港珠澳大桥的抗震创新：小小阻尼器竟是桥梁牢稳的关键

桥梁抗震的两大方法是隔震和耗能。隔震原理下的延性设计和隔震设计已经被规范收录采用，而采用耗能原理的各种阻尼器还未在规范中体现，所以我们说说阻尼器。

其实基于耗能原理的减震设计已经被建筑规范采用10多年，可以相信阻尼器和阻尼支座在桥梁上一定会有应用空间。

根据流体运动，特别是当流体通过节流孔时会产生粘滞阻力的原理而制成的，是一种与刚度、速度相关型阻尼器。(粘滞阻尼器采用内填硅油的油缸式结构，通过活塞的往复运动带动内部硅油的流动，进而产生阻尼效果)

粘滞耗能阻尼器的研发和应用，等于给建筑或桥梁装上了"安全气囊"。在地震来临时，阻尼器最大限度吸收和消耗了地震对建筑结构的冲击能量，大大缓解了地震对建筑结构造成的冲击和破坏。

阻尼器的神奇之处

面对大风、地震，大桥大幅度的飘动、摆动极其危险，如何防止?在武汉的中铁大桥局，研发的多型号“阻尼器”，成为让大桥“稳如泰山”的神器。

7月6日，中铁大桥局桥科院申报的专利——拉索杠杠质量阻尼器，从168个专利脱颖而出，闯入中国专利奖决赛。

阻尼器，是一种能吸收能量，能使物体在受到冲击等外力时的振动很快衰减，从而保持物体的稳定。多年来，安装在大桥上、被称作大桥上“安全带”的阻尼器技术被国外垄断。在鄂央企中铁大桥局的国家重点实验室，历经30多年研发，成为中国桥梁减振抗震领域的“领头羊”。

千余平方米的厂房里，大型设备林立，还有微缩版的“悬索桥”，身穿蓝色制服的工程师们正在测试阻尼器。用手一拉，悬索振荡起来。中铁大桥局桥科院副总经理王波指着索下的白色“大电阻”形状的物体说，这就是阻尼器，由高合金钢与硅油等介质组成。阻尼器与悬索振荡产生的力量相反，起到削弱振荡能量的目的。

阻尼器主要安装在斜拉索、塔梁之间以及吊杆等关键部位，单个重量从15公斤至40公斤不等。施工人员当天调试的，是世界级“六自由度多功能”动力平台阻尼器试验系统。

几十年来，这个国家重点实验室已研制百余种阻尼器，适用于各种斜拉桥、悬索桥和拱桥等。

小小阻尼器怎样“四两拨千斤”?

每一次实验，背后都是成百上千次的力学计算。“它可以成功控制一根80多吨重斜拉索的高频振动。”王波指着一个40公斤重的调谐式阻尼器说，其已安装在已通车的沪苏通长江大桥上，抗震效果好。

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上世纪九十年代开始，我国桥梁建设向大跨、重载、深水迈进。一寸长、一寸险。斜拉桥、悬索桥从几百米跨度，猛增到1000多米，导致一根拉索的重量，从20吨增加至100吨，给桥梁减振装备带来极大挑战。

在挑战中寻求机遇。通过试验，中铁大桥局桥科院巧妙运用力学原理，在不增加斜拉索长度的同时，利用杠杆原理研制摆式杠杆阻尼器，精度更高、抗震性能更优。塔梁大吨位阻尼器，采用液体、质量双调节，在较低的安装高度获得更好的减振效果。

多年来，桥科院累计投入数亿元，打造全国桥梁减振抗震领域高地，打破国外垄断“卡脖子”的局面，让阻尼器价格大幅下降。

在学科带头人汪正兴带领下，这个50多人的团队自主研发的系列斜拉索减振器和大吨位抗震阻尼器，解决海内外近百座桥梁索、梁及拱桥吊杆等结构振动问题，取得数十项国家专利和两项国际专利授权，国内400米及以上跨度的大跨度斜拉桥中市场占有率在70%以上。

港珠澳大桥的抗震能力

当地震来临，桥梁能否“扛”得住?可以先在桥梁工程结构动力学国家重点实验室做个试验。

在位于南岸区五公里的桥梁工程结构动力学国家重点实验室里，该实验室主任唐光武指着其貌不扬的“宝贝”们说，世界上最长跨海大桥——港珠澳大桥的隔震桥梁振动台试验、非通航孔支座性能抗震模拟试验、大型高阻尼隔震支座试验、大型铅芯隔震支座试验，中国建桥史上工程规模最大、综合建设条件最复杂的特大型桥梁工程苏通长江公路大桥斜拉索拉弯疲劳试验……都出自这个实验室。

这个实验室里，到底藏着哪些“宝贝”?

大型地震模拟试验台阵系统世界首创

可模拟3轴向6个自由度的地震波

这个实验室“藏”在招商局重庆交通科研设计院有限公司一栋不起眼的楼里。穿过一条不算宽敞的过道后，前方豁然开朗，约五层楼高的结构实验大厅就这么展现在记者面前。

往地上一看，竟有一个长约36米的长方形“巨坑”：坑里有2个同样是长方形的台面，台面四周有空隙，隐藏着4根蓝色的杠杆，杠杆上的“螺丝”足有手掌大。

唐光武透露，这是世界上首个拥有两个台阵的大型地震模拟试验台阵系统，建成于2002年。对土木工程来说，抗震非常关键，特别是大型桥梁，使用年限基本上是按照百年设计的，首先就得过抗震试验这一关。“该台阵系统的作用正是模拟地震波，通过模拟地震来临时的真实情景，找出在结构设计上的薄弱点。”

“台阵工作模式及轨道移动方式均属世界首创。”唐光武指着长方形台面说，台阵每台自重20吨，可承载最重达70吨的桥梁模型，台阵周围的杠杆叫作动器，就像手臂一般怀抱着台阵，其下面是液压油系统，系统启动后，能模拟地震带来的巨大威力。大跨度结构的桥梁模型会被放置在两个台阵上，台阵间连有轨道，能实现3轴向6个自由度的震动，“通俗来说，它可以平动、转动，也可以像跷跷板翘起一方来。”

那它可以模拟多大强度的地震呢?唐光武说，汶川地震峰值的加速度约为1g，而台面最大加速度可以达到3g。

“这就为大跨度结构的抗震试验研究提供了必要的条件，从而使大跨度结构抗震动力学的一些基本问题的试验研究成为可能。”唐光武说。

在台阵系统一侧放着一座透明的桥梁模型，是1：60的缩尺比明珠湾大桥模型，主跨、边桁拱、桥墩等一应俱全，甚至连拉索也进行了还原。

“试验模型是采用数控加工制作的，材料是有机玻璃。”该实验室工作人员刘海明介绍，2016年做抗震试验时，为了满足相似条件，在模型上配了铅块，各类型传感器也安放在上面以得到试验数据。试验后期，研究人员还进行了大量的数据分析，指导工程建设，为工程的安全保驾护航。

“港珠澳大桥的隔震桥梁振动台试验也是在这里完成的。”唐光武说，港珠澳大桥全长55公里，作为最长的有地震断层穿过的跨海大桥，引入了减隔震技术。2012年4月，港珠澳大桥单墩拟静力试验、单墩减隔震与抗震性能对比的全桥振动台模型试验、多跨模型减隔震与抗震性能双联振动台一致激励和非一致激励试验先后在实验室进行，试验结果很成功。

3000吨工程索缆拉弯疲劳试验系统

1秒最高拉伸索缆5次

在结构实验大厅的另一侧，两个橘色的“门”字型钢架引起了记者的注意，钢架下方是试验床，试验床又分为2个，分别连有脸盆大小的线缆。

“这是3000吨工程索缆拉弯疲劳试验系统，通俗来说，就是看桥梁索缆结不结实。”唐光武说，该系统也很有来头，是为世界跨径最大斜拉桥苏通大桥量身定做的。

当时，苏通大桥建设时，大桥建设指挥部找到实验室，希望能够完成大桥索缆静载与拉弯耦合疲劳试验，这也是国家科技支撑计划项目之一。

苏通大桥索缆静载试验要求加载能力达到2000多吨，疲劳试验加载能力也要达到1000多吨，而实验室现有条件远远不能满足试验要求。怎么办?

唐光武带领团队反复做设计、论证、试验，创造性提出了双向双束、动静载分离的索缆拉弯耦合试验系统设计方案，使静载试验加载能力达到3000吨。

“以前做缆索疲劳试验节奏约为10秒一次，一般要做200万次，需要半年以上。”唐光武说，经过改良后，新系统能1秒做5次，而且可以双索同时进行，不到一个月就能做完两根索的疲劳试验。

这使我国具备了完成千米跨径级斜拉桥拉索静载和疲劳足尺试验的能力。目前，实验室已为苏通大桥、武汉天兴洲大桥等近50座特大桥提供技术服务，还为981海洋钻井平台锚链系统提供了试验服务。

随着桥梁宽度的增加和公轨两用桥梁的逐渐兴起，对超大规模索缆的需求也越来越大，实验室在3000吨工程索缆拉弯疲劳试验系统的基础上又研发了6000吨索缆试验系统。

该系统就在3000吨试验系统旁边，外形与3000吨系统差不多，但体积更大，试验床长度达16米，重量达到324吨，是3000吨系统的2倍。

“我们对动横梁的受力方式和构造进行了创新设计，使动横梁受力更明确;针对超大吨位索缆自重较大的特点改进了锚固区构造，提高了安装效率。”唐光武说，目前该系统的加载能力和试验效率在国际上处于领先地位。

多通道结构试验系统

反力墙每个孔可提供100吨反力

唐光武将我们带到了结构实验大厅的后侧，这里有约三层楼高(11米高)的一面墙，墙上排列着若干个小孔，地上也同样如此，在距离墙面不远的地方搭建着钢架和作动器。

“这其实是多通道结构试验系统的配套设施。”唐光武解释说，这面墙叫反力墙，地板则是反力地板，在反力墙和反力地板上可以安装试件或作动器，可以给予桥梁结构或构件巨大作用力，进行静、动载试验研究、疲劳试验研究、拟动力抗震试验研究、延性抗震试验研究及环境模拟试验研究等。

反力墙由高强应力筋、混凝土浇成，而墙上的每一个孔，可以提供100吨的反力，一般四个孔为一组，即400吨的力。

“石板坡长江大桥复线桥就是在这做的钢混接头静载和疲劳试验。”唐光武说，石板坡长江大桥复线桥与旧桥相距仅25米，但并列的桥墩将在航道上形成“巷道效应”，不能满足通航要求。如何保持同样桥型又满足通航?只能在新建的桥布跨时取消一个桥墩。这样一来，新建的梁式桥的通航孔跨度就变成了330米。用混凝土梁跨越330米是个难题，就得减轻结构的自重，经多方研讨后决定在330米跨的中部108米采用钢箱梁取代混凝土梁，那钢混接头牢固与否就成为关键。

“当时，我们模拟了钢混接头部分，把它固定在反力地板上，用2个作动器加载，研究其受力性能，看这个结构会不会出现静载或疲劳破坏。”唐光武说，通过试验，完善了桥梁设计，后来该结构也运用在了复线桥上。

事实上，除了石板坡长江大桥复线桥，菜园坝大桥、小榄水道特大桥也都通过了多通道结构试验系统检验。

实验大厅里还有一个大家伙，那就是大型支座试验系统，远远看去，由于钢架上部有凸出来的三角形结构和两个圆点，让它看上去像一只猫头鹰，其腹部是黄色的作动器，中间留了一小溜空隙，试验时，支座会被放置在中间，承受巨大的压力。

“港珠澳大桥的大型高阻尼隔震支座试验、大型铅芯隔震支座试验也是在这里完成，其高阻尼隔震支座有1.5×1.5米这么粗，需要两个人合抱才行。”唐光武说。