E型钢阻尼器及其在桥梁工程中的应用

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］ 。
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
dmax = 2hlεmax / b
（ 2）
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
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。
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。
铁道建筑
2012 年第 1 期
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文章编号： 1003-1995（ 2012） 01-0001-04
E 型钢阻尼器及其在桥梁工程中的应用
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）
摘要： 概述了 E 型钢阻尼器的工作原理、设计原则和阻尼特性，探讨了 E 型钢阻尼器的选用原则和应用 范围，给出了近年来 E 型钢阻尼器在国内外桥梁工程中的部分应用实例。 理论及实践表明，利用 E 型 钢阻尼器的阻尼特性进行桥梁工程的减震设计不但有着良好的耗能 效 果，并 且 经 济 性 好，安 装 、维 护 和 更 换 方 便 ，因 此 有 着 广 阔 的 应 用 前 景 。 关键词： 桥梁 E 型钢 钢阻尼器 减震 中图分类号： U441． 3； U442． 55 文献标识码： A
塑性 变 形 产 生 阻 基本不 受 温 度 影 响，阻 尼 效 果
尼
好
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 。
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
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
2012 年第 1 期
E 型钢阻尼器及其在桥梁工程中的应用
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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 。
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。
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。
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January，2012
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 1 应用于南京江心洲夹江大桥的 E 型钢阻尼装置
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 4 E 型钢阻尼器的有限元计算结果及试验
图 6 一种 E 型钢阻尼元件的试验工装
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 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
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
收稿日期： 2011-05 -17； 修回日期： 2011 -10 -12 作者简介： 李世珩（ 1969 — ） ，男，湖南涟源人，高级工程师。
表 1 三种常见阻尼器的比较
名称
摩擦型 阻尼器
原理
特点
利用 滑 动 摩 擦 产 生阻尼
结构 简 单，造 价 低，但 受 力 较 小，对 于 温 度、湿 度、时 效 等 稳 定性差
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
液体黏滞 阻尼器
利用 高 黏 度 流 体 在运 动 中 的 黏 滞 特性产生阻尼
外部结 构 简 单，安 装 方 式 灵 活 方便，阻 尼 效 果 很 好，但 造 价 高，内 部 结 构 复 杂，质 量 控 制 难 ，流 体 容 易 泄 漏
金属阻 尼器
利用 特 殊 钢 材 的 结 构 简 单，造 价 低，性 能 可 靠，
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
dy = 2hlεy /b
（ 1）
式中，dy 表示阻尼元件的屈 服 位 移； εy 表 示 材 料 的 屈
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
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