桥梁结构防落梁与碰撞装置综述

张 轩， 温佳年， 韩 强， 杜修力

(北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点实验室， 北京 100124)

为了适应环境温度、结构收缩和徐变等产生的变形，桥梁结构通常设置伸缩缝.然而，在地震作用下，由于伸缩缝宽度不足或主梁位移过大，桥梁相邻构件(梁与梁之间或梁与桥台之间)可能发生碰撞、落梁，甚至整体倒塌[1]，造成交通中断，影响抗震救灾及震后修复.美国1989年Loma Prieta及1994年Northridge地震中，多座高架桥由于碰撞造成主梁及桥台局部损伤，旧金山奥克兰海湾大桥的一跨简支钢桁梁桥发生了落梁[2-3].2008年，我国汶川地震中，高树大桥、龙尾大桥、百花大桥(曲线桥)、庙子坪大桥(高墩桥)等均发生了不同程度的碰撞和落梁破坏[4-5].

桥梁伸缩缝间的碰撞会造成主梁的梁端开裂、桥台胸墙局部混凝土脱落、伸缩缝挤压、支座破坏等震害.影响碰撞的主要因素包括：1) 伸缩缝间隙；2) 相邻结构动力特性；3) 桥墩的刚度与支座的刚度比；4) 土- 结构相互作用；5) 地震动空间效应.为了减小和消除桥梁结构的碰撞，国内外学者不断地提出各种防碰撞装置，例如橡胶垫、压碎装置、形状记忆合金橡胶装置等.

1971年，美国San Fernando地震后，加利福尼亚运输部门将各桥段用限位装置(通常由缆索或钢棒制成)约束在一起加固桥梁.防落梁装置由此开始广泛应用.但是，这些限位装置有许多缺点，如：弹性应变范围小，限制结构的延性.为了克服这些缺点许多研究者进行了长期的研究，提出使用不同类型的限位器代替传统缆索/钢棒限位器.然而，这些新型限位器也有一定的不足，如成本高、稳定性差等.随着防落梁装置的广泛应用，防落梁装置的设计方法也得到发展.但是，由于各种设计方法考虑的因素不同，不同方法计算出的防落梁装置的数量相差较大.我国防落梁问题的研究尚处于起步阶段，规范中只给出了构造要求，没有提出对防落梁装置的量化设计方法.

本文主要探讨限位装置、阻尼限位装置、模数式伸缩缝、碰撞吸能装置和混合装置等5类防碰撞和防落梁装置的优点和局限性.同时，介绍了国内外防落梁装置的设计方法.最后，为我国桥梁防撞和防落梁装置的发展及应用提出了建议.

1 限位装置

1.1 缆索/钢棒限位器

1971年，美国San Fernando地震后，缆索/钢棒限位器广泛地应用于美国加固桥梁，以减小桥梁由于支承宽度过窄引起的落梁.与钢棒限位器相比，缆索限位器具有更大的弹性范围.对于简支梁桥，缆索限位器具有多种连接方式(见图1)以防止落梁的发生.缆索/钢棒限位器按弹性设计，仅利用其弹性性能，因此，不能耗散地震能量.

工程实践表明，缆索/钢棒限位器能有效地防止落梁，避免桥梁的垮塌.然而，由于缆索/钢棒限位器在地震中发生了失效或破坏，一些使用了缆索/钢棒限位器的桥梁也产生了严重的破坏或垮塌[6].造成缆索/钢棒限位器的失效或破坏的原因是缆索/钢棒限位器是弹性设计的，在极端条件下会导致钢索的断裂或者限位端部横隔板破坏[7].因此，许多学者对缆索/钢棒限位器进行了理论和试验研究[8-24]，包括缆索/钢棒限位器对不同桥型防落梁、防碰撞的效果，地震动空间效应和土- 结构相互作用对缆索/钢棒限位器防落梁、防碰撞的影响等.

图1 简支梁桥缆索限位装置安装示意图Fig.1 Installation schemes of cable restrainers for simply supported bridges

Saiidi等[8-9]研究了采用缆索限位器加固的桥梁的地震反应.研究结果表明，缆索限位器的效果受到许多因素的影响，例如地面运动的幅值和频率、土- 结构相互作用、下部结构的柔度.Abdel-Ghaffar等[10]研究了在1989年Loma Prieta地震中缆索限位器对Aptos Greek桥非线性地震响应的影响.研究发现，缆索限位器对结构的整体反应影响并不大，但是在较高水平的地面加速度激励下，缆索限位器对减小相邻桥跨的相对位移和碰撞力非常有效.戴福洪等[11]研究了3种类型限位器(完全弹性拉压杆、弹塑性拉压杆、只承受拉力的缆索)的刚度、强度对相邻梁体间和墩梁间相对位移的影响.DesRoches等[12]用单自由度模型，对安装缆索限位器的多跨框架桥进行了碰撞参数分析.结果表明：缆索限位器的限位效果主要取决于相邻桥的周期比；缆索限位器数量的增加提高了刚性框架的位移；缆索限位器只对框架刚度比远小于1的框架桥有影响.杨孟刚等[13]对不同地震动激励下缆索限位器的防碰撞效果进行了研究.结果表明，缆索限位器可以有效地避免梁体间碰撞现象的发生，但在实际选用缆索限位器数量时，需要考虑限位索拉断现象.张文学等[14]分析了钢棒限位器参数对斜拉桥与引桥之间碰撞响应的规律.研究结果表明，钢棒限位器可以有效减小相邻梁体间相对位移和碰撞力峰值，但对地震需求影响较为复杂.Watanabe等[15]及Julian等[16]研究了强震作用下，缆索限位器减小非规则桥梁(如斜桥、弯桥)扭转、碰撞及落梁的效果.结果显示，缆索限位器能够有效地减小非规则桥梁的扭转和伸缩缝的碰撞力.但是，安装在曲线桥外部的缆索限位器，在荷载作用下首先受力并需要更大的延性.此外，地震动的空间效应和土- 结构相互作用显著影响相邻结构的相对位移、限位装置产生的碰撞力和限位装置的变形[17-20].

一些学者采用试验方法对缆索限位器进行了研究.Selna等[7]对缆索限位器进行了足尺模型试验，对缆索限位器的强度、刚度以及循环荷载下的应力- 变形行为进行了评估.试验结果表明，缆索限位器的连接部位是限位装置中最薄弱的环节，在设计中应加以重视.Vlassis等[21]通过小比例箱梁桥的振动台试验验证了缆索限位器在减小伸缩缝处梁体相对位移的效果.试验结果表明，在一般情况下，缆索限位器能减小伸缩缝处相邻梁体的碰撞力，限制伸缩缝处梁体的相对位移，阻止落梁的发生，也能减小伸缩缝处梁体的碰撞加速度.DesRoches等[22]对安装了缆索限位器的多跨简支钢梁桥进行了单调荷载作用下的足尺模型试验并提出了2种改进的缆索限位器设计方法.试验发现，采用改进方法对限位器的连接部件进行加强后，缆索限位器表现出了良好的性能.Vlassis等[23]对安装缆索限位器的桥梁进行了大比例尺试验来证明缆索限位器在减小跨桥铰相对位移的效果，并探究了限位器刚度和间隙对铰- 限位器地震响应的影响.结果发现：缆索限位器能够限制跨桥铰的相对位移，减小2个相邻主梁的冲击强度；当缆索限位器间隙为零时，增加了缆索限位器的力和结构的延性要求，甚至在中等地震下会造成缆索限位器的拉伸屈服.

由于缆索限位器按照弹性设计，尚未考虑耗能能力.为了将相邻梁体运动控制在设计范围，一般需要大量的缆索[24].如果限制系统中缆索限位器数量较多，则会使桥梁其他构件产生较大的力，例如支座和桥墩.另外，缆索和钢棒限位器的屈服应变小，分别为1.75%和2.00%[24].缆索和钢棒限位器应变能力不足，使得需要更长的尺寸才能满足罕遇地震下的弹性性能要求.缆索和钢棒限位器的这些不足迫使人们寻找其他合适的限位装置来代替它.

1.2 形状记忆合金限位器

形状记忆合金(shape memory alloys，SMA)是一种具有超弹性和形状记忆效应的智能材料，因其抗疲劳、抗腐蚀性能良好，可恢复变形大，可加热或卸载自复位，耗能能力强等优点[25-26]，SMA可以作为限位器材料，也可以作为阻尼器材料，在抗震工程中已经有所应用[27].

SMA应力- 应变曲线呈旗帜形，具有自复位和耗能能力，如图2所示.当完全奥氏体相的SMA材料受外力作用时，发生弹性变形(O点至A点)；然后奥氏体相开始向马氏体相转变(A点至B点)；接着完全马氏体相SMA材料发生弹性变形(B点至E点)；至E点后，将会产生不可恢复的塑性变形；如果卸载，完全马氏体相SMA材料首先发生弹性恢复(E点至D点)；接着马氏体开始逆相变为奥氏体(D点至C点)；最后奥氏体发生弹性变形回至O点(C点至O点).

图2 SMA材料超弹性应力- 应变曲线Fig.2 Super-elastic stress-strain curve of SMA material

DesRoches等[26]试验研究了全尺寸镍钛(NiTi)SMA限位棒的力学性能.试验结果表明：在循环荷载作用下，SMA具有很好的超弹性，力学性能稳定，耗能能力强，残余变形小；可恢复应变可达到6%～8%，远大于缆索/钢棒限位器的1.75%～2.00%.Shrestha等[27]数值分析了多跨简支桥梁中SMA限位棒的效果并与传统缆索限位器进行了比较.结果表明，SMA限位棒有效地限制主梁位移，防止落梁发生且其防落梁效果优于传统缆索限位器.Andrawes等[28-29]评估了SMA限位器在典型多跨箱梁框架桥上的有效性，结果发现：缆索限位器是限制支座位移最低效的装置；SMA的超弹性特性在限制支座位移方面比金属阻尼器更加显著；SMA限位器用更小的力提供与黏弹性阻尼器限制支座位移相同的约束.Padgett等[30]通过一个大比例四跨混凝土简支梁试验，评价了SMA限位器限制支座位移的性能.Guo等[31]采用2种连接方案(主梁与主梁连接、桥墩与主梁连接)，研究了SMA限位器减小公路桥梁碰撞和落梁的效果.结果表明，SMA限位器不仅能防止落梁，也能减轻公路桥梁在地震中产生的碰撞.

然而，SMA的性能受环境温度影响.SMA的超弹性特性只有在温度超过奥氏体相变温度时才表现出来，否则SMA将会产生残余变形[32-33].为了克服NiTi SMA工作温度低的缺点，研究人员研究出了具有更宽工作温度(-80～100℃)的铜铝铍(CuAlBe)SMA.Zhang等[34]在不同温度下对CuAlBe SMA棒材进行了试验研究，并提出了一个能够考虑温度变化的应力- 应变关系模型.

SMA限位器能够有效减小桥梁的碰撞和避免落梁，但常用的SMA限位器受环境温度的影响，成本相对较高，大直径棒材加工困难，限制了其在桥梁工程的应用.CuAlBe SMA工作温度宽，成本较低，有利于SMA限位器在桥梁防落梁和防碰撞中推广和应用.

1.3 纤维增强聚合物限位器

纤维增强聚合物是一种复合材料，具有耐腐蚀、质量轻、强度高等特点，主要包括碳纤维增强聚合物、芳纶纤维增强聚合物、玻璃纤维增强聚合物和混杂纤维增强聚合物等.纤维增强聚合物限位器比缆索/钢棒限位器和SMA限位器容易制作、安装和维护.纤维增强聚合物限位器使用黏结剂黏结到桥梁结构的外部，例如箱梁的外部，实现限位器的安装，而传统限位器主要设置在桥梁结构的内部，并需要对桥梁结构开孔来实现限位装置的安装.纤维增强聚合物限位器的这种连接方式不但减少了限位器安装的成本，而且比安装在桥梁结构内部的传统限位装置容易检查[35-36].

图3 纤维增强聚合物限位器试验装置[36]Fig.3 Test setup for fiber reinforced polymer restrainer[36]

Saiidi等[36]对3种纤维增强聚合物材料制成的限位器进行了振动台试验，如图3所示.纤维增强聚合物限位器的中间部件需设置成弹性的，以适应由于温度变化产生的铰开口，并在铰闭合时，平面外变形不会产生显著的应力.试验结果发现，玻璃纤维增强聚合物限位器的效果最好.作者还对比了玻璃纤维增强聚合物限位器、钢限位器和SMA限位器的性能，并提出了一种纤维增强聚合物限位器弹性设计方法.然而，纤维增强聚合物限位器依然采用弹性设计，其不具有耗能能力.

1.4 限位装置设计方法和各国规范对防落梁系统的规定

1.4.1 限位装置设计方法

地震中限位装置的失效或破坏，推动了限位装置设计方法的发展.国内外限位装置的设计方法主要有AASHTO方法[37]、Caltrans方法[38]、Saiidi方法[39]和Trochalakis方法[40]等.虽然限位装置的设计方法很多，但是采用不同的设计方法计算出的限位器数量相差很大[41].

AASHTO方法[37]以加速度系数乘以两框架中较轻者的质量作为设计地震力.Caltrans方法[38]考虑了墩柱弹塑性的影响，并提供了限位装置材料使用指南书，但未考虑桥台、桥梁碰撞的影响.Saiidi等[39]提出3种设计方法：W/2法、等效线性静力法和修正Caltrans法.Trochalakis方法[40]基于参数分析，考虑了相邻桥跨周期比的影响，但未考虑相邻桥跨的动力相互作用.朱文正等[42]考虑了桥梁重要性、地震动参数等提出了一种限位装置的设计方法.王军文等[43]考虑相邻桥跨不同向振动的动力特性以及相邻梁体间碰撞对相对位移的影响，提出了一种限位装置的设计方法.Hudgings等[44]提出一种考虑地震动空间效应的限位装置设计方法.上述的限位装置的设计方法大多采用静力或拟静力分析方法，没有考虑限位装置的弹塑性性能、桥台和碰撞的影响.

1.4.2 各国规范对防落梁系统的规定

梁端支承长度是防落梁系统最重要的组成部分，也是防止大震下落梁破坏的根本性措施.美国、中国、日本、欧洲等国家和地区在这方面进行了大量的研究，表1中给出了国内外相关抗震设计规范对梁端支承长度的规定.图4、5分别为斜桥和曲线桥梁端最小支承长度示意图.

Caltrans规范考虑了预应力、徐变、收缩、温度和地震作用的影响，但没有考虑桥墩高度、主梁跨径以及桥型的影响.除EC8规范和Caltrans规范外，其他规范均考虑了斜交角的影响，同时日本规范和中国大陆规范考虑了不同桥型(直桥、斜桥和曲线桥)的差别.美国的Caltrans规范、欧洲的EC8规范、日本的桥梁抗震规范和中国的台湾公路规范考虑了地震的影响，而只有EC8规范考虑了地震动空间变化.AASHTO规范按抗震等级将桥梁分为2类来计算支承长度.日本的桥梁抗震规范和中国的台湾公路规范考虑了不同地基的区别.日本的桥梁抗震规范和中国的大陆规范中支承长度的计算公式最为相近，但由日本的桥梁抗震规范计算所得到的设计值明显大于我国的大陆公路规范的规定.

表1 各国规范对梁端最小支承长度的规定

续表1

图4 斜桥梁端至墩、台帽或盖梁边缘的最小距离Fig.4 Minimum distance from skewed bridge beam end to the edge of the pier, abutment cap or bent bap

图5 曲线桥梁端至墩、台帽或盖梁边缘的最小距离Fig.5 Minimum distance from curved bridge beam end to the edge of the pier, abutment cap or bent bap

2 阻尼限位装置

2.1 金属阻尼器

金属阻尼器通过金属屈服耗散能量，性能稳定，价格低廉，形式多样，具有良好的滞回性能，认为是最有效的耗能装置之一[50].金属阻尼器安装在桥梁与桥墩/盖梁之间或桥梁与承台之间.根据材料的不同，金属阻尼器分为钢阻尼器、SMA阻尼器等.

Chen等[51]设计了3个全尺寸的钢阻尼器，并在循环荷载下对其性能进行试验研究.Saiidi等[39]指出金属阻尼器耗能显著大于其他限位装置.Vasseghi[52]提出一种通过自身的非线性变形耗散大部分地震能量，将另外小部分地震荷载传递到上部结构的钢阻尼器.试验研究发现，该阻尼器具有良好的延性和耗能能力.对装有该限位器的混凝土箱梁桥进行非线性时程分析，结果表明，该限位器可有效地避免桥梁上部结构在地震作用下的落梁.Deng等[53]提出一种由平行钢板制成的钢阻尼器(见图6).通过对5个试样的循环荷载试验和有限元分析，结果表明：构造合理的钢阻尼器可提供充足承载力和良好耗能能力，并能有效地避免桥梁的落梁发生.

图6 钢阻尼器安装示意图[53]Fig.6 Installation of the steel damper[53]

由于金属阻尼器通过金属的屈服变形耗散地震输入到桥梁上部结构的能量，在大地震后，破坏或变形过大的金属阻尼器需要更换.同时，金属阻尼器在耗能后产生的残余变形也会导致桥梁上部结构的残余变形，从而直接影响桥梁震后的交通.为了解决这些问题，学者提出了具有自复位功能的SMA阻尼器.

Graesser等[54]研究了加载频率和持续时间对NiTi SMA阻尼器耗能特性的影响.Choi等[55]提出了一种只受拉不受压的SMA阻尼器，并对其进行了静力荷载下的单向和双向弯曲试验.图7为SMA棒单向弯曲的试验装置.研究表明：SMA弯曲棒的特性不受加载率的影响；平均阻尼比小于7%，小于金属阻尼器的阻尼比(10%左右).Choi等[56]对比了装有SMA阻尼器、传统限位器和仅受拉SMA阻尼器桥梁的易损性，结果表明，SMA阻尼器有效地减小了桥梁的损伤概率和落梁风险.然而，常用的NiTi SMA工作范围受温度限制，在持续循环加热或加载时，稳定性将变差[57]，并且成本较高.建议使用工作温度更宽的CuAlBe SMA.

图7 SMA棒单向弯曲的试验装置[55]Fig.7 Test set-up for SMA bar under single bending[55]

周海俊等[58]研究了国产SMA阻尼器的防落梁和防碰撞效果，并与传统的缆索限位器进行了对比分析.研究结果表明，SMA阻尼器能有效地减轻简支梁桥的碰撞和落梁现象，但墩底剪力会相应增加.闫维明等[59]提出了一种新型复合式金属阻尼器，如图8所示，并给出了该阻尼器的滞回模型(见图9).对安装复合式金属阻尼器的高架桥进行了数值分析，结果表明，其兼具耗能和限位的功能，可以防止落梁和碰撞的发生.

贾威[60]和白全安[61]对榫形阻尼器进行了研究，结果表明，在地震作用下，榫形阻尼器能够发挥良好的耗能性能和防落梁功能.赵玉坤等[62]提出一种新型填充式钢管阻尼器，研究结果表明，附加该阻尼器可以增加桥梁横向耗能能力，减小桥梁横向落梁且不会对桥墩、桩基等构件产生不利影响.图10给出了该阻尼器在桥梁中的安装位置.王占飞等[63-64]对防落梁钢圈阻尼器进行了力学性能和耐久性研究，发现该阻尼器具有较好地限位能力和缓冲能力.

图8 复合式金属阻尼器基本构造[59]Fig.8 Construction of the composite metal damper[59]

图9 复合式金属阻尼器等效滞回模型[59]Fig.9 Equivalent hysteresis model of the composite metal damper[59]

图10 横向桥梁系统[62]Fig.10 Lateral bridge system[62]

图11 典型黏弹性阻尼器Fig.11 Typical viscoelastic damper

2.2 黏弹性阻尼器

黏弹性阻尼器一般由黏弹性材料和约束钢板构成(如图11所示)，通过黏弹性材料的剪切滞回变形来耗散能量，是一种构造简单、安装方便和耗能能力强的被动耗能装置.黏弹性阻尼器为速度相关型阻尼器，一般安装在能产生相对位移的位置.常用的黏弹性材料为高分子聚合物，它既有黏性，又有良好的弹性，可以起到稳定结构的作用，并耗散结构外部输入能量.黏弹性阻尼器的本构模型主要有Maxwell模型和Kelvin模型2种.

Feng等[65]和Kim等[66]采用Kelvin模型和Maxwell模拟黏弹性阻尼器，以研究在地震作用下黏弹性阻尼器减小高速公路桥梁落梁和碰撞的效果，结果表明：黏弹性阻尼器减小了支座位移而没有增加桥墩的延性需求；黏弹性阻尼器的黏性部分在减小桥梁伸缩缝相对位移方面比线性弹簧部分更有效；非线性黏弹性阻尼器可以有效地减小上部结构的相对位移和碰撞力，而且对桥墩的延性要求不会产生太大的影响.Andrawes等[29]对比了黏弹性阻尼器与其他限位装置的效果.对比发现：黏弹性阻尼器有效地减小了支座位移，增加了结构在地震后的自复位能力；黏弹性阻尼器产生的力与主梁位移无关，而与其振动特性直接相关[67].

黏弹性阻尼器的性能不仅与温度、频率、应变幅值和黏弹性层厚度等因素有关[68]，还与阻尼器的布置位置[69]、土- 结构相互作用[70]相关.由于阻尼器的循环导致阻尼器温度升高，将降低黏弹性阻尼器的储能模量和损耗模量，从而造成阻尼器刚度和耗能能力的减少[71].黏弹性阻尼器还有变形有限，黏弹性材料可能剥落和撕裂的缺点[72].

2.3 液体黏滞阻尼器

液体黏滞阻尼器是结构地震保护装置中常用的被动耗能装置之一.它主要由活塞杆、活塞头、阻尼器壁(圆筒)、密封和阻尼材料组成，如图12所示.当活塞杆与活塞头挤压时，黏滞液体被迫通过阻尼孔.黏滞液体的高速流动，导致流体颗粒和活塞头之间产生摩擦.摩擦力越高，产生的热量越多，从而提高耗能量，尤其当阻尼器受到长周期或大幅值的运动时，耗能将会增加[73].由于液体黏滞阻尼器不产生附加刚度，在桥梁结构中安装黏滞阻尼器后不影响结构的动力特性.液体黏滞阻尼器的力- 速度关系为椭圆形，如图13所示.由图13可知，速度指数α与耗能能力成反比.

图12 液体黏滞阻尼器Fig.12 Fluid viscous damper

图13 不同α时液体黏滞阻尼器力与速度关系曲线Fig.13 Fluid viscous dampers force-velocity curve with different α

Kim等[66]研究了液体黏滞阻尼器的工作性能，建立了考虑液体黏滞阻尼器非线性、桥墩塑性铰以及梁间碰撞的计算模型.王军文等[74]在考虑支座非线性、桥墩弹塑性及相邻梁体间碰撞计算模型的基础上，研究液体黏滞阻尼器对连续梁桥限位效果.结果表明，液体黏滞阻尼器可以有效地减小伸缩缝处相邻梁体间或墩梁间相对位移和最大碰撞力，同时也不明显增加伸缩缝处桥墩的位移延性需求.王志强等[75]以东海大桥为背景，研究非线性液体黏滞阻尼器对该桥抗震性能的影响.Shinozuka等[76]提出了用液体黏滞阻尼器对桥梁结构进行加固，对安装在伸缩缝处的液体黏滞液体阻尼器的减震效果进行了评价.结果表明，液体黏滞阻尼器在限制伸缩缝变形和碰撞力方面非常有效，并减小了结构的延性需求.李忠献等[77]研究发现在相同阻尼系数的情况下，液体黏滞阻尼器的速度指数越小，其防碰撞效果越好.Jankowski等[78]对液体黏滞阻尼器减小基础隔震桥梁碰撞反应效果进行了数值模拟和试验研究.结果表明，液体黏滞阻尼器能够有效地减小结构的碰撞效应且可以忽略温度、蠕变和收缩对其性能的影响.在大跨度桥梁中安装液体黏滞阻尼器可以在不增加墩底内力的同时，明显减小伸缩缝处的相对位移[79].聂利英等[80]指出液体黏滞阻尼器的设计参数会影响桥梁结构局部受力和减震效果.张博等[81]研究了土- 结构相互作用对液体黏滞阻尼器的影响.结果表明，液体黏滞阻尼器对柔性地基的减震效果差于刚性地基.

黏滞液体阻尼器可有效降低地震作用下的结构内力和位移，减小桥梁结构的落梁和碰撞，但黏滞液体存在密封性问题，需要对液体黏滞阻尼器进行不定期养护.

2.4 磁流变阻尼器

磁流变阻尼器(magneto rheological dampers，MRD)是利用磁流变液体的磁流变效应制成的可调阻尼装置，如图14所示.磁流变液体是一种由非导磁性液、高磁导率和低磁滞性的微小磁性颗粒、表面活性剂组成的混合流体.在无磁场时，磁流变液体是一种黏度较低的牛顿体；在磁场的作用下，磁流变液可以在ms级的时间内快速、可逆地由流动性良好的牛顿流体转变为高黏度、低流动性的塑性固体.当外加磁场撤掉后，磁流变液体又变成流动性良好的液体，如图15所示.磁流变液体的这个特性称为磁流变效应.按照磁流变阻尼器的受力特点，其工作模式可分为剪切模式、流动模式、挤压模式和组合模式.

图14 磁流变阻尼器构造Fig.14 Construction of magneto rheological damper

图15 磁流变效应示意图Fig.15 Magneto rheological effect diagram

由于磁流变阻尼器的非线性，传统的本构模型不能准确地模拟磁流变阻尼器的力学特性，研究者提出了多种磁流变阻尼器模型，可以分为参数化模型和非参数化模型[82].参数化模型包括Bingham模型、Bouc-Wen模型和唯象模型等.非参数化模型又分为半几何方法和智能化模型.磁流变阻尼器的阻尼力- 速度关系如图16所示.

许多研究者对磁流变阻尼器减小桥梁落梁和碰撞的效果进行了研究.Ruangrassamee等[83]提出了采用半主动控制方法在多跨连续梁桥支座与主梁间安装磁流变阻尼器来减小相邻桥跨的相对位移和碰撞.李忠献等[84]分析了在高架桥中使用磁流变阻尼器控制碰撞反应的有效性.研究表明：磁流变阻尼器安装在主梁和墩柱之间比安装在相邻主梁间性能更优；应用半主动控制装置能有效地控制邻跨最大相对位移和支座变形.Guo等[85]研究了在极端地震下，磁流变阻尼器在公路桥梁中减小相邻主梁碰撞的效果，并提出了2种安装方案：主梁与主梁相连和主梁与桥墩相连，如图17所示.结果表明，磁流变阻尼器能够有效减少碰撞产生的结构加速度反应，控制相邻梁体间的相对位移和支座的变形；第2种安装方式的防落梁和防碰撞的效果好于第1种安装方式.

图16 磁流变阻尼器力- 速度曲线Fig.16 Magneto rheological dampers force-velocity curve

图17 磁流变阻尼器2种安装方案[85]Fig.17 Installation schemes of magneto rheological damper[85]

Guo等[86]对带有无被动控制、有被动控制和半主动控制3种控制系统的磁流变阻尼器桥梁模型振动台试验研究发现，在无被动控制和被动控制情况下，磁流变阻尼器减小了桥梁的碰撞，但碰撞依然发生；在半主动控制情况下，磁流变阻尼器不仅减小了桥梁的反应，还消除碰撞的发生.Sheikh等[87]研究磁流变阻尼器不同控制策略对减小基础隔震公路桥碰撞影响的有效性.结果表明，这3种控制策略都能够减小基础隔震公路桥的碰撞响应.郭安薪等[88]采用半主动控制方法对安装磁流变阻尼器的公路桥梁进行了地震作用下的碰撞研究.

上述研究表明，磁流变阻尼的半主动控制策略是减小碰撞和落梁最有效的方法，但是，需要提供少量的外部能量，控制的性能受反应时间的影响明显，并且控制算法十分复杂.

3 模数式伸缩缝

模数式伸缩缝广泛应用于桥梁结构，具有伸缩变形能力大、密封防潮性能优良、不影响桥梁的适用性和功能性等特点.模数式伸缩缝的主要组成部分有边梁、中心梁、支承棒(横梁)、密封条等，如图18所示.模数式伸缩缝通过支承棒(横梁)的移动实现连接端的伸缩.模数式伸缩缝较大的伸缩量允许相邻梁体在地震作用下发生较大的相对位移，从而减小相邻梁体间的碰撞.

图18 模数式伸缩缝截面图Fig.18 Section view of the modular expansion joint

王立成等[89]对模数式伸缩缝进行了疲劳试验研究，结果表明，伸缩缝中心梁和支承梁的残余应变随疲劳循环次数的增加而增加，而荷载幅值的提高将在很大程度上提高累计残余应变的增长速率.Chouw等[90]提出用模数式伸缩缝来减小相邻结构的碰撞，并以三跨框架桥为例研究了地震动空间效应以及桩- 土相互作用对安装传统宽度伸缩缝的桥梁以及新型大位移模数式伸缩缝桥梁碰撞响应的影响.McCarthy等[91]发展了一种由摩擦单元、等效装置、支承杆和中心梁组成的模数式伸缩缝分析模型，并通过模数式伸缩缝的全尺寸试验验证了该模型的有效性.Chouw等[92]研究了模数式伸缩缝避免碰撞的最小张开和闭合位移的最小需求.随后，Bi等[93-94]使用随机方法，计算当桥梁结构考虑地震动空间效应以及桩- 土相互作用时，模数式伸缩缝避免桥梁碰撞所需的距离.然而，我国现行规范[48]未考虑地震动空间效应以及桩- 土相互作用.

4 碰撞吸能装置

地震发生时，桥梁间碰撞产生的撞击力非常大，往往会使撞击处(如主梁、桥台)混凝土剥落、伸缩缝挤压失效、支座滑移过大，而且不规则的碰撞会使主梁发生扭转，甚至最终导致主梁倾覆，并可能与桥墩产生二次碰撞，引发桥梁整体倒塌.对于相邻梁体间的碰撞，通过设置较大的间距可以避免.而相邻跨上部结构之间，以及上部结构与桥台之间的碰撞却很难避免.通过在碰撞表面之间加入柔性材料或耗能材料作为碰撞吸能装置，可以减小或消除2个碰撞面的碰撞力.

研究者通过试验和数值模拟方法对不同碰撞吸能装置的性能和减轻碰撞的因素进行了研究.Leibovich等[95]研究了在混凝土碰撞表面的接缝处设置软填料混凝土棒的碰撞效果，试验装置如图19所示.试验结果表明，导向轨道不能完全避免偏心碰撞.软填料能够减小由碰撞产生的接触压力和加速度，并克服接触表面的不规则性，避免由碰撞单元的压缩材料产生的应力波.

图19 碰撞试验装置[95]Fig.19 Test setup of the impact test[95]

Kitahara等[96]和Kajita等[97]采用2个钢实心棒的碰撞对天然橡胶缓冲装置的冲击性能进行了试验研究，测试装置如图20所示.结果表明，橡胶缓冲装置的最大变形和最大碰撞力与碰撞速度有关.最大碰撞力依赖于碰撞速度和天然橡胶的厚度.因此，碰撞速度和天然橡胶的厚度可以用作橡胶缓冲装置的设计变量.同时，对橡胶缓冲装置的冲击性能进行了数值模拟.数值分析结果表明：压缩应变较大时，数值方法不能很好地模拟天然橡胶的特性；应变率效应影响了橡胶缓冲装置的性能.

图20 橡胶缓冲碰撞试验装置[96-97]Fig.20 Test setup for the collision test of rubber bumper[96-97]

Jankowski等[78]研究了橡胶缓冲装置对减小隔震主梁碰撞的有效性.Kawashima等[98]在对安装应变硬化、应变软化和弹性橡胶缓冲装置的碰撞效果进行了大量非线性动力时程分析的基础上，研究发现：橡胶缓冲装置能有效减小碰撞产生的冲击力和加速度脉冲；弹性橡胶缓冲装置对减小梁体的纵向位移及墩柱的非线性反应效果不明显；相比之下，安装应变软化型橡胶缓冲装置更加有效地减小了梁体的位移和碰撞力.Raheem[99]研究了隔震桥梁结构中天然橡胶垫减小碰撞的效果.研究发现，天然橡胶垫放在桥梁组件之间能够显著减小碰撞力峰值，同时也减小了缆索限位器力.因此，建议采用半间隙松弛形状的橡胶缓冲装置，该装置能够减小碰撞力和碰撞加速度且造价较低.Shrestha等[100]评价了在空间变化地震动作用下，使用橡胶缓冲装置和限位装置的多跨框架桥减小碰撞和落梁破坏的效果.石岩等[101]研究了橡胶缓冲装置对简支梁桥横向偏心碰撞的效果.结果表明，通过安装橡胶缓冲垫，可以大幅减小简支梁桥横向偏心碰撞的碰撞力，提高简支梁桥的横向抗震性能.张文学等[102]采用橡胶缓冲装置减小斜拉桥与引桥之间碰撞响应.

尽管橡胶缓冲装置在减小桥梁结构碰撞反应上十分有效，但是天然橡胶在环境荷载下耐久性差.为了克服这个问题，Li等[103]开发了一种新型形状记忆合金橡胶，并对其力学性能、自恢复能力和加热时的复位能力进行了研究.结果表明，形状记忆合金橡胶为率无关应变硬化型材料，力学性能稳定，具有耗能能力和良好的自复位性能，可以实现碰撞缓冲材料的重复利用.图21(a)为形状记忆合金橡胶压缩应变幅值为45%前后的变形.图21(b)示出了压缩应变幅值为15%、20%和48%时的形状记忆合金橡胶的应力- 应变曲线.可以看到：压缩应变幅值为20%时没有观察到残余变形；压缩应变幅值为48%时，残余应变为6%.这说明形状记忆合金橡胶可恢复残余应变幅值为20%～48%.Meng等[104]采用振动台试验评估了形状记忆合金橡胶缓冲装置减少高墩大跨桥梁地震碰撞的效果.Li等[105]通过安装形状记忆合金橡胶缓冲装置的隔震桥梁振动台试验，研究了形状记忆合金橡胶缓冲装置的减震机制.结果表明，形状记忆合金橡胶缓冲装置不仅显著降低了桥梁的碰撞，而且消除了由碰撞产生的应力波.

图21 形状记忆合金橡胶自恢复应变[103]Fig.21 Self-restorable strain for shape memory alloy pseudo-rubber[103]

图22 混合装置的类型Fig.22 Type of hybrid devices

可压碎装置是另一种碰撞吸能装置.在多遇地震作用下，该装置离梁端较远，不发生碰撞.在罕遇地震作用下，该装置在碰撞过程中被梁体压碎，并耗散地震能量，从而减小或避免结构的碰撞.地震过后，破坏的可压碎装置可以更换.Jankowski等[78]研究发现可压碎装置本身吸收的碰撞能力较小，但可压碎装置破坏后，梁体的自由振动耗散大部分的能量.

5 混合装置

由于单一的装置不能同时有效地减小桥梁的落梁和碰撞破坏，许多研究者提出由2种或2种以上不同功能的装置组合而成的混合装置来实现桥梁结构的防落梁和防碰撞.混合装置组合方式有限位装置与阻尼限位装置、限位装置与碰撞吸能装置、阻尼限位装置与模块化伸缩缝、阻尼限位装置与碰撞吸能装置、碰撞吸能装置与模数式伸缩缝组合以及其他组合方式，如图22所示.

Zhang等[34]开发了一种具有自复位功能的混合装置，将SMA缆索作为约束和自复位部件，阻尼器作为耗能部件.在多遇地震下，SMA缆索不工作，仅阻尼装置起作用.在罕遇地震下，SMA缆索和阻尼器协同工作，以限制主梁位移.

限位装置与橡胶缓冲装置组合形成的混合装置具有防落梁和减震的优势，是工程中应用广泛的装置之一.Kawashima等[98]发现混合缆索限位器和橡胶缓冲装置能有效减小桥梁结构连接处的加速度和相对位移，在一定程度上减小了桥墩的响应.Zhu等[106]建议使用混合装置与橡胶缓冲装置以减小高架桥在地震作用下的碰撞效应和落梁风险.Raheem[99]研究了缆索限位器与橡胶缓冲装置的3种不同安装方式对减小多跨隔震桥梁伸缩缝处落梁和碰撞的效果，如图23所示.

图23 缆索限位器与橡胶缓冲装置的混合装置的3种安装方式[99]Fig.23 Three installation methods of hybrid device of cable restrainer and rubber buffer[99]

江辉等[107]采用能力谱方法和非线性动力时程方法，对钢棒限位器和橡胶垫混合装置的刚度参数进行了优化，结果表明，该混合装置的刚度对减震效果具有显著影响.为了减小模块化伸缩缝由于地震产生的破坏，Yang等[108]开发了一种防屈曲SMA- 模块化伸缩缝.研究发现，防屈曲SMA能够提供比无约束SMA更高的自复位能力，减小SMA用量和装置的成本.Berton等[109]研究了在多跨桥上应用液体黏滞阻尼器与模数式伸缩缝的混合装置.研究表明，该混合装置可以有效地减少落梁，防止碰撞破坏，减小桥墩弯矩和模数式伸缩缝的尺寸.

燕斌等[110]提出一种新型防落梁板式橡胶支座，该支座由板式橡胶支座和钢丝绳组成.在正常使用阶段和设计地震作用下，仅橡胶板发挥作用；在罕遇地震作用下，当橡胶板的变形达到其设计容许变形值时，钢丝绳被拉紧，防止落梁发生.研究表明，该支座既可保护支座，又能限制桥梁上、下部结构间发生过大的相对位移，但会造成桥墩地震响应增加.

根据结构多级设防、耗能减震的抗震设计思想，建议开发和设计既能防止落梁和防碰撞，又能有效保护桥墩等重要构件，并耗散地震能量输入的混合装置.

6 工程应用

虽然减小桥梁结构落梁和碰撞的装置很多，但是其在桥梁中的应用有一定局限性.缆索限位器在许多国家和地区的桥梁结构中得到十分广泛的应用，例如我国许多的公路和铁路桥梁.钢棒限位器也得到了广泛的应用.榫形防落梁装置在铁路桥上得到了广泛应用[111].阻尼限位装置不仅能防止落梁，还能减小碰撞，因此，得到大量的工程应用.液体黏滞阻尼器为实际工程中常用的防落梁和防碰撞装置之一，如我国的鹅公岩大桥、卢浦大桥、苏通长江大桥、润扬长江大桥、西堠门大桥、泰州长江大桥等[112].磁流变阻尼器在武汉天兴洲大桥中得到应用，以减小桥梁发生碰撞的风险.模数式伸缩缝广泛应用于桥梁实际工程，如我国的阿什河大桥、南宁英华桥、武汉沙湖大桥、青岛海湾大桥、苏通长江大桥，其中苏通长江大桥使用的模数式伸缩缝是我国目前位移量最大的模数式伸缩缝.钢限位器与碰撞吸能装置组成的混合装置也已应用在实际工程中.但是，例如一些金属阻尼器、碰撞吸能装置及混合阻尼器在实际工程应用还较少.

7 结论

1) 缆索/钢棒限位器由于其成本低，安装方便，防落梁效果好，成为新建或加固桥梁中常用的限位装置，缆索/钢棒限位器在地震作用下耗能能力较小.SMA限位器具有耗能和自复位能力，能够有效地减小桥梁的落梁和碰撞，由于材料价格高等原因，限制了其发展应用.

2) 金属阻尼器在防落梁和防碰撞方面比传统限位装置更有效.碰撞吸能装置能够有效地减小相邻梁体间的碰撞.橡胶缓冲装置由于所使用的天然橡胶存在耐久性问题，导致其应用受到一定限制.混合装置结合了2种或更多种材料或装置的优点，能够有效地防止落梁和碰撞破坏，是最近研究的热点和今后发展的趋势.

3) 当前防落梁和防碰撞研发主要针对中小跨径的城市与公路桥梁为主，对大跨度桥梁、山区高架桥以及跨海桥梁的研究较少，地震动空间效应和土- 结构相互作用对大跨度桥梁和非规则桥梁防落梁和防碰撞效果影响大，还需深入研究.