马鞍山长江大桥粘滞阻尼器出力测试和病害分析

马鞍山长江大桥粘滞阻尼器出力测试和病害分析

作者：熊祖琨

安徽交控集团资源公司

摘要：本文从马鞍山长江大桥阻尼器加劲板焊缝开裂病害出发，介绍了大桥阻尼器概况和出力检测的方法，通过对阻尼器的测试内容和过程进行分析，对病害产生原因进行进行了讨论，并提出了养护建议。

关键词：粘滞阻尼器；出力测试；疲劳破坏

一、前言

马鞍山长江公路大桥（以下简称马桥）左汊悬索桥全长2160m，为2*1080m三塔两跨悬索桥，悬索桥主梁与中塔采用固结方式，与南塔、北塔采用粘滞阻尼器进行纵向约束，全桥共计安装4套。大桥在2013年通车运营，通车7年来，发现大桥4座阻尼器双耳环底座与钢箱梁连接处均存在不同程度的损伤，经观测后发现阻尼器垫板与钢箱梁内加劲板、底板连接部位存在多处焊缝开裂与母材撕裂情况，如图1所示。阻尼器工作的异常造成了结构的损伤，降低了桥梁结构的抗震性能，不利于桥梁的安全运营。

图1：阻尼器病害照片及分布示意图

养管中心委托中铁桥研科技公司对马桥悬索桥阻尼器进行了现场出力检测，检测分析，阻尼器在测试期间受到车辆振动、风致振动等外部荷载作用下出力值在正负600k范围内，统计器出力循环次数可知，位于400kN范围内的阻尼力冲击较为明显，其焊缝开裂位置应力较为集中。根据疲劳分析，箱梁内部加劲肋焊缝位置处及梁底板焊缝，不能满足400kN作用力下的疲劳荷载，从而发生疲劳破坏。

二、马桥阻尼器概述

（一）阻尼器简介

粘滞阻尼器能够为桥梁结构提供附加阻尼，快速高效地耗散结构的振动能量，减小结构的振动反应。可缓解地震对桥梁结构造成的冲击和破坏，提高桥梁结构的抗震性能。活塞将缸体一分为二，当活塞与缸筒之间发生相对运动时，由于两个分隔腔体的压力差迫使粘滞流体从小孔或间隙中迅速流动。粘滞流体在通过活塞孔时产生巨大的节流阻尼，流动中产生的阻尼力，将地震动能通过活塞在阻尼介质中的往复运动转化为热量耗散掉，使活塞运动速度逐渐降低，达到阻尼耗能的目的。其工作原理如下图所示：

图2：阻尼器工作原理示意图

（二）马桥悬索桥阻尼器基本信息

马桥悬索桥阻尼器主要由耳环座、高强耐压缸筒、活塞杆、活塞及阻尼孔和阻尼介质等组成。主要阻尼器参数如下：最大阻尼力：±2300kN，最大行程+880mm/-1040mm，阻尼指数：α=0.3；阻尼系数：C=2500kN/(m/s)0.3，其输出阻尼力F与运动速度V满足F=CVα的关系。

三、阻尼器出力测试

（一）测试原理

通过测试时温度变化引起的梁体伸缩带动阻尼器位移的变化趋势，结合阻尼器上设置的电阻应变传感器进行反馈，通过测试截面应力值的变化反馈阻尼器的出力情况。

（二）测试验证

首先通过验证应变计测试方式的准确性，将现场所使用的应变计采用同样的排布方式，测试参数已知的阻尼器，将应变计测得数值计算为阻尼力后，与试验出力的示数进行验证，应变计测试数据出力与作动器出力基本一致。如图3所示：

图3：阻尼器出力测试图

（三）测试方法

每组阻尼器各设置一个应变测试截面用于监控阻尼力的变化，每个截面安装4个电阻应变传感器，对两台阻尼器同时进行检测，其中一台销轴不安装，做环境对照组，用以消除环境对电阻应变计带来的不利影响，同一测试期内共计8个测点共同作用，通过测试截面应力值的变化反馈阻尼器的出力情况。温度传感器、位移传感器作为对照测试组，用于对照环境对设备及其应变传感器的影响。

图4：阻尼器出力测试传感器布设示意图

（四）测试结果

以北塔阻尼器测试为例，通过测试时间段内下游阻尼器的位移变化和及连接筒的应力变化值，对与其对称布置的补偿组上游阻尼器的检测数据进行对比分析。

首先采集该测试时段下游阻尼器表面温度，如图5：

图5：北塔下游阻尼器温度采集变化趋势图

随着温度的变化，导致主梁的伸缩，进一步带动阻尼器的位移的变化，阻尼器表面记录的位移数值如图6所示，可明显反映出阻尼器位移与温度变化呈负相关。

图6：北塔下游阻尼器位移采集变化趋势图

同时提取该时间段内的下游阻尼器表面的应变值变化趋势，如图7所示，应变值的变化趋势与温度变化趋势呈现负相关。

图7：北塔下游阻尼器应变采集变化趋势图

同时段测得北塔上游阻尼器（补偿组）应变值变化趋势，如图8所示，观察可知上下趋势基本相同。

图8：北塔上游（补偿组）阻尼器应变采集变化趋势图

下游阻尼器表面的应变值与上游阻尼器表面的应变值作差即可将环境所带来的相关误差消除，阻尼器真实应变值测试结果如图9所示：

图9：北塔下游阻尼器实际应变采集变化趋势图

（五）测试结论

经过对马鞍山长江大桥4台阻尼器的测试，阻尼力在车振、风振及其他环境导致的振动过程中，根据现场数据采集分析，阻尼器的出力值均值约为400kN，在偶发情况下阻尼力突变至600kN以上。由于测试时间段并不是完全相同，并不可进行横向的对比，可将所统计的次数所占时间的比值进行对比，如图10所示。其反映的处理次数统计也基本与现场实际病害严重程度吻合。

图10：各阻尼器出力范围及统计次数图

四、病害原因分析

依据竣工资料及现场实际情况，对阻尼器连接支座及相关梁底内部加劲肋等部件进行建模分析计算，选择最大加载力600kN对支座耳板处施加不同方向的载荷，计算该连接部件处的实际应力值。

图11：应力云图

从应力云图中知，两侧梁内加劲肋应力集中主要存在于两颗螺栓之间，左侧加劲肋受压，最大应力值为17MPa，右侧加劲肋受拉。最大应力值为32MPa。梁底支座垫板焊接部位应力值，左侧最大应力值约为42.4Mpa，右侧为32MPa。均未超过材料屈服强度，因此考虑疲劳破坏。

根据计算拉力作用下，最薄弱环节出现在右侧加劲肋边线位置处，选择其中1000s进行计算约为22次左右交变应力幅。在结构使用寿命期间，正应力幅疲劳强度应该满足∆σ<γt[∆σL]1×108要求。

上述γt板厚修正系数，由于梁底垫板板厚为32mm，γt=(25/t)0.25=0.94；根据连接类别形式，[∆σL]1×108=29Mpa。因此梁底垫板左右边线位置处应该按照∆σ=27.26Mpa进行校核。

当输出0kN及350kN时，计算校核梁内加劲肋右侧边线位置处的疲劳问题。该处的拉应力值为29.3MPa＞∆σ=27.26Mpa，疲劳计算不满足要求。

五、养护建议

目前，马桥阻尼器加劲板维修加固和阻尼器动力性能鉴定等工作已启动，在桥梁阻尼器日常养护中，应定期对阻尼器进行正常检查和维护。包括外观检查，保护措施是否到位，有无卡死现象，表面是否有明显的划痕，有无漏油等检查，发生强烈地震、遭遇强风等情况应及时检查。必要时按有关规定对阻尼器进行性能测试，以确保阻尼器正常工作，提高桥梁结构抗震能力。

参考文献：

[1]《桥梁用黏滞流体阻尼器》（JTT926-2014）

[2]《马鞍山长江大桥阻尼器维护与保养手册》

[3]马良喆/陈永祁 对液体粘滞阻尼器动力性能及测试要求的研究及探讨

[4]马良喆/陈永祁 江阴长江大桥用液体粘滞阻尼器的测试鉴定和结果初分析