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铁路桥梁减震设计与应用 精选

已有 8644 次阅读 2018-5-9 10:13 |系统分类:科研笔记

本书即将出版

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作为中国经济高速发展的一张名片,高速铁路已经成为我国国力和科技发展的重要标志。随着高速铁路建设的快速发展,采用阻尼器对高速铁路桥梁进行减震控制正成为一项重要的工程技术手段。一方面,阻尼器减震技术对铁路桥梁地震作用下的位移、受力控制作用显著,由于阻尼器的应用,从根本上已经提高和改善了铁路桥梁的抗震能力,可以说这是铁路桥梁建设史上的一次重大飞跃;另一方面,阻尼器极大地减轻了桥梁在高铁运行过程中的受到的冲击作用,提高了铁路桥梁的整体耐久性和桥梁附属结构的使用寿命。当前,如何把我国这项技术提高到世界最先进的技术水平上并有效地广泛应用于铁路工程领域,是我们铁路工程建设者们应该给予重视和解决的问题。

位于美国纽约州布法罗城的泰勒公司是世界上专业生产阻尼器的佼佼者。从1955年成立以来,公司就引领了美国吸能减震领域的先进技术,为航天飞机、航天飞船(如阿波罗号登月飞船)、导弹、大炮、枪弹等军工产品设计并生产了减震装置。泰勒公司在世界上也首次成功地把其先进的液体黏滞阻尼器应用到工程中,如在美国、加拿大、英国、日本等国家均有成功的工程案例。1998年,泰勒阻尼器进入中国市场,并成功应用于北京站加固工程中,随后又陆陆续续安置在一些国家重点工程中,如苏通大桥、北京银泰中心等。

泰勒公司有非常不同的经营理念。公司将撰写的论文和试验报告完整地公开于门户网站上,供工程技术人员、在校师生下载参考。论文内容主要包括产品特色、产品内部的基本构造,以及产品在加工制造过程中的细节处理,如:采用性能稳定的二甲基硅油,而不采用温度稳定性差的胶泥作为介质;采用小孔射流技术代替性能不稳定的阀门产品;提示阻尼器需要足够的功率来消耗所产生的热量,从而避免漏油。其中,泰勒阻尼器的几张小孔激流图片甚至成为了结构工程研究生教材的范本。

泰勒公司凭借着技术优势,获得了国际工程界的认可。2015519日,在世界高层都市建筑学会(CTBUH)召开的阻尼专家组会议上,泰勒公司成为唯一被邀请的减震装置厂家代表,并被委托撰写学会专题论文,以及提供北京银泰中心、北京盘古大观、天津国际贸易中心、武汉保利大厦、重庆朝天门工程等多个座超高层建筑的案例研究。

1998年以来,随着泰勒公司进入中国市场,我国阻尼器行业也获得了极大的发展,目前我国已经发布了《桥梁用黏滞流体阻尼器》(JT/T 926)、《建筑消能减震技术规范》(JGJ 297)两项行业标准。如果阻尼器完全按照行业标准进行认真严格测试(特别是《桥梁用黏滞流体阻尼器》中阻尼器的内压测试),那么阻尼器的质量应该是可以得到保证的。作为承担铁路桥梁重要保护作用的阻尼器,其重要性不言而喻,必须有经得起时间考验的、严格的产品质量判别标准。笔者认为,从应用和耐久性等方面来看,适用于铁路桥梁的阻尼器应具有如下几点特征

其一,参数可以准确定量。铁路桥梁上经优化并准确定量计算得到的阻尼器参数,必须在真实环境(即各种复杂条件)下都能满足理论计算所用到的本构关系。参数中所要求的速度指数在0.22.0之间,是由设计者优化结果指定的速度指数。

其二,不设阀门和油库三十年前,世界很多阻尼器厂家都在设备外(或内)设置储能器、储油库以及控制阀门,设有这种阀门、油库的阻尼器存在的问题存在耐久性较差、过载后引起副作用、具有频率相关性以及不能进行缩尺试验、由于连接间隙造成微小振动盲区等诸多问题。这种技术落后的产品,容易在振动时损坏此类阻尼器的缺陷,可以通过严格检测,特别是大量试件的超载测试、本构关系测试和长期使用的观测后被发现。

其三,需要实现不漏油。不可否认,液体阻尼器的漏油问题一直存在,这一问题有时甚至影响到设计人员对是否使用减震技术的最终决定。一些厂家仅仅以普通的液压技术处理阻尼器的密封问题,而实质上阻尼器和各种油泵的技术完全不同。真正解决漏油问题需要采用先进的设计理念,以及精密的加工检验。采用上百万次以上的循环试验可以较为快速模拟阻尼器在真实情况下的运行情况,同时通过测试阻尼器腔体的内压量化阻尼器漏油情况,进而评估其密封性能分辨漏油产品

其四,低速性能表现良好。铁路桥梁日常主要承受车辆动力荷载和风荷载,阻尼器安置于桥梁后一般情况下以很低的速度持续地工作,应始终按本构关系正常发挥其减震功效。阻尼器的摩阻力在一般设计计算中可能没有涉及,但如果过大会影响到阻尼器的基本性能。实现较小的阻尼器内摩擦是阻尼器的关键技术。总之,在大荷载、大冲程、短时间或小荷载、小冲程、长时间的情况下,阻尼器应该都能有效地工作。

其五,具有足够高的安全系数。在超大地震发生时,阻尼器不应被破坏,能否起到抗震作用至关重要。近几年来,在汶川、智利等超出设计范围的大震对结构造成了严重破坏。因此,具有足够高的安全系数是阻尼器耗能抗震、能抵御超强地震的必要条件。

一个好的阻尼器产品,应该能够满足工程需求,保护结构安全。因此,针对桥梁工程的不同需求需要研发生产多种类型的阻尼器,如:用于连续工作金属密封阻尼器带限位的大型阻尼器悬索桥用的大运动量的阻尼器,特大受力、特大冲程的阻尼器等。

能合格应用75年以上的阻尼器产品在安装前一定要经过严格的检测。我们一直期望我国能实现像美国土木工程学会20世纪90年代组织进行的联合预检测,只可惜至今仍未实现。目前我国工程已经安置的阻尼器中,很多都没有经过预检测;一些国际上已被证实不适用于铁路工程的产品,在我国仍被使用。

时代在发展,社会在进步。阻尼器新技术的出现并获得成功,绝不能一蹴而就,新技术从研发到产品商业化,绝不是边研制、边生产的过程。如果仅靠新产品专家鉴定会评审意见,没有经过实际工程考验和多次、多方测试鉴定,就将产品广为推广和使用,既是一种不科学的态度,也是不负责任的行为。当前,在我国高铁快速发展的阶段,铁路桥梁正处于广泛应用阻尼器的初期,阻尼器用量庞大,因此必须严格把控产品质量。看到国家对结构减隔震技术的支持和鼓励,阻尼器行业在不断发展壮大,笔者甚感欣慰。

本书的出版,旨在向读者介绍阻尼器的特征和性能,向工程设计人员提供一些典型工程案例供参考。同时,也希望本书的出版能够进一步引导和鼓励阻尼器行业朝着健康有序的方向发展,造福人类,服务社会。

                                                                    陈永祁  赵前进  马良喆

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