五、结语
综上所述，发展至今我国在液体粘滞阻尼器的发展过程中仍然存在着很多问题，针对这些问题工程设计人员已经开始思考解决措施并
力求将之运用于实践。

同时，随着我国桥梁建设方面抗震工作的深入研究，基础建设的工程质量也在不断上升以及工程要求在不断地提高，阻尼器在我国具有广泛的发展前景，并且我国对于阻尼器的研发已经有了一个良好的开始。

在未来的发展中我们应当着重关注液体粘滞阻尼器发展情况中存在的一些细节问题，推动结构在液体粘滞阻尼器发展下不断完善。

参考文献
[1] 熊柏林，徐略勤，王龙，等.半漂浮体系斜拉桥粘滞阻尼器布置与参数优化[J].西华大学学报（自然科学版）,2019,38（3）:19-25,42.
[2] 宗周红，黎雅乐，等.强震作用下大跨度斜拉桥倒塌破坏及其控制研究[J].桥梁建设，2016，46（1）:3-5.
[3] 郭一峰，徐赵东，涂青.基于遗传算法与能量方程的粘弹性隔震装置参数优化分析[J].振动与冲击，2012,31(17):116-119.
[4] 涂青，徐赵东，等.隔减震结构中粘弹性阻尼装置的遗传算法优化分析[J].东南大学学报（自然科学版），2009，39（1）:73-77.
[5] 王波，马长飞，等.基于随机地震响应的斜拉桥粘滞阻尼器参数优化[J].桥梁建设，2016，46（3）: 23-25. 作者简介：卢云松（1997-），男，汉族，重庆巫山人，工学硕士研究生，研究方向：大跨径桥梁设计理论。