其中Fmax為最大鎖定力。

圖2密蘇里比爾·埃莫森紀念橋上680 t鎖定裝置

    2.2滯阻尼器(Fluid Viscous Damper)

    很多文獻都對液體黏滯阻尼器作過全面的介紹[1]。這里，我們特別要強調一點：液體黏滯阻尼器是一種需要并且能夠精確計算的定量減振產品，絕不僅是一個定性的緩沖器。產品的選擇一定要經過精確的計算分析。

    液體黏滯阻尼器的運動速度和阻尼力的關系為：

   F=CVα          

    (2)式中：F為阻尼力；C為阻尼系數；V為阻尼器兩端的相對速度；α為速度的指數(常用0．3～1.0)。阻尼力和最大沖程是阻尼器的主要指標，而阻尼系數和速度指數是阻尼器控制作用大小的兩個關鍵參數。

    2.3尼器(Fuse Damper)

    根據不同的工程要求，設計工作者有時期望阻尼器具有下面兩個階段的特性：對于風、溫度、剎車、小地震等常規荷載，阻尼器像剛性連桿一樣，不發生兩端相對運動；而在大風和大地震、超過一定動力荷載時，阻尼器開始相對運動，并消耗振動能量。

    熔斷阻尼器可以很好地實現這一愿望。這種阻尼器比一般的液體黏滯阻尼器多一個金屬熔斷裝置，起到控制開關作用。在美國舊金山附近的Richmond San Rafael大橋上，泰勒公司提供了設計值為2270 kN的熔斷阻尼器裝置，裝置上設計了在1250 kN(to)時斷裂的金屬保險片(圖3)。如果阻尼器受到風荷載、剎車荷載或者小的地震荷載，受力低于1250 kN時，金屬片限制了阻尼器兩端的相對運動；如果地震導致了1250 kN甚至更大的荷載時，金屬保險片斷裂，阻尼器將像一個一般的2270 kN的阻尼器那樣耗能工作。保險片斷裂以后，只要簡單地更換保險片，阻尼器可繼續使用。金屬熔斷阻尼器的計算模型為：

    F。為金屬熔斷開關力。

圖3加州里奇蒙德大橋熔斷阻尼器

    2.4限位阻尼器(Limited Displacement Damper) 

    考慮到蘇通長江大橋橋位風速大、風況復雜、抗震要求高，為了防止預想不到的靜力荷載、特大風可能給橋梁帶來的超量位移，設計了一種新型帶限位的阻尼器。在常規阻尼器的基礎上，在阻尼器運動的雙方向上加設限位裝置。當該阻尼器最大相對位移超過±750 mm時，阻尼器進入兩端限位階段。限位由非線性彈簧板(用彈簧表示)實現。限位可達最大附加位移±l00 mm，限位力可達l0000 kN。這一超大的阻尼器見圖4。限位阻尼器的計算公式應為：

    Flim為最大限位力，Dmax一為阻尼器開始限位前的最大位移。

圖4蘇通大橋限位阻尼器

    2.5摩擦型液體黏滯阻尼器

    在上述阻尼器的基本關系式(2)中，當速度的指數α非常小時，該關系式近似為：

    阻尼力就變成與速度無關的曲線。由于目前橋梁計算分析通用軟件SAP2000程序中速度指數定義的范圍為0．2～2．0，當α小于0．2時，計算可能不收斂。

    這種阻尼器的滯回曲線呈方形，接近摩擦阻尼器。它很容易有摩擦阻尼器的特性，也可以把它看成帶有屈服性能的鎖定裝置。

表1鎖定裝置和阻尼器的對比和選用辦法

    在上述五種阻尼器中，如何選用?我們的意見是：從大多數橋梁的需要來看，應該首選常規的鎖定裝置和液體黏滯阻尼器。到底是選用鎖定裝置還是黏滯阻尼器，建議利用下述內容進行分辨和選擇。

    在橋梁的設計或加固工程中，有時希望施加一定剛度，在中小風振、地震和車輛荷載時希望阻尼器協助“鎖死”時，可以選用熔斷黏滯阻尼器。當橋梁所處的環境復雜、不可預見性高、又不希望阻尼器有過大的位移，希望通過限位阻尼器來實現時，可以考慮使用帶限位的液體黏滯阻尼器。

    匯總以上各種液體黏滯阻尼器的理論和性能對比，列于表2加以說明。

表2各種阻尼器性能對比

3、尼器的應用和控制效果

    目前，國內外都是采用非線性(如果阻尼器設計成非線性)時程分析的計算程序來分析加了阻尼器前后的地震反應，最常用的是SAP2000非線性分析程序。我們只要在橋梁動力分析的SAP2000模型上，按預定的阻尼器的位置，加上阻尼器的計算單元，輸入設計地震的時程記錄，進行時程分析，就可以得到初步的結構地震反應。當然，我們還要對計算的結果進行評估，看得到的結果是否滿足各方面的要求。通常，經過一個反復迭代過程，就可以得到一個相對滿意的結果。阻尼器參數的選取和優化也可以采用阻尼器參數和結構反應間的對比優化得出[8]。這里，簡單介紹幾個常見形式的橋梁工程阻尼器的安放位置和幾個我國實際工程的計算分析結果，從中可見阻尼器在這些橋上的減震效果。

    3.1鋼筋混凝土梁橋

    連續梁橋和簡支梁橋的支座，一般都由固定支座和滑動支座所組成。地震和大風的水平縱向動力荷載將由固定支座和其橋墩所承擔。如果我們能在滑動支座的梁和墩之間安置鎖定裝置，該橋墩也就參與分擔固定墩的受力，從而減小固定支座的水平剪力(見圖5)。鎖定裝置起分散受力的作用。在吉林松花江龍華七孔連續梁橋上的l6個鎖定裝置可以將固定支座上的水平剪力減少45．3％。

圖5鋼筋混凝土梁橋鎖定裝置安置示意圖

    3.2鋼管拱橋

    對某城市內環城公路大橋的計算分析表明，即便對剛度比較大的鋼管橋，同樣可以減少橋梁縱向位移達19％。該橋還是我國首次設計成縱橫兩個方向減震。這個兩方向起作用的阻尼器，減少橫向位移達15％(見圖6)。

    3.3斜拉橋

圖6鋼管拱橋阻尼器的安置示意圖

    由于全漂浮體系橋塔之間無任何約束，阻尼器對于這類斜拉橋的振控作用最為顯著(圖7)。通過對阻尼器參數優化可將大橋縱向運動的減振率達到50％以上。蘇通大橋的設計者通過優化將大橋的縱向位移降低了59．4％，主塔在大震中的受力也降低了17％左右，如前所述，該裝置上還施加了世界首創帶限位裝置的阻尼器。

圖7斜拉橋阻尼器的安置示意圖

    3.4懸索橋

    作為大跨柔性結構，懸索橋具有超長周期及較寬的頻率范圍，其動力特性決定這類結構易受到外界動力荷載的激勵，其抗風及抗震設計一直是研究及設計人員的工作重點。我國建成的第一座跨千米大橋——江陰長江大橋在兩端伸縮縫處設置的4個阻尼器，可以使其縱向位移減少55％，加固前的振動問題應該可以得到很好的解決(圖8)。我國舟山群島的跨海大橋上將安置的阻尼器具有經過優化計算出的阻尼器參數。

圖8懸索橋阻尼器的安置示意圖

    把以上提到的工程和阻尼器的參數、計算結果列在表3中，阻尼器減振的效果是很容易看出的。

4、同阻尼器檢測驗收的要求

    在橋梁上的車輛和風振等動荷載作用下，結構保護裝置應用前的嚴格檢測對保證產品長期穩定工作非常重要。對于控制偶發振動的減振產品，它幾乎更是唯一有效的辦法。這里，我們討論一下不同液體黏滯阻尼器在測試驗收上的相同和不同點。

表3不同類型橋梁的減震效果

    4.1Lock-up裝置

    美國AASHT0規范首先提出對鎖定裝置的測試  驗收要求，這是以后阻尼器測試規程和規范發展的起點。

    4.2滯阻尼器(Fluid Viscous Damper)

    液體黏滯阻尼器的測試，和鎖定裝置的檢測原則上要求相同。不同點是：液體黏滯阻尼器的基本速度和阻尼力之間的關系式(2)要得到定量的驗證。這里結合美國FEMA450和ASCE一07 110沖的相應規定談一點我們的看法。

    4.2.1預檢測

    在先進的阻尼器技術和產品進入我國橋梁領域的七八年歷史中，已有十幾座橋梁安置或正在安置不同的阻尼器。然而，在我國現行橋梁規范中，還沒有關于應用阻尼器的規定，也就更沒有對于阻尼器測試驗收的相應要求。隨著數以百計的橋梁在我國相繼建設，為了使這一新技術能在我國快速健康地發展，建議我國相關管理部門或協會能對進入我國橋梁市場的所有國內外產品，組織并作一次類似金門大橋口]和HITEC3作過的綜合預檢測。

    4.2.2阻尼裝置的原型測試

    美國規范中提出每種類型的阻尼器要抽樣做原型試驗，這是十分必要的。縮尺試驗只能說明產品的理論依據，不能證明產品在真實工作的環境和狀態下的可靠性和耐久性。原型測試的內容應該包括以下幾方面：

    1)對原型樣品按三種不同工作溫度條件對產品作靜力耐壓測試和動力測試。

    2)對抽取的樣品在不同頻率下、最大動力沖程情況下的最少三次循環試驗。三次循環中最大阻尼力允許在15％以內浮動。

    3)疲勞能力試驗。經過10000次以上脈動風(低速小位移)循環試驗，觀察密封系統是否漏油，用肉眼檢查密封系統是否由于疲勞磨損引起退化，裝置在第2個和第9999個周期的力一位移特征反應和阻尼器力學曲線的變化都應小于l5％。

    所有原型測試的結構都要滿足阻尼器的基本關系式(2)。

    4.2.3產品的出廠檢驗測試

    阻尼器的力學性能要符合阻尼器的技術參數要求。每個黏滯阻尼器都必須進行嚴格并有監督的出廠檢測試驗，使之滿足設計要求。檢驗內容應包括：

    1)外形測試。檢查阻尼器的外形尺寸和外觀，如有無漏油、油漆剝落、外殼損壞等；

    2)耐壓測試。阻尼器油缸和管道在設計阻尼力的1．5倍安全系數下，恒定受力1 h，不得有任何泄漏；

    3)總行程測試。阻尼器的總行程滿足設計值的要求；

    4)慢速位移最大阻尼力測試。使阻尼器往復慢速運動至少3個周期，記錄阻尼力和位移的關系。要求阻尼器不漏油，阻尼力不大于設計阻尼力的l0％；

    5)動力測試。按設計要求作一個完整的滯回過程，給出以下參數和曲線：a．阻尼力、行程和速度的時程曲線；b．行程和阻尼力的滯回曲線；c．不同沖程下的阻尼力和理論曲線的對比(要求在±15％的誤差范圍內)；d．在受拉和受壓情況下的最大阻尼力和最大行程。

    4.3熔斷阻尼器(Fuse Damper)

    熔斷阻尼器的試驗應該分兩部分。熔斷金屬片的測試；阻尼器的測試。熔斷金屬片的測試除了要測試它的受力大小符合設計以外，還要看它被安裝到阻尼器上以后是否可以按要求熔斷和考慮地震后的恢復。阻尼器本身的測試與普通液體黏滯阻尼器的測試相同。

    4.4限位阻尼(Limited Displacement Damper )

在限位阻尼器進入限位階段以前，它的工作原理和普通液體黏滯阻尼器一樣，測試的內容也應該和普通阻尼器一樣。限位部分，就是彈簧的工作原理，除了需要測試它的最大限位力和限位位移外，還要測試整個阻尼器整體的受力能力是否可以滿足設計要求。   

    大型橋梁的阻尼器采購，往往是在招標中完成。招標完成后的測試，很難得到有效的監察。因此，對產品預檢測和過去原型及產品出廠檢驗文件的審閱，就變的更加重要。

5、結論

    本文綜合介紹了5種不同的液體黏滯減振裝置：鎖定裝置、液體黏滯阻尼器、熔斷液體黏滯阻尼器、限位阻厄器和摩擦型液體阻尼器，介紹了它們的性能、計算公式、工程應用上的選用意見和應用前應該經過的嚴格測試檢驗。從目前我國已經安置或將要安置這種減振裝置的幾個橋梁工程的計算分析中，可以看出它們在抗風和抗震中的減振效果十分顯著有效。這是個值得推廣利用的成功的結構保護系統。

參考文獻

[1]段玉鳳。液體黏滯阻尼器的研究和試驗中國公路學會橋梁和結構工程分會2005年全國橋梁學術會議論文集。北京：人民交通出版社，2005

[2]Pre-qualification testing of viscous dampers for theGolden  GateBridgeseismic rehabilitation project . A report to  T.Y. Lin International, Inc. and the Golden Bridge District,  Report No  EERCL,  Earthquake Engineering Research Center, University of California at Berkeley. 1995

[3]Summary of evaluation findings for the testing of seismic isolation  and energy dissipating devices, CERF report.HighwayInnovativeTechnologyEvaluationCenter(HITEC) of A service Center of the Civil Engineering Research Foundation (CERF). 1999

[4]裴岷山、張喜剛、袁洪等。蘇通大橋主橋結構體系研究和特殊阻尼器設計中國公路學會橋梁和結構工程分會2006年全國橋梁學術會議論文集。北京人民交通出版社，2006

[5]中交公路規劃設計院。江陰長江公路大橋主橋阻尼器設計計算研究報告，2005

[6]陳永祁，杜義新。液體黏滯阻尼器在結構工程中的最新進展工程抗震與加固改造，2006

[7]王磊、劉寒冰、吳斌暄等。新型地震結構保護系統的大跨徑橋梁抗震分析。哈爾濱工業大學學報，2004

[8]盧桂臣，胡雷挺。西堠門大橋液體黏滯阻尼器參數分析。世界橋梁，2005， Section 32 Shock transmission units AASHTO LRFD bridgeconstruction specifications 2002 interim edition ASCE 7-05 Minimum design loads for buildings and otherstructures

(本文來源：陜西省土木建筑學會     文徑網絡：尹維維 編輯  文徑 審核)