速度鎖定器在橋梁抗震中的適用性分析研究

項(xiàng)敬輝，馮克巖

（天津市市政工程設(shè)計(jì)研究總院，天津市 300457）

速度鎖定器在橋梁抗震中的適用性分析研究

項(xiàng)敬輝，馮克巖

（天津市市政工程設(shè)計(jì)研究總院，天津市 300457）

速度鎖定器是一種速度相關(guān)型的鎖定裝置，在國(guó)內(nèi)連續(xù)梁橋中已有所應(yīng)用。通過(guò)對(duì)三種跨徑連續(xù)梁橋在不同場(chǎng)地類別及自振周期下的抗震效果進(jìn)行分析比較，總結(jié)了速度鎖定器在橋梁抗震設(shè)計(jì)中的適用特點(diǎn)，以期為類似減隔震裝置在實(shí)際工程中的應(yīng)用設(shè)計(jì)提供借鑒。

速度鎖定器；抗震保護(hù)；場(chǎng)地類別；減隔震設(shè)計(jì)；數(shù)值模擬

0 引言

地震是人類社會(huì)面臨的嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，而地震中橋梁的毀壞或倒塌，不但會(huì)造成嚴(yán)重的直接損失，更會(huì)引發(fā)巨大的次生災(zāi)害。

汶川大地震是新中國(guó)成立以來(lái)發(fā)生的破壞力最大的地震，促使我國(guó)加快了對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)更深入的研究。2008年以來(lái)，我國(guó)相繼頒布實(shí)施了《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T B02-01-2008）、《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ 166-2011）、《公路工程抗震規(guī)范》（JTG B02-2013）、《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50909-2014）等多本關(guān)于橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的規(guī)范。各本規(guī)范具有共同的抗震設(shè)計(jì)理念：分類設(shè)防的抗震設(shè)計(jì)思想是采用E1、E2（E3）兩（多）水準(zhǔn)抗震設(shè)防，并分別對(duì)應(yīng)彈性和延性兩階段設(shè)計(jì)的新要求。

在常用的連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)中，為減少溫度及混凝土收縮徐變?cè)谡Ｊ褂脿顟B(tài)下對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，僅在一聯(lián)中間或者靠近中間位置的墩頂設(shè)置固定支座，在其余墩上均設(shè)置滑動(dòng)支座。在地震作用下，由設(shè)置固定支座的墩承擔(dān)絕大部分的縱向水平地震力，而設(shè)置滑動(dòng)支座的墩僅承擔(dān)摩擦力。在強(qiáng)震作用下，這種結(jié)構(gòu)的布置形式對(duì)設(shè)置固定支座的橋墩提出了很高的強(qiáng)度和延性要求，相應(yīng)地對(duì)固定支座及下部結(jié)構(gòu)也提出了很高的要求。如果一味地去提高設(shè)置固定支座的橋墩的能力就顯得非常的不經(jīng)濟(jì)。

速度鎖定器是一種速度（加速度）相關(guān)的鎖定裝置。在橋梁正常使用情況下，由溫差、蠕變引起的橋梁縱向位移速度較小，此時(shí)速度鎖定器不產(chǎn)生作用，活動(dòng)支座能夠提供所需的位移；當(dāng)橋梁運(yùn)動(dòng)速度大于速度鎖定器的設(shè)計(jì)值時(shí)（如發(fā)生地震），速度鎖定器立即鎖定，原來(lái)的活動(dòng)支座瞬間變?yōu)楣潭ㄖё?，使得結(jié)構(gòu)由正常使用狀況下的一個(gè)固定墩變?yōu)槎鄠€(gè)固定墩，將地震力分布到多個(gè)橋墩上，使得結(jié)構(gòu)受力更均勻，起到各墩聯(lián)合抗推、共同抗震的作用。

目前，速度鎖定器在大慶至廣州高速公路流溪河特大橋、天津中新生態(tài)城跨薊運(yùn)河故道橋、成都至都江堰輕軌高架橋段等工程項(xiàng)目中均已經(jīng)有所應(yīng)用。

1 數(shù)值模擬

1.1 模型選取

本文主要研究速度鎖定器對(duì)于不同跨徑橋梁在不同場(chǎng)地類別條件下的抗震效果分析。選擇具有代表性的三種跨徑布置（3×30 m，35 m+48 m+ 35 m和50 m+70 m+50 m），分析其在三種場(chǎng)地類型（Ⅱ類場(chǎng)地：Tg=0.35 s，Ⅲ類場(chǎng)地：Tg=0.45 s，Ⅳ類場(chǎng)地：Tg=0.65 s）的抗震效果。

1.2 模型建立

（1）單元模擬

采用結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)軟件MIDAS Civil 2015進(jìn)行分析計(jì)算，上部結(jié)構(gòu)及下部橋墩采用梁?jiǎn)卧M，支座采用連接單元模擬。

（2）邊界條件

墩底模擬考慮群樁基礎(chǔ)的等效剛度。速度鎖定器的模擬方法通常有以下幾種：a.按照固結(jié)計(jì)算；b.按照0/1模式，即超出設(shè)定的鎖定速度時(shí)按固結(jié)，其余按照活動(dòng)支座計(jì)算；c.簡(jiǎn)化為剛度很大的彈簧；d.黏滯阻尼器Maxwell模型。

本文擬分析速度鎖定器在不同結(jié)構(gòu)橋梁中的布置特點(diǎn)及其適用性，速度鎖定器按簡(jiǎn)化彈簧剛度模擬計(jì)算。三種不同跨徑的橋梁結(jié)構(gòu)計(jì)算模型如圖1～圖3所示。

圖1 30 m+30 m+30 m計(jì)算模型圖

圖2 35 m+48 m+35 m計(jì)算模型圖

圖3 50 m+70 m+50 m計(jì)算模型圖

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 30 m+30 m+30 m模型

該橋上部結(jié)構(gòu)跨徑布置為30 m+30 m+30 m，橋梁寬度b=16.5 m，橋墩的高度近似相等，約為6.5 m，橋墩截面為矩形墩，尺寸為2.0 m×2.0 m，橫橋向布置兩個(gè)橋墩。該橋的結(jié)構(gòu)自振周期為0.366 s，在不同場(chǎng)地類型條件下的抗震效果如圖4，圖5所示。

圖4 E1作用下固定墩水平力比較圖（單位：kN）

圖5 E1作用下各墩水平力之和比較圖（單位：kN）

由圖4，圖5可知，該橋結(jié)構(gòu)自振周期為0.366 s，固定墩減震率約為50%，且墩頂水平力之和幾乎不增加，即兩中墩聯(lián)合抗推，布置速度鎖定器橋墩的抗震效果明顯。

2.2 35 m+48 m+35 m模型

該橋上部結(jié)構(gòu)跨徑布置為35 m+48 m+35 m，橋梁寬度b=13 m，各墩高度為10.85 m，12 m，12.5 m，13 m，兩邊墩為花瓶墩，截面尺寸為4×2 m～6×2 m，橫橋向布置一個(gè)。中墩為方墩，截面尺寸為1.9 m× 2.2 m，橫橋向布置兩個(gè)。該橋的結(jié)構(gòu)自振周期為0.850 s，在不同場(chǎng)地類型條件下的抗震效果如圖6、圖7所示。

圖6 E1作用下固定墩水平力比較圖（單位：kN）

圖7 E1作用下各墩水平力之和比較圖（單位：kN）

由圖6、圖7可知，未布置速度鎖定器時(shí)結(jié)構(gòu)自振周期為0.850 s。（1）當(dāng)場(chǎng)地類型為Ⅱ類和Ⅲ類場(chǎng)地時(shí)，若布置速度鎖定器，固定墩減震率約為25%～45%，墩頂水平力之和增加為40%～90%，其減震效率較低，可考慮采用其他類型的減隔震裝置；（2）當(dāng)場(chǎng)地類型為Ⅳ類場(chǎng)地時(shí)，固定墩減震率為60%，墩頂水平力增加為40%，即各中墩聯(lián)合抗推。

2.3 50 m+70 m+50 m模型

該橋上部結(jié)構(gòu)跨徑布置為50 m+70 m+50 m，橋梁寬度b=13 m，各墩高度為8.5 m、7.4 m、8.3 m、8 m，邊墩和中墩為花瓶墩，截面尺寸為4×2 m～6× 2 m，橫橋向布置一個(gè)。該橋的結(jié)構(gòu)自振周期為0.360 s，在不同場(chǎng)地類型條件下的抗震效果如圖8、圖9所示。

圖8 E1作用下固定墩水平力比較圖（單位：kN）

圖9 E1作用下各墩水平力之和比較圖（單位：kN）

由圖8、圖9可知，未布置速度鎖定器時(shí)結(jié)構(gòu)自振周期為0.360 s，固定墩減震率約為40%～50%，且墩頂水平力之和增加約10%～20%，即兩中墩聯(lián)合抗推，布置速度鎖定器的抗震效果明顯。

2.4 理想化模型比較分析

綜合以上三個(gè)計(jì)算模型分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，設(shè)置速度鎖定器后，結(jié)構(gòu)的整體抗震效果與結(jié)構(gòu)的自振周期T和場(chǎng)地特征周期Tg密切相關(guān)。為排除其他因素的影響，建立理想化的橋梁模型，通過(guò)調(diào)整不同的墩高來(lái)調(diào)整結(jié)構(gòu)的自振周期來(lái)進(jìn)行分析，結(jié)果如圖10、圖11所示。

圖10 不同自振周期下減震效果比較（Tg=0.65）

圖11 對(duì)應(yīng)反應(yīng)譜圖的速度鎖定器適用性比較

由圖10、圖11可知：當(dāng)結(jié)構(gòu)的自振周期位于區(qū)域A（T≤0.1 s）時(shí)，固定墩的減震率a＞50%，各墩的水平力之和減少，布置速度鎖定器的抗震效果明顯；當(dāng)結(jié)構(gòu)的自振周期位于區(qū)域B（0.1s＜T≤Tg）時(shí)，固定墩的減震率約50%，各墩的水平力幾乎不增加，布置速度鎖定器的抗震效果明顯；當(dāng)結(jié)構(gòu)的自振周期位于區(qū)域C（Tg＜T≤1.35Tg）時(shí)，固定墩的減震率約40%～50%，地震狀態(tài)下各墩的總水平力增加10%～40%，布置速度鎖定器的抗震效果較好；當(dāng)結(jié)構(gòu)的自振周期位于區(qū)域D（T＞1.35Tg）時(shí)，固定墩的減震率約20%～30%，地震狀態(tài)下各墩的總水平力增加40%～60%，布置速度鎖定器的抗震效果較差，可考慮采用其他類型的減隔震裝置。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)速度鎖定器在不同跨徑、不同布置方案以及不同場(chǎng)地類別下的減震效果的分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）結(jié)構(gòu)自振周期0.1s＜T≤Tg時(shí)，在中墩布置速度鎖定器，此時(shí)地震狀態(tài)下結(jié)構(gòu)總水平力增加較少，各墩聯(lián)合抗推，能起到較好的抗震效果。

（2）結(jié)構(gòu)自振周期Tg＜T≤1.35Tg時(shí)，此時(shí)地震狀態(tài)下結(jié)構(gòu)總水平力增加約10%～40%。固定墩減震率約為40%～50%，布置速度鎖定器的抗震效果較好。

（3）結(jié)構(gòu)自振周期T＞1.35Tg時(shí)，布置速度鎖定器抗震效果較差，可考慮采用其他類型減隔震裝置。

（4）在實(shí)際工程應(yīng)用中，若橋墩剛度相差較大（如山區(qū)地形墩高落差大），需在橋梁分跨時(shí)考慮抗震需要，合理設(shè)置固定墩的位置，且可以通過(guò)速度鎖定器的參數(shù)特性（調(diào)整其剛度）來(lái)分配各墩承擔(dān)的水平力。

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U442.5+5

A

1009-7716（2017）04-0209-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.04.061

2017-02-16

項(xiàng)敬輝（1982-），男，浙江臨海人，碩士，高級(jí)工程師，從事橋梁設(shè)計(jì)工作。