速度鎖定器在大跨度鋼箱網(wǎng)狀拱橋中的減震性能分析

李龍， 梁長海， 施文杰

(1.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司， 安徽 合肥 230088； 2.公路交通節(jié)能環(huán)保技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心)

大跨度鋼箱拱橋作為山區(qū)、跨河及景觀要求較高的地區(qū)最為常見的一種橋型，具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。為了保證梁體不發(fā)生過大的水平滑動(dòng)，一般應(yīng)在每一聯(lián)中設(shè)置一個(gè)固定支座，其余均設(shè)計(jì)為活動(dòng)支座。在地震、溫度及制動(dòng)力作用下會(huì)造成固定支座橋墩承受較大的水平力。如果按常規(guī)設(shè)計(jì)原則，考慮到水平力全部由固定支座橋墩承擔(dān)，固定支座需要較大的剛度，體量相對(duì)也較大，不僅影響橋梁的整體景觀，同時(shí)也增大了相應(yīng)的工程造價(jià)。因此，速度鎖定器作為一種新型的阻尼支座，使橋梁在地震、溫度及制動(dòng)力作用下自動(dòng)鎖定，此時(shí)速度鎖定器相當(dāng)于一個(gè)剛性連桿，使橋梁在正常情況下由1個(gè)固定支座轉(zhuǎn)變?yōu)?個(gè)或更多固定支座，將水平力傳遞給其他橋墩，從而達(dá)到將水平縱向力有效地分散到多個(gè)橋墩的目的，使下部結(jié)構(gòu)受力更為均勻，結(jié)構(gòu)性能更為穩(wěn)定，同時(shí)能有效降低固定橋墩的尺寸和相關(guān)配筋，降低工程造價(jià)。大跨度鋼箱拱橋由于結(jié)構(gòu)頻率低，結(jié)構(gòu)體系較柔，抗震問題更為突出。該文以某跨河鋼箱網(wǎng)狀拱橋?yàn)檠芯繉?duì)象，探討速度鎖定器在大跨度鋼箱拱橋中應(yīng)用的可能。

1 工程概況

為明確速度鎖定器的減震作用，以某跨河大跨度鋼箱拱橋?yàn)檠芯繉?duì)象，主橋?yàn)橐豢?60 m網(wǎng)狀鋼箱拱橋，橋梁寬度為25.4 m，主橋橋墩編號(hào)分別為13#、14#，其中13#橋墩為活動(dòng)支座，14#橋墩為固定支座，13#及14#號(hào)橋墩高度分別為23.6、24 m。橋型布置圖如圖1所示，橫斷面圖如圖2所示。

圖1 某鋼箱網(wǎng)狀橋型布置圖(單位：cm)

結(jié)構(gòu)分析采用橋梁通用有限元軟件Midas Civil進(jìn)行模擬，荷載考慮結(jié)構(gòu)自重、二期恒載、吊桿張拉力，并按實(shí)際位置對(duì)荷載進(jìn)行施加；約束體系按橋梁實(shí)際支座位置進(jìn)行設(shè)置，其中13#橋墩為活動(dòng)支座，14#橋墩為固定支座，速度鎖定器設(shè)置在13#橋墩上。速度鎖定器采用黏滯阻尼器模擬，下部結(jié)構(gòu)考慮樁土相互作用，采用節(jié)點(diǎn)彈性連接進(jìn)行模擬，土彈簧剛度系數(shù)參考JTG D63-2007《公路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》的“m”法進(jìn)行計(jì)算，具體設(shè)置步驟如下：① 根據(jù)樁長設(shè)置范圍土層分布計(jì)算每層土的彈簧剛度系數(shù)；② 合理劃分樁基單元，保證每層土的中間位置有相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)施加邊界條件；③ 對(duì)應(yīng)邊界節(jié)點(diǎn)位置設(shè)置水平土彈簧。全橋共設(shè)置節(jié)點(diǎn)1 854個(gè)，單元2 034個(gè)。

圖2 橋梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖(單位：cm)

2 地震波選取及動(dòng)力特性分析

計(jì)算分析時(shí)根據(jù)JTG/T B02-01-2008《公路橋梁抗震細(xì)則》5.1條規(guī)定，公路橋梁可只考慮水平地震作用，直線橋可分別考慮順橋向和橫橋向地震作用，采用時(shí)程分析法時(shí)，地震波應(yīng)考慮多維輸入模型，并按照以順橋向和橫橋向?yàn)橹?。該次分析分別按ax∶ay∶az=1∶1∶0.65比例輸入。考慮到實(shí)際橋梁未做地震安全評(píng)估報(bào)告，根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)資料調(diào)查，橋梁設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.05g，橋梁抗震設(shè)防烈度為Ⅵ度，反應(yīng)譜特征周期為0.35 s，場(chǎng)地類型為Ⅱ類場(chǎng)地，抗震設(shè)防類別為B類。根據(jù)上述參數(shù)設(shè)計(jì)的加速度反應(yīng)譜，合成與其兼容的設(shè)計(jì)加速度時(shí)程進(jìn)行計(jì)算，考慮到地震動(dòng)的隨機(jī)性，設(shè)計(jì)加速度時(shí)程不得少于3組，且應(yīng)保證兩組間同方向時(shí)程的相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值小于0.1，3組人工合成設(shè)計(jì)加速度時(shí)程如圖3所示。

考慮結(jié)構(gòu)實(shí)際荷載質(zhì)量分布，橋梁動(dòng)力特性采用子空間迭代法進(jìn)行分析，分析結(jié)果如表1所示。

由表1可知：橋梁自振頻率相差不大，且振型分布相同，分析表明：速度鎖定器的減震作用原理與一般減隔震原理不同，并非通過改變結(jié)構(gòu)的自振周期達(dá)到減震目的。進(jìn)一步分析表1中數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)縱向頻率變化較大，具體原因?yàn)椋核俣孺i定器作為一種與速度(加速度)相關(guān)的鎖定裝置，在橋梁正常使用狀態(tài)下，橋梁縱向位移速度較小，此時(shí)速度鎖定器不產(chǎn)生縱向鎖定作用，活動(dòng)支座能夠提供相應(yīng)的位移，當(dāng)特殊情況下橋梁運(yùn)動(dòng)速度大于速度鎖定器設(shè)計(jì)值時(shí)，此時(shí)速度鎖定器立即鎖定，原來設(shè)置的活動(dòng)支座也由于速度鎖定器的鎖定變?yōu)楣潭ㄖё沟媒Y(jié)構(gòu)在正常情況下由一個(gè)固定墩變?yōu)槎鄠€(gè)固定墩，將地震力分散到多個(gè)橋墩上，也正是由于速度鎖定器的鎖定原因，縱向剛度增大，導(dǎo)致縱向振動(dòng)頻率變化較明顯。如前所述，速度鎖定器通過影響結(jié)構(gòu)內(nèi)力重新分布的方式來達(dá)到抗震目的。

圖3 設(shè)計(jì)地震波

表1 橋梁前10階頻率

3 速度鎖定器設(shè)計(jì)與減震分析

為驗(yàn)證速度鎖定器通過影響結(jié)構(gòu)內(nèi)力重新分布的方式來達(dá)到抗震目的，計(jì)算分析采用黏滯阻尼器模型，合理的阻尼器參數(shù)是正確分析的關(guān)鍵，分析時(shí)采用較為接近速度鎖定器的黏滯阻尼器MAXWELL模型，模型本構(gòu)關(guān)系式如下：

(1)

經(jīng)反復(fù)試算，式中消能器阻尼Cd=600 kN·s/m，速度v0=1 m/s，阻尼指數(shù)S=2，彈簧連接剛度kb=50 000 kN/m，dd為黏滯阻尼器消能器變形，db為連接構(gòu)件變形。

經(jīng)有限元軟件計(jì)算，得到橋梁在未設(shè)置及設(shè)置速度鎖定器時(shí)不同位置的內(nèi)力響應(yīng)如表2所示。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)一步分析可知，速度鎖定器能有效改變橋墩的內(nèi)力分布，尤其是橋墩順橋向剪力與順橋向彎矩，與未安裝鎖定器對(duì)比可知，安裝鎖定器之后橋墩底部剪力最大值降低幅度為7.62%～12.69%，橋墩底部彎矩最大值降低幅度為0.39%～9.47%，由此說明設(shè)置速度鎖定器能改善橋墩的受力作用，使橋墩底部剪力更為均勻，而對(duì)于橋墩軸力及橫橋向受力則影響較小。速度鎖定器出力時(shí)程最大值及最小值如表3所示。

表2 3條地震波作用下未安裝與安裝速度鎖定器橋墩內(nèi)力包絡(luò)對(duì)比

表3 速度鎖定器最大及最小出力值 kN

由表3可知：鎖定器在地震時(shí)程荷載作用下，出力值最大值為502.0 kN，最小值為-445.6 kN，故該橋每個(gè)活動(dòng)支座安裝2套300 kN速度鎖定器即可滿足要求。

4 結(jié)論

以某大跨度鋼箱拱橋?yàn)檠芯繉?duì)象，通過有無設(shè)置速度鎖定器，對(duì)比分析速度鎖定器的減震性能，研究結(jié)論如下：

(1) 橋梁在不設(shè)置速度鎖定器與設(shè)置速度鎖定器兩種工況下，橋梁自振頻率相差不大，橋型振型分布相同，對(duì)比分析表明，速度鎖定器的減震作用原理與一般減隔震原理不同，并非通過改變結(jié)構(gòu)的自振周期達(dá)到減隔震的目的。

(2) 通過對(duì)橋墩順橋向剪力與順橋向彎矩，與未安裝鎖定器對(duì)比分析可知設(shè)置速度鎖定器能改善橋墩的受力作用，使橋墩底部剪力更為均勻，而對(duì)于橋墩軸力及橫橋向受力則影響較小。

(3) 速度鎖定器能有效改變結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布，使活動(dòng)橋墩與固定橋墩共同承受縱向力作用，有效地改善橋墩截面內(nèi)力，從而適當(dāng)減小固定橋墩的外觀尺寸及配筋。

(4) 速度鎖定器在結(jié)構(gòu)發(fā)生縱向移動(dòng)時(shí)，能夠有效地改變結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布，減震效果良好，在有抗震要求地區(qū)可適當(dāng)推廣。

(5) 以文中背景橋?yàn)槔?，速度鎖定器在地震時(shí)程荷載作用下，出力值最大值為502.0 kN，最小值為-445.6 kN，該橋每個(gè)活動(dòng)支座安裝2套300 kN速度鎖定器即可達(dá)到預(yù)期效果，滿足工程需求。