跨长江大桥粘滞阻尼器应用现状和情况介绍

北京奇太振控科技发展有限公司

[摘要]  我国已经在世界著名的长江上安置了26座长江大桥，其中下游有18座特大斜拉桥和悬索桥。跨长江大桥一般跨度大，车流量较大，由此引起粘滞阻尼器相对振幅和振动频率较大。本文对跨长江大桥阻尼器的技术特点和性能要求进行了介绍，并指出了目前一些厂家在设计和制造阻尼器中普遍存在的问题。文中对泰勒公司的第三代阻尼器的技术特点笔者曾多次进行过介绍，本文在此基础上再进行汇总，并将近几年的认知和阻尼器的发展情况进行介绍，以便相关技术人员能够认清和分辨阻尼器质量。

[关键词] 液体黏滞阻尼器; 硅胶; 阀门; 储油器; 射流型阻尼器;

1          跨长江大桥液体粘滞阻尼器应用现状

长江大桥，严格意义上指宜宾岷江口以下长江段上的桥梁，但通常也泛指长江干流上的所有桥梁。近代跨长江大桥多采用悬索桥和斜拉桥，目前在建、设计中以及一些加固桥梁工程均考虑安置阻尼器，用于桥梁抗震抗风并减少车辆带了振动。

根据统计，目前安置阻尼器的跨长江大桥大致如下表所示，其中非泰勒供货的项目阻尼器出力大多在2500kN以下。

表1 跨长江大桥阻尼器应用现状

目前几个长江大桥安装阻尼器工程现状：1）忠县长江大桥，如图1所示，2008年安装Jarret-structure公司生产的阻尼器，安装未完成，Jarret-structure公司破产，安装未完成。2）武汉天兴洲大桥，Alga公司完成塔梁大阻尼器制造安装。笔者拿到了该阻尼器的一个测试报告，测试结果与设计要求严重不符。Alga生产的其它阻尼器的测试报告怎么样，南京四桥漏油阻尼器的测试报告怎么样。3）湖北荆岳长江大桥，2008年Jarretstructure中价中标。这时该公司已经因在美国加州建筑工程阻尼器使用前的预检测时大量破坏（30多个），而公司破产，我们提出证据没人理会。3）武汉阳逻大桥，阻尼器由美国Enidine（Jarretstructure前身）安装，同期该阻尼器安装在发生破坏的忠县大桥。4）南京三桥塔梁阻尼器，南京三桥上安置了对大桥抗震不利的金属阻尼器，地震来了会怎么样？

一些阻尼器在出厂测试不能满足设计要求的情况下仍然被安装到桥梁上，一些处于服役期的阻尼器正处于漏油或破损状态，可以说这些问题阻尼器根本不能起到减震作用。在我国桥梁阻尼器出现漏油的现象较为普遍，呈常态化趋势。

图1 重庆忠县大桥阻尼器

国际上由于阻尼器破坏等质量问题而最终导致生产厂家破产的案例层出不穷，如表2所示：

表2 国际已破产阻尼器厂家列表

基于目前阻尼器行业的混乱局面，我们有足够的理由怀疑目前正在运行的近20个长江大桥阻尼器的工作状态。一些桥梁项目采用了进口劣质阻尼器，但实际上该国外厂家因质量问题已经经历过破产过并进行过重组，但最终供货的产品并没有任何改进，其产品是否经过有关测试单位的验证仍是未知数。

表3为武汉天兴洲大桥阻尼器的测试结果汇总情况，其产品实际性能与理论值相差甚远，其他厂家的测试结果应该也不容乐观。

表3天兴洲阻尼器测试报告

2          泰勒公司第三代阻尼器与国内外其他品牌产品对比

泰勒公司生产的阻尼器为第三代产品，所采用的小孔射流技术是在上世纪80年代发明并开始大量使用的，阻尼器介质通过活塞头上特制的小孔获得所需要的参数。这种新技术使阻尼器得到世界工程师的广泛认同，并能安全稳定地工作几十年。也就带来了今天阻尼器的大发展。

泰勒阻尼器也大量被用于跨长江大桥，图2为2008年安装的鄂东长江大桥液体粘滞阻尼器（2008-2017.3.6），在经近十年的振动环境下阻尼器仍正常运行：

图2鄂东长江大桥液体粘滞阻尼器（2008-2017.3.6）

相对于其他厂家阻尼器，泰勒第三代阻尼器有非常显著的特点和优势，具体内容如下：

表4  泰勒公司第三代阻尼器对比分析

3          阻尼器质量保证和必经的检测

粘滞阻尼器的动力性能测试在其发展过程中占有很重要的地位。粘滞阻尼器从原材料开始到投入工程使用的每一个环节，所有关系到阻尼器质量的测试都相互关联，深入到每个环节。

严格的测试是对阻尼器质量最好的保障，泰勒公司生产的阻尼器所经过的五种测试：

1）测试是从材料开始，原材料的进场再测试；

2）零部件的测试、半成品组件测试；

3）零部件组装完成后，每个阻尼器产品都要经过规范要求的严格的出厂测试。这些测试不仅是参数的调整过程，也是阻尼器能很好工作的一个保证。

4）通过由权威结构组织的第三方检测，获得产品准入资质或特定项目的质量认可。泰勒阻尼器参与过多次第三方测试，如金门大桥工程的对比检验、美国高速公路创新技术评估中心HITEC 对比试验、圣地亚哥测试、日本建设厅测试、广州大学抗震试验室测试以及按欧洲规程执行的产品认证测试。

5）阻尼器在安置运行一个阶段后的耐久性测试，测试周期可在安置3、5、10年后，如伦敦千禧桥在阻尼器运行10后进行的现场检测及抽样返厂测试。

4          判断阻尼器质量的几项测试

那么，一个用于实际工程的阻尼器真是需要通过什么测试来检验其质量呢，笔者认为真正需要有的判断标准应该是：通过检验验证阻尼器在各种环境下的不漏油；对包括检验阻尼器参数在内的全面测试；长期耐久地工作。

下文给出了几项测试，对于判断阻尼器耐久性和产品性能起到极为重要的作用。

4.1    全项测试

阻尼器全项测试是初步判断阻尼器性能的基本要求。表4为苏通桥阻尼器进行的全项测试，其中包括内压测试、本构关系等这类所有阻尼器均需要完成的出厂检测，以及频率测试温度相关性等需抽样检查的型式检验。

表5 苏通阻尼器全部测试工况

4.2    阻尼器的耐久性检测

设计人员关心的是：在长期时间振动下阻尼器的动力性能如何？在阻尼器安装在结构上若干年(5年、10年、30年或更长)后，如发生地震时阻尼器是否能够正常工作？因此必须通过这项测算验证阻尼器的耐久性能。高周疲劳测试的目的在于：1）观察在高周循环过程中阻尼器动力性能衰减情况；2）观察在长期使用后如遇地震阻尼器的工作情况。一般测试风荷载作用下阻尼器测试2000圈以上（±5mm,速度2mm/sec），我国桥梁用阻尼器很多都经过1万、5万、10万至15万次的长期往复测试。泰勒公司所完成并通过的台湾高铁3900kN的一百万次疲劳测试，该项测试很好的检验了阻尼器真实性能。

4.3    内压的重要性和测试

在最近阻尼器技术的讨论中，国内有的阻尼器厂家质疑阻尼器能否作到不漏油，在这些厂家看来，阻尼器油缸漏油是必然允许的。目前我国工程用的液体黏滞阻尼器存在有少量渗漏或大量渗漏的情况。实际上这种阻尼器经过2~3年的微小渗漏过程，阻尼器就会完全失去作用，阻尼器根本达不到设计要求，当安装了漏油阻尼器的结构遇到地震时就完全可能起不到对结构的保护作用。这更应引起我们的重点关注。当漏油达到总油量的十分之一时，该阻尼器就完全起不到抗震作用了。

判断阻尼器是否发生渗油的情况，一是通过简单的物理判断就可以得到结论的，性能良好的阻尼器是完全干密封的，可通过擦拭阻尼器活塞进出处的表面判断是否有油渗出；二是通过内压测试进一步判断。内压测试不但可在出厂前进进行，而且也可在工程现场进行检测。

预载压力能使阻尼器在地震来临时马上工作，也是阻尼器能全面通过各项检测的前提。更重要的是设定阻尼器的预加内压是保证阻尼器不漏油并随时检查它是否漏油的关键技术。阻尼器都有很高（三倍以上工作内压）的预加压力，图3为准备出厂的阻尼器进行的内压测试。目前我国桥梁用黏滞流体阻尼器规程JTT 926—2014中明确提出了阻尼器内压测试，要求黏滞流体阻尼器在1.5倍设计最大压强(P_max)下，持荷120s，不应出现泄漏、部件损坏等现象。

图3 阻尼器静压测试

图4 桥梁规范阻尼器耐压性能试验示意图

通过内压检查阻尼器工作状态，可用于阻尼器中期和长期测试，也可初步判断产品问题。杭州湾东大桥进行过安置三年后的内压检测，安置了近五年的北京环线桥梁——阜成门桥阻尼器进行内压测试。

图5杭州东大桥进行的内压测试

4.4    十年后的全面检测

英国伦敦千禧桥上在解决行人带来的严重晃动时安置了37个阻尼器减振。安置了十年后，大桥进行了阻尼器检查，除现场观测了所有阻尼器的工作情况外，还拆下三个回厂做了检测，测试结果与出厂时的性能没有差别。这一长期检测合格是阻尼器的工作保证；

图6 千禧桥阻尼器10年运行后的检测及测试报告

5          桥梁粘滞阻尼器应用中的问题讨论

5.1    大出力阻尼器的采用

近期桥梁工程粘滞阻尼器应用的一大变化是阻尼器单体阻尼出力较大，阻尼力通常达到4000kN以上。这种大吨位阻尼器是在生产企业和测试设备不断发展完善的基础上出现的。相对于小吨位阻尼器而言，这种大吨位阻尼器需安装的个数少，安装过程进一步简单方便，特别适宜铁路公路荷载大的特点。下表给出了最近几年泰勒公司供货的4000kN以上阻尼器工程案例，供参考：

表6 泰勒公司4000kN以上的桥梁阻尼器工程

5.2    桥梁阻尼器的初始力

为控制日常车辆荷载、减小悬索桥的晃动提高车辆的舒适度，在近期的几次桥梁阻尼器招标中，设计人员提出了在传统桥梁阻尼器外加设初始力的想法，并希望装置达到如下性能：

1）   具有初始力或要求在慢速下具有一定的初始力值。

2）   采用极小的速度指数（如0.1速度指数），利用这种极小的速度指数接近于摩擦阻尼器有较大的初始力求静摩擦。

3）   设计较大的阻尼摩阻力。

4）   直接采用在建筑上使用的塑弹性阻尼器。

这些方案与阻尼器基本的设计理念相违背的，这一初始力并没有考虑到桥梁的温度等可能变形所产生的阻尼力，这些初始力对桥梁可能是十分有害的。

阻尼器额外功能的提升要使用得当，并能够说明它们的各自合理的用处。在阻尼器中设置初始力应该说只有通过外加机械的办法实现，如加金属熔断片、刚体部分。这种外加力在有温度变形上就会发生，如果桥梁的两端都加上这种附加力，它对桥梁上显然会出现一个没有必要产生的外加力，如悬索桥中采用的阻尼器如果初始力过大，往往会加快阻尼器的磨损破坏，这种情况应引起重视。

桥梁结构特别是大跨度桥梁，本身有很大的温度变形，特别是在炎热的夏天大跨度桥梁的温度变形高达几十公分甚至一米以上。对这种变形通常采用释放的办法，而不能进行约束限制，从而避免桥梁产生很大的温度应力。因此，对于绝大多数的桥梁减震设计，在选用抗震抗风阻尼器时均必须考虑这一温度受力。当然，在最为理想的状态下，温度变形过程中基本不受力的液体粘滞阻尼器是最好的选择设计。对于普通内置液体的粘滞液体的阻尼器，在温度的变形速度很低时，桥体温度应力可以完全释放，阻尼器基本不受力。当然，阻尼器的内摩擦和必要的密封装置，也会使阻尼器产生很小的初始应力。

可以说，如果阻尼器初始力的设置不当，不但使桥梁结构的周期改变，也使桥体承受额外的附加受力，对结构带来潜在的有害影响。

5.3    超大悬索桥用创新阻尼器及测试

对于超大悬索桥，车辆荷载会随着车辆荷载的加大，振幅会达到±300~500mm，频次达到每小时30-70次。如此巨大的振动引起工作几年后的悬索桥阻尼器普通出现漏油。其中很大一个原因是设计不合理，对车辆引起的桥梁晃动的情况通常不作计算分析，一些悬索桥阻尼器在投标中仅按普通抗震阻尼器进行投标，导致抗震阻尼器过热和磨损过大破坏。

最近，在经过长期研究后，对悬索桥用阻尼器的研发获得了突破。一方面，如果在设计过程考虑阻尼器日常运行下的微小振动，则可考虑采用大功率阻尼器，如无摩擦金属密封阻尼器（Hermitic ViscousDampers）；此外，可考虑将这种微幅振动过滤，即小位移释放装置（LostMotion Device），这种阻尼器能释放装置两端所产生的较小位移，并且活塞杆与密封系统不产生相对位移，而只有当较大振幅运动时才提供阻尼。一般可将普通阻尼器的延长部件替换为小位移释放部件，来达到预期效果。这种阻尼器的示意图和测试曲线如下图所示：

图7 小位移释放装置示意图及测试曲线

5.4    新型分阶段带泄压阀的阻尼器

天兴洲公铁两用大桥中将控制刹车的磁流变阻尼器和控制地震的阻尼器简单并联使用，实现对桥梁在日常运行、风振、车辆等荷载的控制；韩家沱桥则采用了一种特殊的带熔断锁定装置，其对控制车辆运行荷载有更好的振控效果，根据锁定装置两端的相对速度大小启动，将其连接两端相对位移锁定，改变桥梁的传力路径。而在强烈地震工况下，他可以自动将其保险丝脱落，使锁定装置退出工作，以免破坏。

最近，在为大桥院设计的某长江大桥振动问题中，泰勒公司改进了原设计，在借鉴新西兰工程案例的基础上，设计了一种新型带有特殊泄压阀的锁定装置。该装置实现了对车辆等日常作用下的小荷载以及地震作用下的大吨位载荷双重控制的目标：对日常荷载采用控制效果最好的锁定装置的参数设计；当大地震发生时，装置将打开泄压阀而将转变为普通黏滞阻尼器，装置将按阻尼器进行耗能。在地震结束后，泄压阀重新关闭，装置仍可以起到锁定装置的作用。

在设定的速度以内，装置表现为具有刚度的锁定装置；而在速度较大时，泄流阀开启，装置进入普通阻尼器工作模式。此外，需要指出的是，这种产品在温度变形等低速下仍然可以自由变形，这和普通锁定装置、普通阻尼器相同。该阻尼器设计将大大降低产品的价格，完全可以实现该桥阻尼器设计的各种目标。下图是为某带阀门阻尼器出力与速度关系曲线：

图8 低速锁定阻尼器的工作曲线

[1]      阶段一：可以有效释放主梁在温度、平均风等荷载引起纵向缓慢移动时的位移，阻尼器不产生阻尼力，装置不会因温度变形对主梁产生阻力；

[2]      阶段二：日常运营过程中，对于风振、车辆荷载等日常作用的小载荷装置可按照锁定装置进行工作。有效抑制这些频次较高的振动对主体结构的振动和冲击；可提供动态刚度可有效补充和提高主梁的纵向刚度，达到设计所要求的性能。

[3]      阶段三：当大地震发生时，装置将打开泄压阀，而将转变为普通黏滞阻尼器，装置将按阻尼器进行耗能。在地震结束后，泄压阀重新关闭，装置仍可以起到锁定装置的作用。装置参数完全按照设计要求进行加工制造，保证装置在地震等的动力激励作用下时阻尼器具有阻尼耗能作用，有效保证桥梁主体结构安全并控制结构位移反应。

下图为泰勒公司为某工程设计的2250kN锁定-带泄压阀-阻尼器

图9  2250kN锁定-带泄压阀-阻尼器

6          建议

我国耗能减震技术的推广发展至今已经有近二十年的历程。在巨大的市场需求以及产品空缺的情况下，不少地方企业仓促上马，在缺乏市场监管、忽视产品质量以及低价中标的情况下，在几年内有多个产品进入市场，这对整个行业以及工程安全都带来了极大隐患。应该指出，这段时间的国内阻尼器行业的飞速发展，目前已经暴露出很严重的问题，甚至错误，这不仅严重影响阻尼器行业的发展，甚至影响我们抗震抗风等自然灾害的结构安全。

跨长江大桥的重要性不言而喻，对于粘滞阻尼器的安置无论设计者、总承包人以及业主都应高度关注；特别是在进行招投标环节，为了避免超低价的恶性竞争，建议招标人设立投标最高和最低限价，并建立标书的质量评估体系，根据投标人业绩、产品的技术特点和生产经历选择符合设计要求的中招人，保证大桥运营安全。

我国在长江沿岸安装了大型阻尼器的桥梁近26座，众所周知，我国这个领域是个乱象丛生的领域，从开始在长江上建设大型阻尼器桥梁至今已经快20年了，我们呼吁联合测试也已经快20年，现在到了该彻底清算的时候，本文建议：

1)       说有个清算的时刻，首先应对现有大桥上已经安装的阻尼器进行清算，先做个统计调查，看看是否都做过阻尼器的正确计算。

2)       核实已安置的阻尼器是否做过哪怕起码的出厂测试。

3)       现场观测核实是否漏油。

4)       抽验阻尼器，对于重要的桥梁、超级工程、上市公司的产品都应该选出几个抽检，其中包括回厂抽检。

5)       对有内压的阻尼器，抽样进行内压检测，对没有内压的阻尼器，观察是否漏油，判断阻尼器是否还能工作。

7          参考文献

[1]      桥梁用黏滞流体阻尼器：JT/T926—2014[S].北京: 中华人民共和国交通运输部, 2014.

[2]       陈永祁.桥梁工程液体黏滞阻尼器设计与施工[M].北京：中国铁道出版社,2012.

[3]       陈永祁.黏滞阻尼器在应用中的问题讨论[J]. 建筑结构·减震技术通讯, 2015年12月.

[4]       陈永祁.浅谈5.19世界高层都市建筑学会(CTBUH)阻尼技术研讨会[J]. 建筑结构·减震技术通讯, 2015年12月.