大跨悬索桥塔梁纵向位移控制阻尼器病害分析

宗海， 庞振浩， 茅建校， 王浩

(1.东南大学 交通学院, 江苏 南京 211189； 2.南京公路发展(集团)有限公司, 江苏 南京 210031； 3.东南大学 混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室, 江苏 南京 211189； 4.东南大学 桥梁研究中心, 江苏 南京 211189)

大跨度纵飘悬索桥在风、车辆、地震和温度等荷载的持续作用下会产生较大的纵向位移[1]。过大的纵向位移会影响桥梁的正常运营与使用。为了对悬索桥的纵向振动进行抑制，通常在塔梁间增设纵向约束装置[2]。常用的纵向振动控制装置包括弹性拉索和纵向阻尼器。弹性拉索能有效地对桥梁的纵向振动进行抑制并改善行车舒适性，但过度的约束会使桥梁结构的内力增大[3]。纵向阻尼器的种类较多，包括铅挤压阻尼器、钢阻尼器、摩擦阻尼器以及黏滞阻尼器等。在大跨度桥梁结构中，黏滞阻尼器的使用较为广泛[4]。通过对黏滞阻尼器的各技术参数进行设置，能够满足桥梁在动力荷载作用下的减震消能要求。一系列研究表明[5-8]，黏滞阻尼器能对大跨度悬索桥的纵飘进行有效的抑制，并且提高桥梁的抗震能力和改善伸缩缝的性能，从而延长悬索桥的使用寿命。

主梁长期频繁的振动可能会造成纵向阻尼器[9]和伸缩缝[10]等附属结构的性能退化和疲劳破坏。江阴长江大桥通车4年便出现了伸缩缝损伤。为实现对主梁的振动控制，在塔梁处加装了4个纵向粘滞阻尼器，但在阻尼器使用数年后出现了漏油性能退化的现象[11]。累积纵向振动位移过大和冲击作用会引起伸缩缝的损坏，润扬长江大桥在通车仅3年后也发现伸缩缝部分构件损坏的现象[6]。由此可见，大跨度桥梁中阻尼器病害现象并不鲜见。然而，对大跨度桥梁阻尼器的监测数据进行科学分析、建立合理的阻尼器健康状态指标和阻尼器病害的原因分析等方面的研究还很欠缺。阻尼器直接关系着其在各种荷载作用下的安全性能和使用性能，是保证实现预期设计功能的关键。目前的研究多数是对加装阻尼器前后的结构振动进行对比，并未涉及阻尼器病害的分析。因此，仍需结合桥梁检/监测数据深入分析纵向阻尼器的工作性能，以保障桥梁约束体系的稳定与可靠工作。

本文以某大跨度悬索桥为工程背景，围绕该桥桥塔与主梁连接处纵向阻尼器的设计更换工程，针对工作性能与维修改进案例开展深入分析。着重分析其运营期间发生病害的原因，提出阻尼器改进优化的方案，并且通过对比阻尼器改进前后的实测数据，对塔梁结合处纵向位移进行分析。本研究可为类似大跨度桥梁纵向阻尼器的设计、安装与维护提供有效的参考。

1 大跨度悬索桥纵向阻尼器病害

1.1 工程背景

某跨长江悬索桥是世界上首次采用三跨连续弹性支承体系的钢箱加劲梁悬索桥，索塔采用混合式结构形式[12]，塔高228.4 m，跨径布置由北往南依次为576.2 m+1 418 m+481.8 m[13]，全长2 476 m，该桥的总体布置如图1所示。

图1 大跨度悬索桥总体布置Fig.1 General layout of the long span suspension bridge

为了控制大桥在温度、风和车辆等作用下的位移和保障桥梁的安全稳定运营，在该桥的塔梁连接处设置了位移约束装置，主要包括竖向弹性支撑、横向支撑和纵向阻尼器，如图2所示。为改善梁穿越索塔时因主缆角度转动引起的活载弯矩，增加结构反对称扭转刚度，利用设置在索塔下横梁的竖向弹性支撑形成弹性支承体系，如图2(a)所示。考虑到横桥向风荷载对钢箱梁的影响，大桥在索塔与钢箱梁之间设置横向支撑，如图2所示。同时，为了对钢箱梁纵飘位移进行限制，在钢箱梁两侧的塔梁结合处设置纵向阻尼器，如图2(b)所示。

图2 大跨度悬索桥塔-梁连接位置处位移约束装置构造Fig.2 Diagram of displacement restraint devices at tower-main girder connection position of the long span suspension bridge

在大跨度桥梁中，纵向阻尼器的存在可以减小车辆或风致位移、改善伸缩缝使用性能和提高大桥的抗震能力。在本文中，大桥的纵向阻尼器在一端支撑于索塔、一端支撑于钢箱梁，两端均为无转动约束的铰接连接形式，如图2(b)所示。其细部构造为：阻尼器两端设连接耳板，索塔上设叉耳，叉耳通过预埋螺栓锚固于索塔上，钢箱梁上设连接牛腿，阻尼器连接耳板伸入叉耳和连接牛腿间，通过销轴和止动挡板固定螺栓连接。在阻尼器连接耳板孔内设置关节轴承，适应转动要求，如图3所示。

图3 原阻尼器结构和连接细部结构示意Fig.3 Diagram of the structures of the original damper and connection details

1.2 纵向阻尼器病害

在大跨度桥梁运营过程中，桥梁阻尼器发生病害后的维修和更换等操作是桥梁管理的常规内容。2013年年初，江阴大桥梁端阻尼器存在漏油现象且逐渐严重。2018年8月，受台风“温比亚”的影响，苏通大桥个别斜拉索阻尼器连接螺栓滑丝脱落。2021年8月，荆岳大桥北岸索塔处的桥梁粘滞式阻尼器存在异响现象。1995年神户大地震后，针对名港跨海大桥不能满足最新抗震要求，相关部门还对名港西大桥原有的减隔震支座和纵向黏滞阻尼器进行了优化和更换。由此可见，大跨度桥梁阻尼器病害时有发生，使得结构整体或局部产生超幅振动，从而影响桥梁安全运营。目前，阻尼器病害治理措施主要依赖于简单的更换或修复，缺乏对其病害机理的深入分析，关于阻尼器优化的研究也较少。

本文以某大跨度悬索桥为例，对塔梁纵向位移控制阻尼器的病害进行分析。某大跨度悬索桥阻尼器系统从2013年起在服役数年中已经多次因失效及故障而进行检修，其中阻尼器耳板折断问题较为显著。悬索桥的纵向阻尼器一共有4个，其位置分别为南塔上游侧、南塔下游侧、北塔上游侧和北塔下游侧。耳板失效在南北塔梁结合处的纵向阻尼器都有不同程度的体现，其中南塔下游处的阻尼器耳板甚至出现折断现象。

据现场观察，纵向阻尼器的耳板病害是逐步恶化的。首先，阻尼器耳板上的止动挡板固定螺栓出现断裂，此时阻尼器的基本功能正常，如图4(a)所示。然后，失去止动挡板约束的销轴会滑出耳板，此时阻尼器的轴向荷载仅由一侧耳板承担，如图4(b)所示。最后，阻尼器的耳板出现了折断现象，此时阻尼器的功能基本丧失，如图4(c)所示。折断的耳板和销轴等部位裸露在空气中，在长期的环境作用下产生了严重的锈蚀，如图4(d)所示。此外，大桥的4个阻尼器都发现了较为严重的漏油现象，漏油的阻尼器无法发挥其正常功能，如图4(e)所示。此外，阻尼器防尘外罩存在压瘪现象，如图4(f)所示。

如果纵向阻尼器存在严重的病害，在日常车辆与脉动风的动态冲击作用下的大跨度桥梁失去了减振缓冲，影响其舒适性。当遇到罕遇地震，桥梁体系可能因失去阻尼器的耗能能力而出现过大位移，造成结构损伤或破坏。

2 基于监测数据的阻尼器病害分析

2.1 塔梁处相对位移监测

本小节的主要目的是对塔梁处的相对位移进行监测，为阻尼器病害的原因分析提供参考依据。在塔梁连接处布置位移传感器，分别对塔梁之间的相对横桥向和竖直向位移进行监测，采样频率为1 Hz，数据采集时间为24 h，见图5。由图5可知,横桥向位移最大值约为25 mm,竖向位移最大值约为60 mm。值得注意的是，塔梁的横桥向位移在“24 h”对应的静态位移明显未能复位到“0 h”对应的位移，如图5(a)所示。已有研究表明，大跨度桥梁的横桥向静态位移随横桥向风速的增大而线性增大[14]。对于大跨度悬索桥，主梁受到的横桥向作用主要是横桥向风荷载。据此可推测，位移数据采集时桥址区横桥向风速或风向在“6～9 h”的区段发生过变化，从而发生横桥向位移未能“复位”的现象。纵向阻尼器安装于主梁和索塔之间，当主梁相对索塔发生位移，阻尼器也会随之而运动，例如主梁的横桥向运动会使纵向阻尼器沿着通过阻尼器的水平面发生转动，如图6所示。

图4 纵向阻尼器系统失效Fig.4 Failure of longitudinal damper system

图5 塔梁连接处主梁相对位移Fig.5 Relative displacement of main girder at tower-main girder joint

图6 阻尼器与主梁的位置关系Fig.6 Positional diagram of the damper and the main beam

2.2 阻尼器病害分析

由1.2节可知，耳板失效的具体表现为止动挡板固定螺栓断裂、销轴滑出和耳板折断。由图5可知，大桥主梁与桥塔的竖向相对位移最大值可达60 mm，将导致阻尼器与水平面的转动。因为耳板轴承孔与销轴间隙较大无法达到将销轴“抱死”的效果，故销轴跟随阻尼器发生转动。然而，止动挡板与耳板紧密贴合，止动挡板无法连续地跟随销轴转动相同角度，销轴与止动挡板间可能出现相对转动，导致螺栓与销轴间存在相对转动，引发螺栓松动。同时，主梁的横桥向位移将带动销轴产生横桥向运动倾向，将使固定螺栓承受拉力。由于主梁的横向运动是频繁的振动，因此螺栓承受的拉力是一种长期和频繁的动力荷载。根据监测数据，螺栓所受拉力幅度约为200 N。由于固定螺栓直径较小(M8，8.8级)且横桥向振动平均每天可达12.7万次(3个月平均)，加之由销轴转动导致的螺栓松动，该螺栓可能存在小幅值、多次数的疲劳问题，导致螺栓断裂，如图7(b)所示。从现场的检查结果来看，固定螺栓端口平整，断裂部位无明显的宏观塑性变形，估计其破坏原因均为疲劳破坏。

当螺栓断裂后，由于主梁存在横桥向位移(横桥向位移最大值约为25 mm，横桥向位移均值约为15.6 mm)，造成阻尼器耳环水平力传至销轴，产生向耳板面外移动趋势。然而，螺栓的断裂导致止动挡板无法阻止销轴向外移动，最终导致销轴滑出，如图7(c)所示。当销轴滑出单侧耳板后，另一侧耳板承受销轴传来的全部阻尼力，超出设计强度而发生断裂，如图7(d)所示。

图7 耳板失效过程Fig.7 The failure process of the ear plate

阻尼器漏油现象在以往工程中并不少见[15]，同时本桥梁原阻尼器安装时未充分考虑主梁的横桥向位移，耳板的间距比较狭小。因此，阻尼器耳环的转动空间不足，阻尼器向心关节轴承未能正常发挥自由转动能力，多余的约束力矩传递到阻尼器活塞杆，从而使密封圈之间存在受压大小不均的现象，甚至存在空隙，最终导致油缸内的硅油沿着空隙漏出。另外，传递至阻尼器防尘外罩的约束力矩，使其一侧受压。由于该防尘罩设计壁厚未考虑该荷载，造成发生屈曲，表现为局部压瘪。

3 阻尼器改进设计及效果评价

前述分析表明，旧阻尼器失效的直接原因是单侧耳板承受全部荷载，从而超出设计强度而发生断裂，失效的根本原因是阻尼器耳板细部构造设计存在缺陷，从而发生了螺栓断裂、销轴滑出和耳板折断等一系列病害。针对旧阻尼器耳板失效的原因分析，新阻尼器对耳板的细部构造作了改进与优化。

3.1 耳板的改进与优化

耳板改进与优化的内容有构造措施和补强措施。构造措施主要包括以销轴沟槽卡入挡板代替螺栓连接挡板、增大耳板间距、阻尼器轴承两侧对销轴套入挡圈和阻尼器耳环两侧设置摩擦副。补强措施主要包括增大耳板厚度、增大销轴直径和耳板外侧设置加劲肋，具体见表1。

表1 耳板的改进优化及其作用Table 1 Improvements of the ear plate and their functions

3.2 塔梁相对纵向位移监测

结构健康监测系统分别在大桥的南北塔的上下游侧支座处安装拉线式位移计，对主梁和索塔的相对纵向(即纵桥向)运动进行监测和采集，采样频率为1 Hz。针对上下游的拉线式位移计记录的数据存在缺失的问题，本文采用上下游数据的平均值综合地表示其纵向位移。频谱分析表明，主梁和索塔的相对纵向位移时程数据的低频成分(即静态位移)中周期为12 h和24 h的信号占主要成分。静态位移可通过自回归滑动平均[16](auto-regressive and moving average, ARMA)方法获得，动态位移可从实测响应减静态位移得到。本研究采用卷积型自回归滑动平均[17](convolution type auto-regressive and moving average, CFARMA)模型，其中滑动窗口宽度为40 min。本文对2017年北索塔和南索塔支座纵向相对位移进行了采集，其时程曲线见图8。已有研究表明，大跨度桥梁的主梁动态位移的均方根(root mean square, RMS)可以表征车流量变化[18]。因此，本文采用GPS实测的大桥主梁跨中竖向动态位移的RMS值表征桥面车辆荷载的动态效应。

图8 2017年北索塔和南索塔支座纵向实测位移Fig.8 Measured longitudinal displacements of the north and south towers in 2017

本节研究了主跨跨中竖向动态位移的RMS与塔梁结合处纵向动态位移的RMS的关系。纵向阻尼器的更换时间约为2017年4～5月，本文分析了2017年1～3月和6～12月的竖向位移和纵向位移的RMS关系，分别代表阻尼器更换前和更换后，RMS的计算时长为1 h，北塔和南塔对应的RMS关系如图9和图10。竖向位移和纵向位移的RMS大致成线性关系。通过最小二乘法拟合得到一次函数方程式，并计算散点残差绝对值的标准差，对于残差绝对值大于1.96倍标准差的散点定义离异点，予以剔除。计算表明，阻尼器更换前后，一次函数的斜率和截距变化不大，北塔和南塔数据对应斜率均增大0.01，截距分别下降了0.86 mm和0.02 mm，变化甚微。虽然竖向位移和纵向位移的RMS成正相关，但是该关系对阻尼器性能变化并不敏感，故在下节中进一步对位移控制效果进行评估。

图9 跨中竖向动态位移和北索塔支座纵向动态位移的RMS关系Fig.9 RMS of vertical dynamic displacement in the middle span and longitudinal dynamic displacement of the north tower

图10 跨中竖向动态位移和南索塔支座纵向动态位移的RMS关系Fig.10 RMS of vertical dynamic displacement in the middle span and longitudinal dynamic displacement of the south tower

3.3 阻尼器位移控制效果分析

为评估改进后阻尼器的位移控制效果，本文以GPS数据为对象，分析了该桥在阻尼器更换前后的累计位移变化情况。考虑到塔梁结合处主塔的纵向位移较小，本文以主梁主跨1/4处的纵向位移代表塔梁相对位移进行后续分析。图11给出了2016年11月、2018年11月和2019年11月的主跨1/4处纵向位移的累计位移数据。结果表明，阻尼器更换后，累计位移出现减少的趋势。2016年11月的平均日累计位移为12.36 m，2018年11月和2019年11月的平均日累计位移分别为11.56 m和11.24 m，分别同比下降6.47%和9.06%。累计位移方面，与2016年11月相比，2018年11月和2019年11月分别同比下降6.53%和9.10%。总体而言，新阻尼器对主梁纵向运动的振动控制效果较好。

图11 阻尼器更换前后的其累计位移Fig.11 Longitudinal displacement of damper before and after replacement

4 结论

1) 塔梁处相对位移监测数据表明，塔梁连接处的相对位移较大，横桥向和竖直向的最大相对位移分别约为25 mm和60 mm。

2) 耳板折断的直接原因是塔梁相对位移较大，造成阻尼器的止动挡板固定螺栓断裂、销轴滑出，单侧耳板受力破坏，根本原因是阻尼器耳板细部构造设计存在缺陷，主梁的横桥向和竖向的运动导致阻尼器发生了螺栓断裂、销轴滑出和耳板折断等一系列病害。

3) 新阻尼器对耳板的细部构造进行了优化，包括构造措施和补强措施。前者主要包括以销轴沟槽卡入挡板代替螺栓连接挡板、增大耳板间距、阻尼器轴承两侧对销轴套入挡圈和阻尼器耳环两侧设置摩擦副;后者主要包括增大耳板厚度、增大销轴直径和耳板外侧设置加劲肋。

4) 与2016年11月相比，2018年11月和2019年11月的累计位移(或日累计位移)分别同比下降约6.5%和9.1%，表明新阻尼器对主梁纵向位移的控制效果较原有阻尼器更好。