速度鎖定器在橋梁抗震中的有限元模擬

余小華,竇勝譚

(1.西南交通大學(xué)結(jié)構(gòu)工程試驗中心, 成都　610031; 2.鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司, 天津　300142)

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速度鎖定器在橋梁抗震中的有限元模擬

余小華1,竇勝譚2

(1.西南交通大學(xué)結(jié)構(gòu)工程試驗中心, 成都610031; 2.鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司, 天津300142)

摘要：為準(zhǔn)確模擬新型抗震支座—速度鎖定器在橋梁結(jié)構(gòu)受地震荷載作用時的影響,以某連續(xù)剛構(gòu)橋2×50 m+60 m+2×120 m+60 m為背景,采用專業(yè)有限元軟件Midas Civil進(jìn)行時程分析計算,采用黏滯阻尼器(方法A)、彈性約束(一般)方式(方法B)以及彈性約束(折線型)方式(方法C)三種簡化方式模擬速度鎖定器的作用。結(jié)果表明：速度鎖定器通過將交接墩與剛構(gòu)墩聯(lián)動而減小整體位移,有利于改善橋梁結(jié)構(gòu)在地震作用時的縱橋向內(nèi)力分布；采用的計算方法簡潔高效,并確定在使用方法C時需將剛構(gòu)墩處的內(nèi)力結(jié)果放大1.06倍。

關(guān)鍵詞：橋梁工程；速度鎖定器； Midas Civil；橋梁抗震設(shè)計；連續(xù)剛構(gòu)橋

1速度鎖定器的原理

速度鎖定器是一種新型阻尼支座， 是速度相關(guān)型的鎖定裝置[1]。在正常情況下，它幾乎不發(fā)揮作用，允許梁體轉(zhuǎn)角及溫差變形引起的水平位移，在制動力、風(fēng)載或地震荷載作用下，便會自動鎖定，使得結(jié)構(gòu)由正常狀況下的一個固定墩變成2個或更多的固定墩，將上部結(jié)構(gòu)的荷載有效地分布到多個墩上去，使得結(jié)構(gòu)的受力更均勻，性能更穩(wěn)定，且能有效降低工程造價[2]。

速度鎖定器在橋梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用日益增多，如何在軟件中準(zhǔn)確地模擬該邊界條件成為亟待解決的問題[3]，本文根據(jù)實際工程提出可行的方法完成該邊界條件的有效模擬。

2工程案例

研究背景是某城市主干道上某連續(xù)剛構(gòu)橋，上部結(jié)構(gòu)跨度主橋布置為(60+2×120+60) m，引橋為2×50 m，最高墩高90 m，自引橋至主橋編號1號、2號、3號、4號、5號。該橋的速度鎖定器放置在引橋與主橋的交接墩上。采用專業(yè)有限元軟件Midas civil 進(jìn)行計算，全橋共計2 993個單元，3 142個節(jié)點。樁土作用為線彈性，用節(jié)點彈性連接模擬，剛度系數(shù)按《公路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(JTG D63—2007)中“m 法”計算，m值按規(guī)范取值。有限元模型見圖1。

圖1　橋梁有限元模型

根據(jù)規(guī)范要求，在E2地震作用下，該大跨度結(jié)構(gòu)需同時考慮水平向以及豎向地震作用[4]，本橋采用時程分析方法完成相關(guān)抗震分析。地震波按當(dāng)?shù)財M合地震波多維輸入模型[5]，并按照以X向為主和Y向為主分別按ax∶ay∶az=1∶0.85∶0.65和ax∶ay∶az=0.85∶1∶0.65的比例輸入[6]。

3數(shù)值模擬方法

抗震設(shè)計中，需要合理的模擬邊界條件才可以起到隔震作用[7，8]。針對速度鎖定器的特殊性能，并結(jié)合有限元軟件Midas civil尚沒有模擬速度鎖定器功能的軟件特點[9，10]，提出以下3種處理方法。

(1)黏滯阻尼器模擬。一般連接作用類型分為單元類型和內(nèi)力類型。單元類型是在進(jìn)行分析過程中，用更新單元剛度矩陣直接反應(yīng)單元的非線性，類型包括彈簧、線性阻尼器、彈簧和線性阻尼器3種連接單元；內(nèi)力類型的一般連接不更新單元剛度矩陣，而是根據(jù)非線性的特性計算出的內(nèi)力置換成外部荷載來考慮非線性，包括黏滯效能器、間隙、鉤、滯后系統(tǒng)、鉛芯橡膠支撐隔震裝置和摩擦擺隔震裝置等。阻尼器參數(shù)值需要合理選取[11，12]，分析時采用接近于速度鎖定器的黏滯阻尼器中MAXWELL模型，該模型適用于建立力學(xué)性質(zhì)與加載頻率相關(guān)性較大的液體黏滯阻尼器。MAXWELL模型是指線性彈簧與黏性阻尼串聯(lián)而成的，本構(gòu)關(guān)系見式1，模型包括以下參數(shù)消能器阻尼Cd、參考速度V0、阻尼指數(shù)S、連接彈簧剛度kb。其中參數(shù)根據(jù)反復(fù)調(diào)試按Cd=300 kN，V0=1 mm/s，S=2，Kb=40 kN/mm設(shè)定。

(2)彈性約束(一般)模擬。彈性連接是把2個節(jié)點按用戶所要求的剛度連接而成的有限計算單元，為了模擬速度鎖定器單向作用，令彈性連接中Kx=600 kN/mm。

(3)彈性約束(多折線型)模擬。由于地震作用時，結(jié)構(gòu)一直處于運動狀態(tài)，因此其速度時程曲線可以估算速度鎖定器的內(nèi)力情況，并以此獲得彈性約束的折線線型特點，F(xiàn)值按極限值設(shè)為2 000 kN。

(1)

式中，kb為連接彈簧剛度；cd為消能器阻尼；dd為黏彈性消能器變形；db為連接構(gòu)件的變形。

4計算結(jié)果

4.1速度鎖定器的作用

為探究速度鎖定器在橋梁抗震中的作用，對比安裝速度鎖定器與安裝前后的彎矩、剪力、軸力結(jié)果，列于表1～表4，并提取彎矩My，剪力Fz以示方向，見圖2、圖3。

表1　未安裝速度鎖定器各墩最大內(nèi)力

表2　未安裝速度鎖定器各墩最大位移

表3　安裝速度鎖定器各墩最大內(nèi)力

表4　安裝速度鎖定器各墩最大位移

圖2　未安裝速度鎖定器的彎矩(My)圖

圖3　未安裝速度鎖定器的剪力(Fz)圖

為方便結(jié)果對比，變化突出的順橋向墩底彎矩最大值、墩頂軸向位移如圖4、圖5所示。

圖4　順橋向彎矩最大值

圖5　軸向位移最大值

分析關(guān)鍵位置內(nèi)力以及位移結(jié)果，可以看出，速度鎖定器的作用原理是活動墩參與主梁縱橋向位移，從而使得結(jié)構(gòu)內(nèi)力重新分布，從而減小受力最大墩的作用。速度鎖定器影響縱橋向受力以及變形，而對于橫橋向影響較小。

4.2數(shù)值模擬方法對比

4.2.1自振特性對比

提取各種邊界條件下結(jié)構(gòu)的前5階自振特性，對比結(jié)構(gòu)在不同的邊界模擬方式下的自振特性，見表5。

表5　不同的邊界條件下自振特性

3種模擬沒有引起結(jié)構(gòu)自振特性的改變，可以看出速度鎖定器的作用原理與減隔震方式不同。

4.2.23種方法模擬結(jié)果

(1)速度鎖定器時程內(nèi)力

速度鎖定器在作用時有軸力限制范圍，本項目采用2個極限承載力為5 000 kN的速度鎖定器并排放置，則承載力共計10 000 kN。為了探究不同作用方法時速度鎖定器內(nèi)力滯回情況，采用合理的數(shù)據(jù)處理方法，提取速度鎖定器的時程內(nèi)力，見圖6。

(2)關(guān)鍵截面結(jié)果對比

圖6　速度鎖定器時程軸力曲線

圖7　3種方法3號墩底My時程曲線

圖8　墩底截面內(nèi)力對比

圖9　墩頂節(jié)點位移對比

為了比較3種模擬方法對結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響，提取影響大的幾組結(jié)果進(jìn)行對比。選取3號墩墩底，提取同列地震波作用時彎矩時程內(nèi)力做時程對比，見圖7；通過第一部分結(jié)果對比，本部分提取了由速度鎖定器引起的關(guān)鍵截面的縱橋向彎矩以及縱向位移。結(jié)果如圖8、圖9所示。從圖6知，3種方法中方法A能夠保證速度鎖定器內(nèi)力極限值小于10000kN，而另兩種方法則只能滿足多數(shù)時刻極限值不超標(biāo)。由圖7知，3種方法都沒有改變結(jié)構(gòu)受力規(guī)律，全橋結(jié)構(gòu)的作用是由地震波決定的，其受力規(guī)律沒有變化，只是數(shù)值上不同。圖8、圖9可以看出模擬結(jié)果存在差別，結(jié)果顯示，無論在變形還是受力上方法A均處于偏保守的狀態(tài)。綜合以上結(jié)果，方法A的模擬結(jié)果是合理的，在采用其他方法時需要將固定墩的荷載放大一定的倍數(shù)，通過圖8數(shù)據(jù)分析確定其他方法的放大系數(shù)為1.06。

5結(jié)論

(1)速度鎖定器在橋梁抗震中具有改善內(nèi)力分布的作用，可以使得活動墩與固定墩一起移動，減小最不利截面的內(nèi)力，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益。

(2)速度鎖定器作用原理與減隔震不同，該方法并沒有延長自振周期而減小內(nèi)力，是通過結(jié)構(gòu)的內(nèi)力重新分布來達(dá)到抗震目的。

(3)速度鎖定器在有限元軟件中模擬時可以保守地采用黏滯阻尼器來模擬，阻尼器相關(guān)參數(shù)需要多次試算調(diào)整；也可以采用彈性連接(賦予合適的剛度值)，剛度的試算需要保證鎖定器內(nèi)力不超過速度鎖定器極限值為界；采用彈性連接(折線型)獲得的結(jié)果則需要將固定墩的內(nèi)力值放大，本文求得的放大系數(shù)為1.06。

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Finite Element Simulation of Shock Transmission Unit in Bridge Seismic SystemYu Xiao-hua1, Dou Sheng-tan2

(1.Structural Testing Center, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China;

2.The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation, Tianjin 300142, China)

Abstract：In order to simulate accurately the influence of shock transmission unit (STU)under seismic loading of a continuous rigid frame bridge of 2×50 m+60 m+2×120 m+60 m, three kinds of simple methods are used including viscous dampers (Method A), general elastic restrain method (Method B) and the zigzag elastic restrain method (Method C), together with the assistance of finite element analysis software Midas Civil for dynamic time history analysis. Results show that shock transmission unit can reduce the overall displacement by means of the interlocking of the rigid pier the transfer pier, which helps improve the internal force distribution in longitudinal direction of bridge structure under earthquake action. The calculation methods used in this paper are proved simple and efficient and the internal force in the rigid pier is amplified to 1.06 when method C is employed.

Key words：Bridge engineering; Shock transmission unit; Midas Civil; Bridge seismic design; Continuous rigid frame bridge

中圖分類號：U441+.3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.02.014

文章編號：1004-2954(2015)02-0056-04

作者簡介：余小華(1964—)，男，工程師，工學(xué)學(xué)士。

基金項目：鐵道部科技研究開發(fā)計劃項目(2013G002-A-2)

收稿日期：2014-05-07； 修回日期：2014-05-27