防落梁油阻尼器设计及工程应用研究[1]

范卫星 郭 迅 刘 洋 张 宝 骆承慧



防落梁油阻尼器设计及工程应用研究[1]

范卫星1）郭 迅1）刘 洋2）张 宝1）骆承慧1）

1）防灾科技学院，北京 101601 2）中国地震局工程力学研究所，哈尔滨 150080

应用一款自主设计的油阻尼器进行了力学性能及简支梁桥减振试验研究。通过用FCS-250kN电液伺服控制作动器对油阻尼器进行加载试验，得出油阻尼器阻尼系数等参数。试验结果表明，本试验所用油阻尼器具有十分理想的速度相关特性，图形在一定工作速度范围内呈线性关系，且具有良好的滞回性能。经过与典型实际桥梁的质量、刚度、频率以及初始阻尼比的组合计算，典型公路、铁路简支梁桥安装本油阻尼器后，在线弹性阶段可实现结构总体阻尼比在5%—20%之间可调；在强地震作用下，可实现梁体滑移限位，避免落梁，确保强地震后桥梁的可通行性。因此，油阻尼器在我国中小型简支梁桥抗震方向具有很大的发展前景。

油阻尼器 防落梁 阻尼系数 作动器 桥梁抗震

前言

破坏性地震对桥梁上部结构的位移震害是极为常见的。这种震害表现为桥梁上部结构发生纵向、横向和扭转位移。最为常见的桥梁上部结构震害是纵、横向位移和落梁。如果能够防止落梁的发生，将在很大程度上减轻桥梁震害。

在桥梁建设和加固中，能量耗散装置作为一种新的方法被广泛应用，其中以油阻尼器改善结构性能最为常见，它可以有效地克服传统抗震方法的不足和降低结构的造价（聂利英等，2014）。阻尼器技术经过多年发展，已从最初在军事、机械、宇航等领域的应用逐渐扩展到桥梁建设领域。结构工程用油阻尼器在发展进程中经历如下3个阶段：最初以胶泥为填充材料，称为第一代黏滞阻尼器；采用各种阀门控制阻尼器参数并使用蓄能器，可称为第二代阻尼器；最新发展形成的以小孔激流方式控制阻尼器参数的第三代阻尼器（陈永祁等，2014）。近年来第三代油阻尼器在世界结构工程领域取得了飞速的发展，这种结构保护系统在结构工程上的巨大减震作用和经济性能已经得到抗震工程界广泛认可（陈永祁等，2012b）。

油阻尼器一般用于大跨度桥梁的减振控制中，主要是在不增加地震力的情况下，有效缓解墩、梁等相对位移较大的问题（焦驰宇等，2009）。目前这项技术在土木工程领域已经进入到规程规范完善及全面推广实施阶段。究其原因，与传统的加固方案相比，要达到同样的减震效果，采用油阻尼器作为附加元件，更利于节约成本，减小交通影响，而同时可操作性强（薛恒丽等，2013）。

然而，在我国中小跨度简支体系桥梁中，油阻尼器消能减震技术的对口应用还是相对较少，因此，研发具有自主知识产权的防落梁油阻尼器具有重大的实际意义和广阔的应用前景。

1 试验用油阻尼器构造及其试验设备

课题组研制团队成员之一在日本留学期间，在东京工业大学导师指导下，对日本的油阻尼器作了专门调查。参考日本的做法，开发了本文述及的油阻尼器。该油阻尼器构造主要是由杆头连接耳环、活塞杆、带孔活塞头、油缸（被活塞头分为左油腔和右油腔）、接杆和排气孔等组成，如图1（a）所示。本阻尼器的创新点体现在活塞头上，活塞头上开有A类（直径1.0mm）、B类（直径2.0mm）、C类（直径3.0mm）三种不同尺寸的通油小孔各4个，这些小孔间隔排列，如图1（b）所示。通过组合不同种类不同个数的通油小孔，以适应不同阻尼力的设计需求。

（a）油阻尼器内部构造       （b）油阻尼器活塞头构造

图1 油阻尼器内部及活塞构造
Fig. 1 Internal structure and piston of oil damper

本阻尼器行程是±50mm。

本试验中所要用到的设备为FCS-250kN液压伺服控制系统，其中包括作动器（额定动荷载250kN，附带位移传感器和力传感器）、控制系统及配套电脑，如图2所示。

（a）FCS液压伺服作动器       （b）油泵

图2 FCS液压伺服控制系统加载装置
Fig. 2 Loading device of FCS hydraulic servo control system

本文所述油阻尼器消能减震基本原理是小孔通油耗能。具体做法是在阻尼器活塞上开若干细孔，使油通过小孔在活塞左右两个腔中流动。拉伸时，活塞头会将油缸中的液压油从左油腔经由活塞小孔压到右油腔；压缩时，活塞会将油缸中的液压油从右油腔经由活塞小孔压到左油腔。这样的往复运动，将外部的机械能转化成液压油的内能，通过金属的外壁再将热量散发到空气中，达到耗散外部能量的作用。

2 试验方案

采用作动器对油阻尼器进行加载，使活塞杆在行程内作往复伸缩运动。加载方式为常幅值三角波加载，位移幅值40mm。通过作动器自带的位移及力传感器实时记录油阻尼器的伸缩位移及阻尼力变化情况，并由相应数据采集系统保存位移及阻尼力数据，试验时油阻尼器和作动器的安装情况如图3所示。

以活塞上不同类型小孔的不同组合形式进行了三种试验工况。工况一：只打开油阻尼器活塞中4个B类（直径2.0mm）通油小孔；工况二：只打开2个B类（直径2.0mm）通油小孔和2个C类（直径3.0mm）通油小孔；工况三：只打开4个C类（直径3.0mm）通油小孔。本试验由于受到实验室加载装置及反力装置条件的限制，在只打开4个A类小孔时，无法进行试验，故文中工况没有使用A类小孔，剩余工况将会在实验室引进新设备后完善。

每个工况按照加载频率逐级增加的方式分别进行加载，加载频率分别为0.1Hz、0.2Hz、0.3Hz、0.4Hz、0.5Hz、0.6Hz、0.7Hz、0.8Hz。

3 试验结果分析

对不同工况的各个加载频率，记录其加载频率与对应阻尼力。作动器在对油阻尼器进行加载时的加载方式为三角波，幅值为40mm，加载频率逐级增加，由此可通过以下公式换算出作动器加载速率：

=4××（1）

式中，为加载幅值平均值，为加载频率。作动器在加载时的幅值的输入值是40mm，但试验中，随着加载频率的增大，由于受到实验室FCS液压伺服作动器功能的限制，作动器“牺牲”真实加载行程换取了加载频率，使其输出幅值轻微下降，这导致不同工况下，即使加载频率相同，换算后的加载速率存在细微差别。

由表1中试验数据，绘制出阻尼力-加载速率关系曲线（-曲线），见图4。从图中可以看出，油阻尼器阻尼力与其加载速率近似呈线性关系。用最小二乘法拟合曲线为一直线，即该油阻尼器出力性能为=，其中为阻尼力，为加载速率，为阻尼系数。计算工况一、二、三下其阻尼系数分别为6.28×105N/m/s，3.18×105N/m/s，1.64×105N/m/s。由此可知活塞孔开孔面积越大，其阻尼系数越小。

表1 各工况下油阻尼器加载速率及阻尼力 Table 1 Loading rate and damping force of oil damper under different working conditions

续表

工况一工况二工况三加载频率f/Hz加载速率V/(mm/s)阻尼力F/kN加载速率V/(mm/s)阻尼力F/kN加载速率V/(mm/s)阻尼力F/kN 0.348.032.746.817.047.011.9 0.462.441.161.621.462.413.9 0.576.050.476.026.877.015.8 0.691.261.191.231.592.418.2 0.7103.671.7106.436.5103.620.5 0.8105.674.7111.039.3105.621.4

限于本文篇幅，目前只对该油阻尼器的以上三个工况进行试验描述。

4 工程应用研究

结合工程实例，利用以上测试的油阻尼器性能，分析工程实例安装该油阻尼器后对其抗震特性的影响。本文选取《中华人民共和国交通行业公路桥涵通用图》中标准跨径为20m单片T梁（简支梁）为研究对象。

介绍T梁参数：

某桥为四梁式双车道简支梁桥，标准跨径=20m，计算跨径=19.5m，常遇荷载与偶遇荷载分别以汽车-15级和挂车-80级进行计算（中交公路规划设计院，2015），T梁跨中横断面如图5所示。上部结构恒载反力N=190kN，汽车与人群荷载最大反力N=132.6kN，挂车荷载最大反力N=245.6kN，主梁计算温度差D=35℃（范立础，1997）。

选取板式橡胶支座为单片T梁支座，为桥梁在外荷载作用下发生位移后提供弹性恢复力。经支座选配，板式橡胶规格定为GJZ200×200×35，满足支座偏移验算及抗滑性能验算。其中1个该规格板式橡胶支座水平侧向刚度为1.8kN/mm，而一片T梁采用2个板式橡胶支座，提供水平侧向刚度为3.6kN/mm。

由于本文主要研究设置油阻尼器对简支梁桥抗震性能的影响，而一般桥墩侧向刚度较板式橡胶支座侧向刚度大两三个数量级，因此在讨论T梁系统地震响应时为减小计算量，忽略桥墩的变形。把单片T梁、油阻尼器及相应板式橡胶支座近似构成单自由度粘弹性阻尼系统（此处不考虑桥墩的变形影响）。得到公式（2）所表示的桥梁地震响应分析模型：

加入油阻尼器后，公式（2）中质量矩阵和刚度矩阵保持不变，阻尼矩阵变为原来由桥梁自身因材料变形的阻尼与油阻尼器提供的附加阻尼的叠加。总体而言，结构地震响应总是因阻尼的增加而减小。

接下来将以单片20m标准跨径T梁安装2个板式橡胶支座和4个防落梁油阻尼器为研究内容，分析下列工况，如表2所示。

表2 单片20m标准跨径T梁安装油阻尼器工况汇总 Table 2 Summary of working conditions of oil damper installed on the Single 20m standard span T beam

综合分析以上三种工况下，单片20m跨径T梁在各加载频率下（振幅40mm）的振动滞回特性。其中部分滞回耗能分析如图6所示。

（a）工况一，频率0.5Hz，位移±40mm （b）工况三，频率0.5Hz，±40mm

图6 模拟单片T梁的滞回曲线
Fig. 6 Hysteretic curves of a single T beam

可以看出，当单自由度结构阻尼比为2%时，结构位移从最大值自由衰减一半需要5个周期，而当阻尼比为5%时，只需要2个周期，由于桥梁地震响应就是这些随时间衰减的脉冲响应函数与地震波的卷积的结果，所以阻尼的增加可显著减小桥梁地震响应。当考虑桥梁弹性阶段的地震响应时，桥梁自身的阻尼比约为2%，与安装油阻尼器后增加的附加阻尼（以5%计）叠加后达到7%。从图8显示的地震反应谱（El Centro地震波）中可以读出，桥梁地震响应归一化最大值从0.38减至0.23，相当于地震响应减少40%。

5 结论

本文应用一款自主设计的油阻尼器进行了力学性能及简支梁桥减振试验研究，得出如下结论：

（1）通过大量的试验数据分析，得出该油阻尼器所提供的阻尼器出力与加载速率呈现出较理想的线性关系，与我们最初的期望不谋而合。这样为实际工程的应用，无论是分析还是设计，都提供了极大的便利。

（2）油阻尼器通过组合设置在活塞头上的不同种类和不同数量通油小孔来调节总通油孔面积的大小，可以根据工程需要作出匹配的小孔组合，以适用不同工程对阻尼器阻尼系数及最大出力的需求。

（3）将本文中防落梁油阻尼器与20m标准跨径T梁结合，组成粘弹性阻尼系统，对该系统进行抗力滞回曲线的分析研究表明，该油阻尼器可为系统提供5%—20%的附加阻尼，单对提供5%的附加阻尼进行分析便可知道，作用在简支体系桥梁上的地震力减少了40%，合理布置可以使桥梁地震力（主要是墩身剪力）降低50%左右，同时还能起到防落梁的作用。

（4）该款油阻尼器还需要进行下一步的试验，尝试找出活塞孔不同组合形式对油阻尼器性能影响的具体规律，以及其耐久性、温度适用性等特性。

因此，这种防落梁油阻力器在我国中小跨简支梁抗震上有很广阔的应用前景。

陈永祁，2012a．桥梁工程液体黏滞阻尼器设计与施工．北京：中国铁道出版社．

陈永祁，曹铁柱，马良喆，2012b．液体粘滞阻尼器在超高层结构上的抗震抗风效果和经济分析．土木工程学报，45（3）：58—66．

陈永祁，马良喆，2014．粘滞阻尼器在实际工程应用中相关问题讨论．工程抗震与加固改造，36（3）：7—13．

范立础，1997．桥梁抗震．上海：同济大学出版社．

焦驰宇，李建中，彭天波，2009．塔梁连接方式对大跨斜拉桥地震反应的影响．振动与冲击，28（10）：179—183.

聂利英，朱宗景，潘哲，刘群，2014．某特大斜拉桥液体黏滞阻尼器抗震参数选择．江南大学学报（自然科学版），13（2）：196—200．

薛恒丽，秦志源，2013．液体粘滞阻尼器在市政桥梁抗震加固中的优化研究．第22届全国结构工程学术会议．

中交公路规划设计院，2015．公路桥涵设计通用规范（JTG D60-2015）．北京：人民交通出版社.

The Design and Engineering Application of Unseating Prevention Oil Damper

Fan Weixing1)，Guo Xun1)，Liu Yang2)and Luo Chenghui1)

1）Institute of Disaster Prevention, Beijing 101601，China 2）Institute of Engineering Mechanics, China Earthquake Administration，Harbin 150080，China

Experimental study on mechanical properties and vibration reduction test of a simple supported beam bridge with a self-designed oil damper are conducted. By using the FCS-250kN electro hydraulic servo control actuator to test the oil damper, the damping coefficient and other parameters of the damper are obtained. The experimental results show that the oil damper has a very good velocity-dependent characteristic as well as good hysteresis characteristics, and itsgraphics in a certain range of working speed is linear. Through the combined calculation of the mass, stiffness, frequency and initial damping ratio of typical of actual bridge, the structure damping ratio of the typical highway, railway simply supported beam bridge can achieve and can be adjusted between 5%～20% in the linear elastic stage after installing the oil damper. It is capable of limiting beams’ displacement and preventing the girders from falling off their supports and to ensuring the bridges’ traversability after a strong earthquake. Therefore, the oil damper has a great development prospect in the earthquake resistant of the small-and medium-sized simply supported beam bridge in China.

Oil damper; Unseating prevention; Damping coefficient；Actuator；Bridge earthquake resistance

1 基金项目 本文得到中央高校基本科研业务费研究生科技创新基金（ZY20150322）和国家自然科学基金（51478117）资助

［收稿日期］2016-01-33

［作者简介］范卫星，男，生于1990年。硕士研究生。主要研究领域：地震工程。E-mail：fwx237026492@sina.com

范卫星，郭迅，刘洋，张宝，骆承慧，2016．防落梁油阻尼器设计及工程应用研究．震灾防御技术，11（1）：86—92．

doi：10.11899/zzfy20160109