自1997年虎门大桥建成以来，粤港澳大湾区跨江跨海通道建设突飞猛进，到目前为止已建成跨江通道6座，在建3座。根据近远期的规划，还将有8座通道待建，未来总规模将达到17座。随着缆索承重桥梁的陆续建成投运，未来通道运营养护需求旺盛。大湾区桥梁建养面临着交通量巨大、重车比例高、危化品车辆多的复杂运营情况，以及台风、高温、地震等环境灾害及极端工况与结构劣化耦合作用的不利服役状态。桥梁约束关键装置（支座、阻尼器等）作为桥梁的“关节”，主要发挥荷载传递、适应主梁变形的功能，在控制和降低桥梁结构的振动、改善结构抗震能力方面发挥重要作用。复杂的服役环境及长期超负荷运营条件下，桥梁约束关键装置存在过度损害和性能劣化情况，并诱发和加剧其他构部件病害的发展。如何提升桥梁约束关键装置品质、安全韧性与耐久性及全生命周期经济性的需求极为紧迫。
关键装置病害及共性问题
结合狮子洋通道、黄茅海通道等湾区在建桥梁约束关键装置设计与研发，及黄埔大桥、虎门大桥和南沙大桥等湾区在役桥梁约束关键装置开展的病害检监测评估研究，本文总结了湾区桥梁支座、阻尼器服役过程中的共性问题。
板式橡胶支座
板式橡胶支座因结构简单、造价低、高度小，并具备安装方便等优点而被广泛应用。但板式橡胶支座在应用过程中也存在各类病害，现场检查发现支座存在剪切超限、脱空、橡胶老化开裂、偏压、超压缩等病害。病害原因主要可归结为支座制造、施工安装和外界环境影响三方面。支座制造阶段的病害主要是由于生产质量不达标，生产过程中使用了劣质橡胶或掺入了再生胶。施工安装阶段的病害主要是由于施工安装不规范，导致支座性能发挥受限或长期处于不利受荷工况。外部环境影响主要集中在支座受日照、氧、臭氧、射线等对橡胶材料耐久性的影响，导致橡胶材料的组成、结构发生变化，出现老化龟裂现象，逐步失去原有的优良性能，甚至丧失使用功能。
生产质量和施工安装质量可通过加强质量管理、提升检测水平来规范，而橡胶老化是一个长期且不可逆转的过程，其本质是橡胶支座失效的过程。研究表明，橡胶支座在使用初期老化速度快，随着时间的增加，老化速度减缓，并趋于平稳。橡胶材料老化与橡胶品种有关。随着国内建设高峰时期装备的橡胶支座服役寿命靠近限值附近，橡胶支座耐久性研究已逐渐受到重视，研发长寿耐久型支座，从根源上解决橡胶支座耐久性不足问题十分必要且迫切。
钢支座
对于湾区桥梁钢支座而言，支座在使用过程中由于长期受到高温、高湿、高盐等环境侵蚀和静/动力荷载作用，表面材料可能老化，出现裂纹和锈蚀、钢板/内钢盆翘曲、横桥向位移超限等病害。这些病害的进一步扩展，会影响支座的承载能力和耐久性。对于滑动型钢支座，滑板是支座的关键部件之一，用于减小支座在滑动过程中的摩阻力。然而，滑板在使用过程中会逐渐磨损，当磨损到一定程度时，会导致支座滑动不畅或失效。不锈钢镜面在支座中起到保护钢件和减小摩擦的作用，在长期往复荷载作用下，不锈钢镜面也会受到磨损，磨损后的不锈钢镜面会增大摩擦系数，影响支座的正常工作。同时，普通钢支座（盆/球支座）隔震性能差，在地震作用下，限位方向不具备隔震功能，导致桥梁局部结构发生损伤。因此，亟需提升滑板材料的长距离耐磨性能，改善钢件强度和防腐工艺。
阻尼器
湾区大跨径桥梁通常安装黏滞阻尼器来控制地震作用下的动力响应。目前存在的主要问题包括漏油、锚固件松动、外露表面锈蚀等，其中漏油对其消能功能影响较大，且漏油后难以修复。产生病害的主要原因为黏滞阻尼器对因车辆活载引起的梁端振动控制效果差，服役期间累计位移巨大，日累计位移达数十米，且行程长、自重大的特点导致密封被长距离不均匀磨损，引发漏油。
湾区桥梁在建设过程中开展了大量的科研工作，对黏滞阻尼器的性能进行了逐步提升，增加了弹性限位、活载振动控制功能，降低了其行程规模以及服役期间的累计位移。如深中大桥安装了多阶段位移控制型阻尼器，通车后其日均车流量接近10万辆，对应的梁端日累计位移仅为10m左右，使得黏滞阻尼器漏油问题得到大幅缓解。需要指出的是，尽管黏滞阻尼器的功能在不断完善，但其漏油风险仍然存在，一旦漏油后仍面临评估及修复困难的问题。
图1 深中大桥多阶段位移控制型阻尼器构造及其本构关系曲线
图2 深中大桥梁端日累计位移
巡检平台
在约束关键装置病害检查过程中总结发现，由于支座、阻尼器等约束关键装置在桥下很难抵达，不便于检查，导致病害未被及时发现，没有得到及时的维修导致损伤加剧。同时，长大桥梁约束关键装置超负荷运行加速性能退化，需开展预防性养护。检测装备智能化不足、操作复杂，未形成人机配合、数据采集、结果管理、损伤自动评估完整建养链条。因此，亟需开展轻量化智能巡检装备研发等，保证约束关键装置的可达、可检、可修、可维。
约束关键装置品质
提升技术研究与应用
狮子洋通道主桥建成后将创造五项世界第一：主跨2180m，塔高350m、16车道双层钢桁梁、1.5m大直径主缆、130m超大规模锚碇。引桥采用双层高架桥梁，结构类型多样、上部荷载大、结构受力复杂，品质要求高。为进一步提升狮子洋通道约束关键装置的品质，项目依托狮子洋通道工程，开展了主、引桥三个课题和工程专题的研究，研发了高耐久橡胶支座、高性能分级减震钢支座和可更换耐久型摩擦阻尼器，并研发设计了全面可达、可检的智能轻量化检查平台及设备。这些成果将全面应用于狮子洋大桥，力争打造平安百年品质工程样板。
高耐久板式橡胶支座研发
为解决普通板式橡胶支座服役耐久性差的技术难题，以提高支座的耐臭氧老化、热空气老化等关键参数为途径开展了高耐久板式橡胶支座研制与试验验证。通过添加配合剂、防老剂促进剂等助剂，采用密炼工艺进行混炼硫化成型，形成新型复合胶料。为验证新型复合胶料的耐臭氧老化性能，进行耐臭氧老化试验验证。试验结果表明：相比天然橡胶和氯丁橡胶，复合胶料的耐臭氧老化性能可提升2倍以上，验证了新型复合橡胶较强的耐臭氧老化性能。
图3 胶料臭氧老化试验结果
同时，开展了新型复合胶料的热空气老化性能试验测试，试验结果表明：在延长规范试验时间6倍的条件下，新型复合橡胶材料的各项性能表现优异，满足指标阈值要求。
图4 胶料臭氧老化试验结果
高性能分级减震支座
为解决普通钢支座隔震性能差、滑板耐久性能差的技术难题，研发了一种分级减震型支座，通过支座上座板结构型式改进并应用超高性能滑板材料，适应桥梁结构的静动力需求。分级保护减震支座在普通盆/球式支座的基础上做出改进和创新，通过在上支座板设置两层剪力键装置实现分级保护功能，正常作用下剪力键不剪断，满足正常使用需求；地震作用下一级剪力键剪断，上支座板自由滑动实现隔震功能；滑动到设计位移后二级剪力键限制支座继续滑动，起到限位防落梁的功能。采用超高性能聚四氟乙烯（UHPF）作为滑板材料，解决了支座服役期滑板耐久性差的技术难题。
图5 分级保护减震支座本构关系
图6 分级保护减震支座减隔震原理
耐久型易维护摩擦阻尼器
考虑狮子洋大桥跨度大、纵向刚度及阻尼比低的结构特性，结合绿色、耐久、易维护、可更换的建设运维理念，需要研发一种减振效果好、耐久性好、易于检修的阻尼器。基于此，狮子洋大桥科研团队提出了一种耐久型易维护摩擦阻尼器（以下简称“新型摩擦阻尼器”），摩擦阻尼器主要由钢元件或构件、摩擦片、预压螺栓和缓冲弹簧等组成，利用两个或两个以上元件或构件间发生相对位移时产生摩擦做功而耗散能量。摩擦阻尼器具有库仑阻尼特性和高初始刚度，在低速时提供显著的阻尼力来抑制外界振动。其主体采用装配化板式结构，内部采用超耐磨聚合物作为摩擦材料，与惰性较好的镜面不锈钢板形成摩擦副。数值分析表明，当狮子洋大桥梁端设置4台1500kN的摩擦阻尼器时，梁端日累计位移为15.3m/d，年累积位移为5.6km/年，降幅达94%。
试验研究表明，超高性能聚合物材料在12MPa的压应力下与镜面不锈钢磨耗10km，其摩擦系数稳定在0.2左右，对应的线磨耗率仅为12μm/km，其外露4mm的厚度下，可磨耗300km以上，保证了其良好的稳定性、耐久性。除此之外，新型摩擦阻尼器中的超耐磨聚合物材料镶嵌于钢板卡槽之中，属于可快速更换元件，主体钢结构可多次使用，大幅降低养护维修难度及成本。为了便于对关键性能参数进行监测及评估，新型摩擦阻尼器上配备了智能化监测系统，可实时反馈摩擦面压力、摩阻力、位移、速度等参数，通过设置合理的阈值、算法等，即可完成新型摩擦阻尼器的工作性能评估，从而制定科学合理的养护方案。
图7 超高性能聚合物材料线磨耗曲线
图8 耐久型易维护摩擦阻尼器本体及其智能化监测系统
为了进一步验证新型摩擦阻尼器的力学性能，设计试制了阻尼力1500kN，行程±840mm的新型摩擦阻尼器样件，开展了试验加载，在0.1～400mm/s速度范围内的实测阻尼力与设计值的偏差最大±7%，各速度下阻尼力稳定，滞回曲线饱满，具有良好的库伦摩擦特性。
图9 新型摩擦阻尼器的力学性能研究
上述研究表明，狮子洋大桥新型摩擦阻尼器具有良好减振功能及耐久性，且内部摩擦材料可进行快速更换，养护难度小、成本低，应用前景广阔。
智能巡检平台
桥梁智能巡检平台的构建，不仅提高了约束关键装置的巡检效率和准确性，还为约束关键装置的维护和安全管理提供了强有力的平台支持。狮子洋通道在规划建设阶段即设计布置了基于智能化技术的桥梁巡检平台，通过集成物联网、传感器技术、图像识别、大数据分析等技术，实现对桥梁状态的实时监测与数据分析，能够显著提高约束关键装置管理的巡检效率与数据客观性，有效降低管理成本和养护人员安全风险，及时发现并解决潜在问题，为桥梁主体结构的安全与稳定提供有力保障。
图10 狮子洋通道无人巡检平台示意图
图11 狮子洋通道载人维养平台示意图
约束关键装置质量控制与展望
桥梁约束关键装置长寿耐久的保障，需要多方重视、多阶段协调一致。在项目决策阶段即制定明确的质量目标，实现全寿命周期质量把控，包括结构设计创新、制造过程质量控制，产品出厂第三方试验检测，安装通车前的零状态初始检测建档，服役过程中定期检查和养护等。
约束关键装置
全寿命周期质量把控
通过对约束关键装置的全寿命周期质量控制，确保约束装置的整体质量达到设计和使用要求。系统考虑交通流量、荷载变化等外部环境及约束装置结构形式、材料选择、施工工艺等方面的耐久性保障技术，全方位提高装置的可靠性和稳定性。具体为：在设计阶段考虑装置的可维护性，确保在运营阶段的检查维修空间及便利性；生产制造阶段开展试验检测，提高约束关键装置的建造质量，减少因质量问题导致的维修和更换次数，降低约束关键装置的维护成本；开展通车前零状态初始检测，确保约束关键装置功能的发挥并获得其初始数据，为后期的检测评估提供原始记录；开展服役过程中的定期检查，建立约束关键装置服役状态评估与剩余寿命预测体系，提升服役阶段质量把控能力；同时，在全寿命周期质量控制过程中，推动新技术、新材料、新方法和新工艺的运用，进一步推动桥梁约束关键装置领域的技术创新和发展，促进桥梁建设、运营的可持续发展。
约束关键装置
技术创新与应用
通过提升对约束关键装置的关注度与定位，类比“关节”对人类个体运动的重要性去考虑约束关键装置服役性能和对桥梁整体结构的影响，从高性能材料应用、结构设计优化、智能化技术、监测评估与预警、远程控制与调节等技术要素出发，开展对桥梁“关节炎”的“疾病预防、疾病检查、关节保养，对阵下药”，是桥梁约束关键装置安全可靠、长寿耐久、优质高效、智能先进、绿色低碳的发展主线。
本文刊载 / 《桥梁》杂志
2024年 第5期 总第121期
作者 / 张太科 徐源庆 张万泽
作者单位 / 广东湾区交通建设投资有限公司
中交公路长大桥建设国家工程研究中心有限公司
编辑 / 王硕
美编 / 赵雯
审校 / 李天颖 王硕 廖玲
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