填充式钢管阻尼器性能及在桥梁横向减震中的应用学习体会

文献概况

本文由北京工业大学赵玉坤等作者发表于2019年《中国公路学报》第32卷第9期，研发了一种填充式钢管阻尼器，用于提高中小跨径桥梁的横向减震能力。研究通过拟静力试验研究阻尼器的滞回性能和失效模式，并以一座简支小箱梁桥为例进行了非线性时程分析。结果表明填充式钢管阻尼器耗能和变形能力远大于钢筋混凝土挡块，附加阻尼器后墩梁相对位移明显减小，且不会对桥墩和桩基产生不利影响。

核心观点解读

工程问题的本质

中小跨径桥梁采用板式橡胶支座时，横桥向地震作用下墩梁相对位移偏大，主梁易与挡块碰撞甚至落梁。传统钢筋混凝土挡块耗能能力有限，且碰撞后易产生不可恢复损伤。填充式钢管阻尼器通过钢管的塑性变形耗散地震能量，提供了一种可重复使用、耗能可控的解决方案。

工作机理分析

填充式钢管阻尼器的工作机理可概括为：地震作用下，板式橡胶支座传递竖向荷载并提供横向位移能力，填充式钢管阻尼器通过管壁的屈曲和塑性变形耗散部分输入地震能量，从而限制主梁的侧向位移。这一机理的核心在于钢管材料的塑性本构行为和几何稳定性的精确控制。

钢管阻尼器的关键技术参数

钢管选型与填充材料

滞回性能与耗能能力

拟静力试验结果表明，填充式钢管阻尼器具有稳定的滞回环和良好的耗能能力。从焊接工艺角度，阻尼器钢管的焊接质量直接影响其耗能性能的一致性。焊缝区域的强度若高于母材，可能导致变形集中于焊缝附近，形成局部颈缩甚至断裂，降低阻尼器的延性和耗能能力。

焊接工艺与制造质量控制

焊接工艺选择

填充式钢管阻尼器的焊接主要涉及钢管端部与连接板的对接焊或角焊缝。考虑到阻尼器需要承受反复塑性变形，焊接工艺选择应遵循以下原则：

1. 避免脆性组织：采用低氢型焊材（如E5016或E7018），焊前预热（100~150℃），焊后缓冷，防止热影响区出现淬硬组织。
2. 控制焊接变形：采用对称焊接顺序或分段退焊法，减少焊接残余变形对阻尼器初始几何形状的影响。
3. 焊缝余高处理：焊缝余高应打磨至与母材齐平，避免应力集中。

填充工艺的质量控制

填充材料的密实度对阻尼器性能有重要影响。若填充不密实，钢管在屈曲过程中填充材料可能产生空洞，导致约束不均匀，加速局部破坏。建议采用振动密实或注浆密实工艺，并通过超声检测验证填充密实度。

工程应用分析

参数选取过程

以简支小箱梁桥为例，阻尼器主要参数的选取需考虑以下因素：

• 预期变形量：根据地震动输入和结构动力特性确定最大墩梁相对位移，阻尼器的变形能力应覆盖该位移值并留有余量。
• 耗能需求：根据结构总输入能量和阻尼器承担比例确定阻尼器数量和规格。
• 安装空间：考虑桥梁横向空间限制，确定阻尼器的尺寸和布置方式。

对桥墩和桩基的影响

时程分析结果表明，附加阻尼器后墩顶位移和墩底内力变化不大，说明阻尼器有效隔离了地震能量向桥墩和桩基的传递。从钢管焊接角度，这意味着阻尼器的设计成功实现了"以管代墩"的耗能理念——将塑性变形集中在可控的钢管阻尼器中，保护了桥墩和桩基等关键结构构件。

关键疑问与延伸思考

填充式钢管阻尼器的一个潜在问题是疲劳性能。地震作用下阻尼器经历塑性变形后，其承载能力和耗能能力可能退化。对于多震区桥梁，阻尼器的可更换性和重复使用性需要进一步研究。从钢管焊接角度，反复塑性变形后焊缝区域的损伤累积规律值得深入探讨。

此外，填充式钢管阻尼器在低温环境下的性能也需要关注。碳素结构钢在低温下可能发生韧脆转变，焊接热影响区的脆性倾向更加显著。对于寒冷地区桥梁，建议采用低温韧性较好的钢材（如Q345D或Q390D），并对焊缝进行低温冲击试验验证。

学习总结

本文提出的填充式钢管阻尼器是一种创新性的桥梁横向减震装置，其核心优势在于利用钢管的塑性变形实现高效耗能，同时保护桥墩和桩基免受地震损伤。从钢管制造与焊接技术角度，阻尼器的性能一致性高度依赖于焊接质量和填充密实度的严格控制。建议在实际工程中建立完善的焊接工艺评定体系和填充质量检测流程，确保每个阻尼器都能在设计工况下可靠工作。该研究成果为中小跨径桥梁的抗震 retrofitting 提供了一条经济有效的技术路径，值得在更多工程实践中推广应用。