连续梁桥锁定装置的减震效果对比研究

2018-08-31陈士通史海东

铁道建筑 2018年8期

李锋，陈士通，马遥，史海东

(石家庄铁道大学河北省交通应急保障工程技术研究中心，河北石家庄 050043)

Lock-up装置也称为速度锁定器，其传力大小与速度有关。地震突发时，将活动墩与梁体以一定刚度临时连接，使活动墩与固定墩共同承受连续梁桥上部结构水平地震荷载，可有效利用活动墩的抗震潜能。对于高墩连续梁桥Lock-up装置可起到良好的减震效果，但并不增加结构耗能能力[1-3]，且装置构造相对复杂，使用过程中容易漏油。

基于连续梁桥结构形式、地震响应特点及减隔震装置研究现状，提出了一种以惯性力激活的减震装置，该装置构造简单、维护方便，可以实现活动墩与固定墩共同抵抗地震作用的目的。以某7跨连续梁桥为例，分析了该装置的工作原理，并与Lock-up装置进行减震效果对比研究。

1 惯性力激活装置

惯性力激活(IFA)装置主要由激活装置、锁定装置、水平锁杆和牛腿构成，结构见图1(a)。正常状态下，锁定装置内部净空大于水平锁杆外径，水平锁杆可在锁定装置内自由水平运动，满足正常状态下梁墩变位需求，激活条件不受温差引起的梁墩相对变位影响。地震发生时，当激活装置惯性力达到IFA装置惯性力激活阈值(可通过调整摆锤质量进行调整)时，激活装置在惯性力作用下摆动，继而带动激活装置和锁定装置之间的连杆机构摆动，致使锁定装置内部空间收缩，并与水平锁杆相互嵌固，从而限制梁体和活动墩的相对运动，促使活动墩与固定墩共同承担上部结构纵向水平地震荷载，充分利用连续梁桥的整体抗震性能。鉴于IFA装置的工作原理，可知其具有震后自复位功能，同时存在震中反复锁止的现象，装置单元模型见图1(b)。图1(b)中，fk为装置惯性力激活阈值，k1+k2为装置初始连接刚度，k2为装置屈服连接刚度，fs为装置屈服力，c为单元阻尼系数。

图1 IFA装置

惯性力激活阈值为

式中:m为激活装置摆锤质量；ak为激活装置惯性力达到惯性力激活阈值fk时墩顶加速度；“-”表示惯性力方向与墩顶加速度方向相反。

2 Lock-up装置

Lock-up装置主要由油缸、传力杆和活塞组成，其构造见图2。油缸内的特殊硅介质具有反复触变特性，在由温度、收缩、徐变作用引起的缓慢运动下，硅介质挤压通过活塞上的小孔或活塞与油缸间的间隙。突加动力荷载引起传力杆加速挤压油缸内硅介质，导致其不能够快速通过活塞，此时装置处于锁定状态[4]。Lock-up装置预设速度开关V0，当墩梁间相对运动速度V＞V0时，装置可按一个刚性连杆计算[5]。锁定力F为

式中:V0为锁定速度；Fmax为最大锁定力。锁定速度一般由工程具体情况而定，当用于控制地震作用时，锁定速度通常设置在25～50 mm/s范围内；当锁定速度小于50 mm/s时，在实际工程中，可采用大刚度连杆模拟Lock-up装置，并假定其始终处于完全锁定状态[6]。

图2 Lock-up装置构造

3 减震效果对比研究

3.1 计算模型

以某7跨连续梁桥为例，对2种装置的减震效果进行了分析与比较，分析中未考虑装置的阻尼作用，计算简图见图3。

图3 某大跨连续梁桥计算简图(单位:m)

跨径组合为55 m+5×72 m+55 m，桥墩高度为15 m，其纵向抗弯惯性矩为 2.3 m4，截面面积为8.3 m2，混凝土弹性模量取3.45×1010N/m2。原设计4＃墩为固定墩，其他墩均设纵向滑动支座。采用ANSYS软件[7-8]建模，梁、墩采用线性单元模拟，桥墩与地面固接处理。

计算采用3种工况:

工况1为原桥设计模型，即4＃桥墩与主梁铰接，其他桥墩上梁体可沿桥纵向自由滑动。

工况2为设置IFA装置模型，即4＃桥墩与主梁铰接，2＃，3＃，5＃～7＃梁墩间设 IFA 装置。

工况3为将工况2中IFA装置替换为Lock-up装置模型。

为便于分析IFA装置的减震效果，假定活动墩始终处于弹性状态，不考虑IFA装置屈服，通过对连接刚度及惯性力激活阈值进行组合对比分析，本文取单元刚度k＝1×106kN/m，惯性力激活阈值fk＝0.05 kN；通过对比分析，Lock-up装置锁定速度V0＝40 mm/s。

3.2 减震效果分析及比较

为便于分析上述2种装置的减震效果，定义固定墩墩底剪力、弯矩和梁端位移的减震率λi为

式中:R1，max为工况1所对应的结构最大地震响应；Ri，max(i＝2，3)为后2种工况所对应的结构最大地震响应。

地震波输入考虑Ⅰ类场地的广州2波(称A波)、迁安波南北向(称B波)及Ⅱ类场地的El-Centro波(称C波)、兰州4波(称D波)4种地震波。为便于比较减震效果，加速度最大峰值调整为0.4g，仅考虑顺桥向水平方向，4种地震波作用下固定墩墩底剪力、弯矩及梁端位移的减震率对比见图4。

由图4可知:

1)2种装置发挥作用后，连续梁桥固定墩墩底剪力、弯矩及梁端位移均明显降低，但当作用于连续梁桥的激励波不同时，减震率呈现波动状态，说明2种装置的具体减震效果均受地震波频谱特性的影响。

2)如以装置减震率波动幅度对2种装置减震性能进行评价，IFA装置减震率波动幅度约为18%，Lock-up装置减震率波动幅度约为25%，即IFA装置减震率受地震波频谱特性的影响相对较小，Lock-up装置次之，说明IFA装置的工程环境适用性较强。

3)4种地震波作用下，IFA装置减震率均值约为63.3%，Lock-up装置减震率均值约为 62.6%，表明IFA装置减震效果略高于Lock-up装置。

为进一步明确2种装置减震机理及减震效果不同的原因，2种装置在4种地震波作用下，连续梁桥各墩墩底剪力极值情况见图5。

图4 地震响应的减震率对比

图5 4种地震波作用下各墩墩底剪力极值

由图5可知:

1)2种装置发挥作用后，各墩墩底剪力分配趋于均匀，说明2种装置发挥作用后均通过将活动墩与梁体临时连为一体的方式，实现了固定墩和活动墩的协同受力，达到了利用连续梁桥活动墩提高连续梁整体抗震性能的目的。

2)当IFA装置引起的各墩剪力和小于Lock-up装置引起的各墩剪力和时，其减震效果优于Lock-up装置，反之亦然。但个别地震波作用除外，如D波作用下，尽管IFA装置引起的各墩剪力和小于Lock-up装置引起的各墩剪力和，但IFA装置作用下固定墩剪力极值大于Lock-up装置作用下的固定墩剪力极值，故D波作用下IFA装置的减震效果略低于Lock-up装置。

3)地震波作用下，2种装置发挥作用均改变了原连续梁桥的结构体系，使整桥纵向整体刚度变大。鉴于本文分析时设定Lock-up装置的连接刚度大于IFA装置，故Lock-up装置作用下引起的整桥地震响应应大于IFA装置，见图5(a)、图5(b)、图5(d)，但 Lockup装置在C波作用下的桥梁整体地震响应小于IFA装置，说明利用上述2种装置进行减震，桥梁整体地震响应增幅不仅取决于装置的连接刚度，还受地震波频谱特性影响，工程应用时应予以重视。