钢管灌浆阻尼器在RSC双层排架墩中的抗震应用学习体会

一、文献概况与技术背景

本文发表于2024年《震灾防御技术》第19卷第2期，由防灾科技学院、北京工业大学及河北工业大学联合完成，依托国家自然科学基金及河北省重点研发计划资助。研究针对双层桥梁排架墩的地震损伤控制设计，提出了上层排架采用摇摆-自复位体系、下层排架不摇摆的差异化设计思路，并创新性地采用钢管灌浆阻尼器提升摇摆接缝处的耗能能力。从钢管制造与焊接工艺角度看，钢管灌浆阻尼器本质上是一种以钢管为外壳、内部灌注灌浆材料（通常为混凝土或特种砂浆）的复合耗能构件，其核心在于钢管与灌浆材料之间的界面结合性能、钢管本身的成型精度以及焊接连接质量，这些直接决定了阻尼器在地震循环荷载下的延性表现与疲劳寿命。

二、钢管灌浆阻尼器的材料与成型要点

钢管灌浆阻尼器的工作机理依赖于钢管在循环往复荷载下的塑性变形能力以及灌浆材料对钢管的约束效应。从材料选择角度，钢管通常采用Q345或Q390级低合金结构钢，其屈服强度与延伸率的匹配至关重要——屈服强度过低会导致过早进入塑性阶段而丧失承载力，过高则延性不足易发生脆性断裂。灌浆材料多为微膨胀混凝土或特种水泥基复合材料，其膨胀率需精确控制在0.02%~0.05%之间，以确保与钢管内壁形成紧密的过盈配合，避免界面脱粘。

三、焊接工艺与质量控制的关键考量

钢管灌浆阻尼器作为桥梁抗震的关键耗能构件，其焊接接头质量直接决定结构的安全性。阻尼器与排架墩主体的连接通常采用现场焊接，考虑到施工环境限制，多采用SMAW或FCAW工艺。从焊接冶金角度分析，Q345钢在SMAW焊接时，热影响区的晶粒粗化问题需通过预热温度（80~120℃）和层间温度控制（≤250℃）来抑制。更重要的是，灌浆完成后钢管内部存在灌浆材料与钢管内壁的界面，焊接热输入若过大可能导致灌浆材料开裂或界面脱粘，因此焊接热输入应控制在1.5~2.5 kJ/mm范围内。

在无损检测方面，阻尼器焊接接头应采用UT或PAUT检测，特别是角焊缝的根部未熔合和内部气孔缺陷是重点关注对象。考虑到阻尼器在地震中承受反复塑性变形，焊接残余应力会在循环荷载下加速疲劳裂纹萌生，建议对关键焊缝实施焊后消氢处理（250~300℃保温2h），必要时进行局部退火以消除残余应力。

四、增量动力分析结果的工程解读

文献通过增量动力分析方法，选取7条近断层地震动记录，揭示了钢管灌浆阻尼器在不同PGA水平下的响应特征。当PGA为0.1g时，钢管灌浆阻尼器开始屈服耗能，这一阈值与钢管材料的屈服强度及灌浆材料的约束效应密切相关。当PGA提升至0.4g时，钢管灌浆阻尼器最大变形达到名义极限变形的53.44%，无粘结预应力筋最大应力为名义屈服强度的59.60%，表明结构处于可控的弹塑性阶段。当PGA达到0.8g时，钢管灌浆阻尼器接近拉断，预应力筋最大应力为名义屈服强度的84.78%，结构进入极限状态。

从钢管制造质量控制角度思考，钢管灌浆阻尼器在PGA 0.8g工况下接近拉断这一现象提示，钢管的延伸率指标（通常要求≥21%）在实际地震作用中可能被充分利用。这要求钢管生产企业在保证力学性能的同时，特别关注延伸率和断面收缩率的稳定性，避免因轧制工艺波动导致延伸率偏低，从而在地震中提前发生断裂。

五、与耗能角钢的对比启示

文献指出，与耗能角钢相比，钢管灌浆阻尼器变形及耗能能力更强，在强震作用下更不易发生拉断破坏。这一结论从材料力学角度可以理解：角钢为实心截面，塑性变形能力受截面几何形状限制，而钢管灌浆阻尼器为圆管空心截面，具有更均匀的应力分布和更大的塑性变形潜力。从制造工艺角度，钢管灌浆阻尼器的钢管部分可采用冷拔或热轧无缝钢管，其壁厚均匀性和组织致密性优于热轧角钢，这为更高的延性储备提供了材料基础。

六、学习心得与工程建议

本文的研究为桥梁抗震设计提供了新的技术路径，钢管灌浆阻尼器作为一种被动耗能装置，其性能优劣与钢管制造质量、焊接工艺水平和灌浆材料性能紧密相关。在实际工程应用中，建议：第一，钢管灌浆阻尼器的钢管应优先选用无缝钢管，壁厚均匀性偏差控制在5%以内；第二，焊接工艺必须进行严格的工艺评定，特别是现场焊接条件需模拟实际施工环境；第三，灌浆材料应进行配合比优化试验，确保膨胀率与钢管内壁的过盈配合；第四，成品钢管灌浆阻尼器应进行低周往复加载试验，验证其滞回性能与耗能能力。钢管灌浆阻尼器技术的推广应用，对提升我国桥梁抗震设防水平具有重要意义，也为我们钢管制造企业拓展高端应用领域提供了方向。