長(zhǎng)聯(lián)公鐵兩用鋼桁梁橋采用速度鎖定器裝置減震性能研究

全 偉,趙世超,溫 欣,王東升,李鳳芹

(1.黃山學(xué)院建筑工程學(xué)院,安徽黃山 245041； 2.沈陽(yáng)建筑大學(xué)交通工程學(xué)院,沈陽(yáng) 110168；3.河北工業(yè)大學(xué)土木與交通學(xué)院,天津 300401； 4.中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司橋梁院,天津 300308)

長(zhǎng)聯(lián)公鐵兩用鋼桁梁橋上部結(jié)構(gòu)自重大，且公鐵兩用橋需要滿足的抗震性能水準(zhǔn)高，其固定墩的抗震設(shè)計(jì)十分困難。速度鎖定器裝置是一種用于解決高烈度震區(qū)大跨長(zhǎng)聯(lián)橋梁地震力的分配裝置，可有效解決傳統(tǒng)用單墩抵抗縱向地震水平力時(shí)固定墩難以設(shè)計(jì)的難題，在長(zhǎng)聯(lián)橋梁中得到了廣泛采用[1-7]。顏志華等[8]將速度鎖定器裝置用于津秦客運(yùn)專線長(zhǎng)聯(lián)橋梁中取得了較好的效果。夏修身等[9]研究了速度鎖定器裝置的作用機(jī)理和分析模型。鄭曉龍等[10]研究了速度鎖定支座的有效性。此外，研究者們[11-15]針對(duì)其他長(zhǎng)聯(lián)橋梁開(kāi)展了不同減隔震裝置的減震效果對(duì)比研究，比較了速度鎖定器、粘滯阻尼器以及摩擦擺式支座等減隔震裝置的減震效果。

針對(duì)長(zhǎng)聯(lián)大跨連續(xù)鋼桁梁橋，李金銘[16]以黃大線黃河特大橋?yàn)槔?，研究了液體粘滯阻尼器的減震性能。張常勇等[17]針對(duì)該類橋型，推薦采用摩擦擺式支座減震效果更優(yōu)。通過(guò)設(shè)置速度鎖定器裝置可以使得活動(dòng)墩與原固定墩在大震作用下共同承擔(dān)地震作用，預(yù)期可以取得較好的減震效果。不同于常規(guī)鐵路橋梁，公鐵兩用橋需同時(shí)控制公路和鐵路層的地震響應(yīng)，其抗震設(shè)計(jì)更加復(fù)雜。目前還未見(jiàn)公鐵兩用連續(xù)鋼桁梁采用速度鎖定器減震性能的研究成果，因此有必要針對(duì)該類橋梁開(kāi)展采用速度鎖定器裝置減震性能的研究工作。以石濟(jì)客專黃河公鐵兩用大橋?yàn)槔?，通過(guò)對(duì)速度鎖定器裝置布置方案以及設(shè)計(jì)參數(shù)等進(jìn)行優(yōu)化，解決該類橋梁抗震設(shè)計(jì)的難題。

1 工程實(shí)例及有限元模型

1.1 橋梁概況

石濟(jì)黃河公鐵兩用特大橋主橋采用剛性懸索加勁連續(xù)鋼桁梁結(jié)構(gòu)體系，跨度(128+3×180+128) m，聯(lián)長(zhǎng)798 m[18]。下層橋面為四線鐵路，上層橋面為六車道高速公路。616號(hào)、621號(hào)為主橋邊墩，墩高分別為14.5 m和13.4 m。617號(hào)～620號(hào)為主墩，固定支座設(shè)在618號(hào)墩，墩高分別為16，23，22，16 m。鋼桁梁采用三片主桁，桁中心距15 m，桁高15 m，桁式為有豎桿三角形桁式，整體節(jié)點(diǎn)。上、下弦桿箱形截面高度分別采用1.4 m和1.6 m，桿件內(nèi)寬1.2 m，板厚24～56 mm；腹桿采用箱形截面或H形截面，截面寬度采用1.0，1.2，1.4，1.5 m四種，板厚16～56 mm。剛性加勁懸索線形采用圓曲線，支點(diǎn)高24 m，在主跨跨中與上弦桿疊置，以使加勁弦對(duì)立柱的縱向位移起到較好的約束作用。加勁弦采用箱形桿件，截面內(nèi)寬1.2 m，高1.2 m。吊桿采用鋼拉桿。主橋立面如圖1所示。

圖1 主橋鋼桁梁立面布置(單位：高程為m，其余cm)

1.2 抗震計(jì)算模型

利用Midas Civil軟件建立主橋剛性懸索加勁連續(xù)鋼桁梁-橋墩-基礎(chǔ)整體計(jì)算模型，如圖2所示。由于上部結(jié)構(gòu)聯(lián)長(zhǎng)較長(zhǎng)，質(zhì)量大，僅鋼梁質(zhì)量就達(dá)3.7萬(wàn)t，且全橋縱向僅設(shè)1個(gè)固定墩，縱向地震作用下固定墩受力極為不利。

圖2 鋼桁梁-橋墩-基礎(chǔ)整體有限元計(jì)算模型

為了有效保護(hù)該橋在地震作用下的安全，采用速度鎖定器裝置對(duì)該橋進(jìn)行減震設(shè)計(jì)。該裝置為一種液體鎖定阻尼器，但不同于一般液體阻尼器，不能耗散能量。與普通耗能阻尼器一樣，它在溫度、徐變等慢速作用下可以自由運(yùn)動(dòng)，當(dāng)速度超過(guò)其控制值時(shí)，速度鎖定器能迅速、有效地激活質(zhì)量塊間的連接，像剛性連桿一樣工作；事件結(jié)束后，它又能恢復(fù)到初始作用力輸出狀態(tài)。在程序中采用彈性連接來(lái)模擬速度鎖定器裝置的作用[19-20]。

本橋在617號(hào)和619號(hào)活動(dòng)墩設(shè)置速度鎖定器裝置，地震作用下617號(hào)和619號(hào)墩速度鎖定器裝置鎖定，可有效分擔(dān)618號(hào)固定墩的地震作用。支座及鎖定器布置如圖3和圖4所示。

圖3 主橋支座平面布置(設(shè)置速度鎖定器)(單位：cm)

圖4 邊(中)桁速度鎖定器布置(單位：mm)

2 地震動(dòng)輸入

主橋抗震設(shè)防烈度為Ⅵ度，設(shè)計(jì)地震動(dòng)峰值加速度Ag=0.05g，地震動(dòng)特征周期為3區(qū)，場(chǎng)地土類別為Ⅲ類。根據(jù)《新建鐵路石家莊—濟(jì)南客運(yùn)專線山東段工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告》的結(jié)論：各類場(chǎng)地不同超越概率水平基巖水平向加速度峰值，該橋50年超越概率63%(多遇地震)的峰值加速度為15.6gal，50年超越概率10%(設(shè)計(jì)地震)的峰值加速度為50.5gal，50年超越概率2%(罕遇地震)的峰值加速度為94.5gal。而根據(jù)GB 50111—2006《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(2009年版)，水平地震基本加速度峰值，多遇地震為0.02g；設(shè)計(jì)地震0.05g；罕遇地震0.11g。相比之下，鐵路規(guī)范加速度峰值更大，故本橋減震設(shè)計(jì)以鐵路規(guī)范為準(zhǔn)。多遇地震和罕遇地震下，輸入反應(yīng)譜曲線如圖5所示。

圖5 地震動(dòng)反應(yīng)譜曲線

3 速度鎖定器布置方案

對(duì)于多跨長(zhǎng)聯(lián)橋梁，速度鎖定器布置方案決定了橋梁的減震效果。對(duì)典型鎖定方案(表1)進(jìn)行計(jì)算優(yōu)化分析。其中，618號(hào)橋墩為固定墩。不設(shè)置速度鎖定器的常規(guī)支座布置方案定義為基準(zhǔn)模型。表1中，0表示該墩頂部不設(shè)置速度鎖定器裝置；1表示該墩頂部設(shè)置速度鎖定器裝置。

表1 速度鎖定器裝置布置方案

4 減震效果分析

4.1 內(nèi)力減震效果

對(duì)基準(zhǔn)模型和各速度鎖定器裝置布置方案下的橋梁進(jìn)行罕遇地震響應(yīng)對(duì)比分析。主橋橋墩為三柱式橋墩，其中中柱地震響應(yīng)最大，內(nèi)力以各墩中柱底部彎矩為例進(jìn)行說(shuō)明，如表2所示。

根據(jù)表2中數(shù)值，表3給出了不同鎖定方案下固定墩減震率、整體減震率及各墩總彎矩放大倍數(shù)的計(jì)算結(jié)果。其中，固定墩減震率=(基準(zhǔn)模型固定墩底部最大彎矩-安裝速度鎖定器后固定墩底部最大彎矩)/基準(zhǔn)模型固定墩底部最大彎矩；整體減震率=(基準(zhǔn)模型固定墩底部最大彎矩-安裝速度鎖定器后各個(gè)橋墩底部彎矩最大值)/基準(zhǔn)模型固定墩底部最大彎矩?？倧澗胤糯蟊稊?shù)為各鎖定方案墩底總彎矩與基準(zhǔn)模型墩底總彎矩的比值。

表2 不同布置方案下各墩中柱墩底彎矩 MN·m

表3 不同鎖定方案下墩底彎矩減震率及總彎矩放大倍數(shù)

由表2和表3可以得出如下結(jié)論。

(1)各個(gè)鎖定方案下，由于設(shè)置速度鎖定器后活動(dòng)墩的分擔(dān)，固定墩地震響應(yīng)減小，減小幅度為20.5%～61.4%。其中鎖定方案2固定墩減震率最大，達(dá)到61.4%。

(2)罕遇地震作用下，速度鎖定器裝置鎖定，橋梁超靜定次數(shù)增多，整體剛度增大，橋梁總體地震響應(yīng)均有不同程度增加，總彎矩放大倍數(shù)從1.07到1.51，其中鎖定方案2造成的彎矩放大效應(yīng)最小，僅放大到1.07倍。

(3)注意到鎖定方案2，3，4中，橋墩墩底彎矩響應(yīng)的最大值不發(fā)生在固定墩。鎖定方案2中619號(hào)墩墩底彎矩值較大，主要原因是620號(hào)、621號(hào)橋墩未鎖定，兩墩橋跨部分地震作用大部分均傳給了619號(hào)橋墩。因此，雖然鎖定方案2中固定墩減震率達(dá)61.4%，但整體減震率僅為37.4%。

同樣，鎖定方案3和4中，617號(hào)橋墩地震響應(yīng)值更大，主要原因是該墩墩高僅為16 m，而618號(hào)和619號(hào)墩墩高分別為23 m和22 m，617號(hào)橋墩剛度較大，一旦鎖定，分擔(dān)的地震作用較大。因此，鎖定方案3、4中整體減震率均小于固定墩減震率。

4.2 位移減震效果4.2.1 梁端縱向位移

基準(zhǔn)模型以及各種不同速度鎖定器布置方案下616號(hào)、621號(hào)墩公路層以及鐵路層梁端縱向位移變化曲線如圖6所示。

圖6 不同鎖定方案下梁端位移變化曲線

由圖6可以看出，采用速度鎖定器之后，橋梁剛度增加，梁端位移隨著鎖定橋墩個(gè)數(shù)的增加一般呈遞減的趨勢(shì)。公鐵兩用橋公路層和鐵路層位移均有較大幅度的下降。616號(hào)墩公路層罕遇地震時(shí)基準(zhǔn)模型梁端位移為58.1 mm，鎖定方案4時(shí)，梁端位移為21.6 mm，減少幅度達(dá)62.8%。621號(hào)墩鐵路層罕遇地震時(shí)基準(zhǔn)模型梁端位移為72.0 mm，鎖定方案4時(shí)，梁端位移為13.5 mm，減少幅度達(dá)81.3%。

4.2.2 梁-墩相對(duì)位移

梁-墩相對(duì)位移值決定了梁端伸縮裝置的伸縮量?；鶞?zhǔn)模型以及各種鎖定方案下616號(hào)、621號(hào)墩公路層以及鐵路層梁-墩相對(duì)位移變化曲線如圖7所示。

圖7 不同鎖定方案下梁-墩相對(duì)位移變化曲線

由圖7可以看出，不同鎖定方案下，隨著采用鎖定裝置的橋墩個(gè)數(shù)增加，梁端鐵路層梁-墩相對(duì)位移逐漸減小，鎖定方案4時(shí)，梁端鎖死，梁-墩相對(duì)位移為零。但是注意到616號(hào)和621號(hào)橋墩公路層梁-墩相對(duì)位移隨著鎖定橋墩個(gè)數(shù)的增加呈逐漸增加的趨勢(shì)，如616號(hào)橋墩公路層，當(dāng)采用鎖定方案4時(shí)，其梁-墩相對(duì)位移達(dá)到134.4 mm。原因是邊墩鎖定之后，邊墩墩頂位移大大增加，而主梁公路層位移相對(duì)較小，因此，梁-墩相對(duì)位移大大增加。因此，對(duì)于控制伸縮裝置伸縮量的梁-墩相對(duì)位移值，并不是設(shè)置鎖定器裝置橋墩越多越有利，應(yīng)綜合考慮對(duì)公路層和鐵路層梁-墩相對(duì)位移的影響。

4.3 鎖定力計(jì)算

對(duì)不同鎖定工況下，速度鎖定器裝置的鎖定力進(jìn)行計(jì)算分析，為速度鎖定器裝置選型提供依據(jù)。表4給出了相關(guān)計(jì)算結(jié)果。

由表4可以看出，采用速度鎖定器裝置橋墩個(gè)數(shù)越多，則鎖定器總噸位越大，則造價(jià)越高。綜合內(nèi)力和位移的計(jì)算結(jié)果，鎖定方案2鎖定器總噸位、墩底彎矩值、梁端位移、公路層和鐵路層梁-墩相對(duì)位移值等均適中，可滿足設(shè)計(jì)要求。

表4 各布置方案下速度鎖定器裝置鎖定力 kN

4.4 鎖定裝置技術(shù)參數(shù)

根據(jù)速度鎖定器裝置各方案的比選結(jié)果，石濟(jì)客專黃河公鐵兩用特大橋最終選擇的速度鎖定器裝置設(shè)計(jì)參數(shù)如下。(1)設(shè)計(jì)阻尼力。根據(jù)表4計(jì)算結(jié)果，最終在617號(hào)和619號(hào)橋墩處邊、中桁各設(shè)置噸位4 000 kN阻尼器2個(gè)，全橋共12個(gè)。(2)最大行程。該橋設(shè)置鎖定裝置處溫度跨徑為180 m，同時(shí)按照升、降溫30 ℃計(jì)算。同時(shí)考慮施工誤差等因素預(yù)留一定富余量，鎖定裝置最大沖程采用±150 mm。(3)鎖定位移。固定墩在鎖定器裝置鎖定之前能夠發(fā)生的位移。根據(jù)計(jì)算，其數(shù)值取±12 mm。(4)鎖定速度。根據(jù)地震作用下墩梁相對(duì)位移和相對(duì)速度時(shí)程曲線，對(duì)應(yīng)鎖定位移求得鎖定速度。鎖定速度為0.25 mm/s。

5 結(jié)論

以石濟(jì)客專黃河公鐵兩用特大橋減震設(shè)計(jì)為例，研究了長(zhǎng)聯(lián)公鐵兩用鋼桁梁橋設(shè)置速度鎖定器裝置后的減震性能。該橋速度鎖定器已經(jīng)安裝，橋梁已竣工通車。通過(guò)對(duì)各速度鎖定器布置方案下橋梁地震響應(yīng)進(jìn)行對(duì)比分析研究，得出以下結(jié)論。

(1)速度鎖定器裝置可提高長(zhǎng)聯(lián)公鐵兩用鋼桁梁橋在地震作用下的整體抗震性能。采用速度鎖定器裝置使橋梁整體剛度提高，總地震響應(yīng)增加，但是由于活動(dòng)墩分擔(dān)，固定墩墩底截面地震響應(yīng)大幅降低。

(2)對(duì)長(zhǎng)聯(lián)公鐵兩用鋼桁梁橋，設(shè)置速度鎖定器裝置的活動(dòng)墩地震響應(yīng)可能超過(guò)原固定墩。主要原因是該墩相比固定墩和其他鎖定墩墩高較矮，或者鎖定墩一側(cè)未采用速度鎖定器裝置的活動(dòng)墩較多。

(3)對(duì)長(zhǎng)聯(lián)公鐵兩用鋼桁梁橋，速度鎖定器布置方案的計(jì)算比選應(yīng)同時(shí)考慮內(nèi)力和位移的減震效果以及鎖定裝置鎖定力總噸位，還需要兼顧公路層和鐵路層墩梁相對(duì)位移的大小，以控制公路以及鐵路層橋梁伸縮裝置總位移量。