Lock-up 裝置在連續(xù)梁橋中應(yīng)用的優(yōu)化研究

胡國民，王　聰

Lock-up 裝置在連續(xù)梁橋中應(yīng)用的優(yōu)化研究

胡國民，王聰

（寧波公路市政設(shè)計有限公司，浙江寧波 315100）

以某5跨連續(xù)梁橋?yàn)楣こ瘫尘?，對Lock-up裝置的工作性能和機(jī)理進(jìn)行了分析。采用非線性時程分析方法，對地震中Lock-up裝置鎖止速度和Lock-up裝置的位置對橋梁減震的影響進(jìn)行了分析，得到了Lock-up的最優(yōu)鎖止速度和該橋的最優(yōu)減震方案。結(jié)果表明：對于多跨連續(xù)梁橋，Lock-up裝置可以很好地提高橋梁的整體抗震性能；從經(jīng)濟(jì)和減震效果看并不是越多的Lock-up裝置越好。

橋梁工程；Lock-up裝置；時程分析；橋梁抗震；鎖止速度

1　概述

大跨橋梁作為交通網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，一旦在地震中遭受嚴(yán)重?fù)p壞，往往在短期內(nèi)難以修復(fù)，將嚴(yán)重地影響到災(zāi)區(qū)的抗震救災(zāi)和恢復(fù)重建，導(dǎo)致巨大的生命財產(chǎn)以及間接經(jīng)濟(jì)損失。如何有效地降低大跨橋梁結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，提高其抗震安全性，受到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛重視［1］。目前在國內(nèi)外的多座橋梁上已安裝了Lock-up裝置，如孟加拉國的帕克西大橋和美國的密蘇里比爾埃莫森紀(jì)念橋等［2］，但是在國內(nèi)還沒有得到推廣。Lock-up裝置是一種特殊的液體阻尼器，與普通阻尼器有相同的組成部分。實(shí)際過程中，在承受較大的荷載時整個裝置僅僅發(fā)生很小的位移就被鎖定，Lock-up裝置并不吸收和耗散能量。Lock-up裝置的活塞孔是經(jīng)過專門設(shè)計的，使它能夠隨著速度的變化而輸出變化的力。Lock-up裝置模擬動力作用下的工作曲線如圖1所示［3］。

圖1 Lock-up裝置模擬動力作用下的工作曲線

由圖1可以看出在動力荷載作用下，Lock-up裝置在很短的時間內(nèi)就起到了固結(jié)作用。但其在最大的動力變化下，也只產(chǎn)生很小的位移速度，所以事實(shí)上裝置是不具備耗散能量的。Lock-up裝置與普通黏滯阻尼器的結(jié)構(gòu)設(shè)計對比如表1所示。

表1　Lock-up裝置與普通阻尼器的對比

本文根據(jù)Lock-up裝置的實(shí)際工作狀態(tài)和工作特點(diǎn)，編制了適用于Lock-up裝置的分析程序，可以充分模擬Lock-up在地震荷載作用下反復(fù)鎖定和解鎖的工作狀態(tài)，較為真實(shí)地模擬實(shí)際裝置的工作情況。

2　Lock-up裝置應(yīng)用分析

2.1有限元建模

某大橋?yàn)?跨連續(xù)變截面預(yù)應(yīng)力混凝土橋，橋跨布置為75 m+3×120 m+75 m，總長510 m。主墩為空心薄壁墩，上部結(jié)構(gòu)主梁采用單箱單室箱梁，墩頂截面梁高6.7 m，跨中梁高3 m，箱梁高沿跨徑方向按1.8次拋物線變化。3#墩設(shè)置固定支座，其余橋墩設(shè)置單向活動支座，其計算模型圖如圖2所示。

圖2　連續(xù)梁橋計算模型圖

Ansys模型中主梁、橋墩及承臺采用beam4單元進(jìn)行模擬，支座采用combin14單元進(jìn)行模擬。Lock-up裝置采用能夠支持生死單元功能的link8單元進(jìn)行模擬，并通過編制的程序來判斷每一個地震荷載步下裝置的實(shí)際工作狀態(tài)，進(jìn)行循環(huán)求解分析。結(jié)構(gòu)分析中，沿著梁橋縱向輸入地震波，為了分析連續(xù)梁橋縱向的減震性能，Lock-up裝置安裝在主梁和橋墩的連接處并沿著縱向連接。本文的時程分析采用El-centro地震波，其加速度峰值為0.356 9 g。結(jié)構(gòu)中的阻尼采用瑞利阻尼，提取順橋向振動的前2階模型的自振頻率（經(jīng)計算前2階頻率為0.695 49和1.007），假定各階振型的阻尼比均為0.05，計算求得質(zhì)量矩陣和剛度矩陣的影響系數(shù)A、B的值。

2.2Lock-up裝置鎖止?fàn)顟B(tài)分析

假定Lock-up裝置始終處于自由狀態(tài)，通過對連續(xù)梁橋的時程計算，得到各個活動墩之間的相對速度差，為鎖定速度的取值提供參考。經(jīng)過計算本橋橋墩與主梁的最大速度差在350 mm/s左右。本橋3個活動墩上均設(shè)置Lock-up裝置并且采用相同的鎖定速度V0，分析工況見表2，工況2和工況7條件下，Lock-up裝置鎖止?fàn)顟B(tài)見圖3、圖4。

表2　分析工況　　　　　　　　　　　　　mm/s

圖3　 工況2條件下，Lock-up裝置鎖止?fàn)顟B(tài)

圖4　工況7條件下，Lock-up裝置鎖止?fàn)顟B(tài)

由圖3、圖4可以看出同一個工況下雖然3個Lock-up裝置具有一樣的鎖止速度，但是3個Lock-up裝置鎖止在時間上是不同步的，這是因?yàn)榈卣鹣赂鱾€橋墩的地震反應(yīng)不一樣，各橋墩與梁之間的相對運(yùn)動不同，導(dǎo)致各墩墩底內(nèi)力隨著鎖定速度V0的增大而有增大的趨勢。Lock-up裝置在地震作用下能夠進(jìn)行反復(fù)的鎖止行為，隨著鎖定速度的增大Lock-up裝置處于鎖定狀態(tài)的時間在不斷減少，較為真實(shí)地反映實(shí)際地震狀態(tài)。當(dāng)鎖定狀態(tài)較大時，考慮反復(fù)鎖止的Lock-up裝置與常規(guī)模擬方法（直接等效為一個剛性連桿）相比計算結(jié)果更偏于安全和符合實(shí)際［4-5］。故本文的計算分析按照能夠反映Lock-up裝置反復(fù)鎖止的方法進(jìn)行有限元分析。

2.3Lock-up裝置鎖定速度的優(yōu)化分析

各個工況下位移和彎矩計算結(jié)果見表3。

表3　各個工況下位移和彎矩計算結(jié)果

從表3可以得知，加上Lock-up裝置后由于存在多個活動墩共同承擔(dān)地震作用，主梁的縱向位移大幅度的減小。墩底彎矩隨著鎖定速度的不同各墩底內(nèi)力有所變化。在各活動墩上設(shè)置Lock-up裝置后，各活動墩內(nèi)力有大幅度的增大，但同時固定墩內(nèi)力也大大降低，經(jīng)計算本橋固定墩內(nèi)力降低47.44%～60.71%。本文鎖定速度小于60 mm/s時各墩墩底內(nèi)力在5.25%上下浮動。當(dāng)鎖定速度較大時，由于3個Lock-up裝置鎖定和開鎖在時間上的不同步性（見圖3～圖4），各墩內(nèi)力有增大的趨勢。如本文中當(dāng)鎖定速度V0=150 mm/s時，1#墩、2#墩、3#墩、4#墩墩底內(nèi)力比工況2（V0=30 mm/s）時的內(nèi)力 分別增大21.62%、46.97%、33.10%、32.90%。

設(shè)置Lock-up裝置前后速度時程對比見圖5、圖6。

圖5　工況1（未設(shè)置Lock-up裝置） 下1#墩速度時程曲線

從圖5、圖6可以看出，由于Lock-up裝置在地震過程中存在往復(fù)的鎖止，墩頂節(jié)點(diǎn)（Lock-up裝置的連接點(diǎn)）速度時程曲線對比有較大的差異。Lock-up裝置啟動時，質(zhì)量較大的主梁會帶動墩頂節(jié)點(diǎn)共同運(yùn)動，說明裝置在地震過程中是一個不斷往復(fù)變化的狀態(tài)，當(dāng)主梁與橋墩之間的速度差大于啟動速度時Lock-up裝置開啟，主梁和橋墩連成一個整體共同承擔(dān)地震力。隨著地震的變?nèi)跎踔两Y(jié)束后，Lock-up裝置自動解鎖，不影響結(jié)構(gòu)的正常受力。

圖6　工況2（設(shè)置Lock-up裝置）1#墩速度時程曲線對比

2.4Lock-up裝置位置的影響分析

對Lock-up裝置設(shè)置在不同墩后連續(xù)梁橋的地震響應(yīng)進(jìn)行對比分析。Lock-up布置方案見表4，彎矩及減震率變化見圖7、圖8。

從圖7可以看出，（1）各工況下，3#固定墩墩底內(nèi)力都有所減少，在墩頂處設(shè)置了Lock-up裝置的橋墩內(nèi)力都有所增大，其中工況7固定墩墩底彎矩減震率最大，達(dá)到60.52%；工況4主梁縱向位移減震率最大，達(dá)到55.67%。（2）該橋在工況4（采用2個Lockup裝置）下，縱向位移減震率為55.67%，高于工況7（采用3個Lock-up裝置）時的縱向位移減震率為41.99%，說明采用Lock-up裝置進(jìn)行減震設(shè)計時，對主梁縱向位移而言，僅僅依靠增加裝置個數(shù)并不能獲得最優(yōu)的效果。

表4　Lock-up裝置布置方案說明

圖7　彎矩和位移減震率

圖8　墩底總彎矩變化

由圖8可以看出，工況5的墩底總彎矩最大，即輸入結(jié)構(gòu)的地震能量也最大，總的來說固定墩墩底彎矩減震率隨著Lock-up裝置個數(shù)的增多而變大。而主梁縱向位移的減震率并沒有隨著Lock-up裝置個數(shù)增多而變大。本橋的計算結(jié)果表明在1#墩和2#墩各安裝1個縱向Lock-up裝置時的減震效果最好，以主梁縱向位移減震效果為主要考慮因素，工況4是最優(yōu)的減震方案。

3　結(jié)論

（1）在各個活動墩頂設(shè)置與主梁連接的Lock-up裝置后，固定墩墩底截面內(nèi)力有大幅度的降低，但同時各個活動墩墩底截面內(nèi)力迅速增大。由此可見Lock-up裝置能夠充分利用其他活動墩的“剩余”抗震承載能力，在地震時改變結(jié)構(gòu)受力，提高橋梁結(jié)構(gòu)的整體抗震性能。

（2）當(dāng)Lock-up裝置鎖止速度較大時，各墩內(nèi)力有增大的趨勢。為使Lock-up裝置獲得較好的減震性能，又不會導(dǎo)致各墩墩底內(nèi)力明顯增大，鎖止速度為30～60 mm/s為最佳。同時應(yīng)注意到設(shè)置了Lock-up裝置的橋墩墩位處墩身及基礎(chǔ)需求的增大，應(yīng)加強(qiáng)這部分的設(shè)計。

（3）地震時，Lock-up裝置一旦啟動就會改變結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，增加了連續(xù)梁整體結(jié)構(gòu)的剛度，連續(xù)梁橋整體動力特性發(fā)生變化。由于Lock-up裝置本身不具備耗能能力，故而整體結(jié)構(gòu)體系吸收總的地震能量有所增大。

（4）在進(jìn)行Lock-up裝置抗震設(shè)計時，并不是純粹地增加裝置就能達(dá)到很好的減震效果，應(yīng)考慮多種布置方案進(jìn)行設(shè)計分析得到最優(yōu)方案。

［1］陳永祁，耿瑞琦，馬良喆.橋梁用液體粘滯阻尼器的減震設(shè)計和類型選擇［J］.土木工程學(xué)報，2007，40（7）：55-61.

［2］ Dinesh J Patel. Shock Transmission units in bridge engineering ［J］. Engineering World，2000.

［3］Section 32 Shock Transmission Units AASHTO LRFD Bridge Construction Specifications［S］.

［4］許廣.多點(diǎn)激勵下大跨度橋梁地震反應(yīng)分析與控制［D］.北京：北京工業(yè)大學(xué)，2007.

［5］張永亮.Lock-up裝置在連續(xù)梁橋上的減震性能研究［J］.世界地質(zhì)工程，2010，26（2）：48-52.

Optimization Research on the Application of Lock-up Device in Continuous Beam Bridge

Hu Guomin， Wang Cong
（Ningbo Highway Design Co.， Ltd.， Ningbo 315100， China）

Taking a 5 span continuous girder bridge as engineering backgroundg， work performance and mechanism of Lock-up device are analyzed. Using the nonlinear time history analysis method， locking speed of Lock-up device and damping effects of Lock-up device layout on continuous beam bridge in the earthquake are analyzed， and optimal damping scheme for the bridge are provide. The results show that the overall seismic performance of multi span continuous beam bridge is improvd by Lock-up device， while from the economic and the damping effect， the using of Lock-up device is not the more the better.

bridge engineering； Lock-up device； time history analysis； anti-seismic bridges； locking speed

U442.55

A

1672-9889（2015）01-0022-04

胡國民（1988-），男，浙江嘉興人，碩士研究生，研究方向?yàn)闃蛄嚎癸L(fēng)與抗震。

（2014-04-13）