长联公铁两用钢桁梁桥采用速度锁定器装置减震性能研究

全 伟,赵世超,温 欣,王东升,李凤芹

(1.黄山学院建筑工程学院,安徽黄山 245041； 2.沈阳建筑大学交通工程学院,沈阳 110168；3.河北工业大学土木与交通学院,天津 300401； 4.中国铁路设计集团有限公司桥梁院,天津 300308)

长联公铁两用钢桁梁桥上部结构自重大，且公铁两用桥需要满足的抗震性能水准高，其固定墩的抗震设计十分困难。速度锁定器装置是一种用于解决高烈度震区大跨长联桥梁地震力的分配装置，可有效解决传统用单墩抵抗纵向地震水平力时固定墩难以设计的难题，在长联桥梁中得到了广泛采用[1-7]。颜志华等[8]将速度锁定器装置用于津秦客运专线长联桥梁中取得了较好的效果。夏修身等[9]研究了速度锁定器装置的作用机理和分析模型。郑晓龙等[10]研究了速度锁定支座的有效性。此外，研究者们[11-15]针对其他长联桥梁开展了不同减隔震装置的减震效果对比研究，比较了速度锁定器、粘滞阻尼器以及摩擦摆式支座等减隔震装置的减震效果。

针对长联大跨连续钢桁梁桥，李金铭[16]以黄大线黄河特大桥为例，研究了液体粘滞阻尼器的减震性能。张常勇等[17]针对该类桥型，推荐采用摩擦摆式支座减震效果更优。通过设置速度锁定器装置可以使得活动墩与原固定墩在大震作用下共同承担地震作用，预期可以取得较好的减震效果。不同于常规铁路桥梁，公铁两用桥需同时控制公路和铁路层的地震响应，其抗震设计更加复杂。目前还未见公铁两用连续钢桁梁采用速度锁定器减震性能的研究成果，因此有必要针对该类桥梁开展采用速度锁定器装置减震性能的研究工作。以石济客专黄河公铁两用大桥为例，通过对速度锁定器装置布置方案以及设计参数等进行优化，解决该类桥梁抗震设计的难题。

1 工程实例及有限元模型

1.1 桥梁概况

石济黄河公铁两用特大桥主桥采用刚性悬索加劲连续钢桁梁结构体系，跨度(128+3×180+128) m，联长798 m[18]。下层桥面为四线铁路，上层桥面为六车道高速公路。616号、621号为主桥边墩，墩高分别为14.5 m和13.4 m。617号～620号为主墩，固定支座设在618号墩，墩高分别为16，23，22，16 m。钢桁梁采用三片主桁，桁中心距15 m，桁高15 m，桁式为有竖杆三角形桁式，整体节点。上、下弦杆箱形截面高度分别采用1.4 m和1.6 m，杆件内宽1.2 m，板厚24～56 mm；腹杆采用箱形截面或H形截面，截面宽度采用1.0，1.2，1.4，1.5 m四种，板厚16～56 mm。刚性加劲悬索线形采用圆曲线，支点高24 m，在主跨跨中与上弦杆叠置，以使加劲弦对立柱的纵向位移起到较好的约束作用。加劲弦采用箱形杆件，截面内宽1.2 m，高1.2 m。吊杆采用钢拉杆。主桥立面如图1所示。

图1 主桥钢桁梁立面布置(单位：高程为m，其余cm)

1.2 抗震计算模型

利用Midas Civil软件建立主桥刚性悬索加劲连续钢桁梁-桥墩-基础整体计算模型，如图2所示。由于上部结构联长较长，质量大，仅钢梁质量就达3.7万t，且全桥纵向仅设1个固定墩，纵向地震作用下固定墩受力极为不利。

图2 钢桁梁-桥墩-基础整体有限元计算模型

为了有效保护该桥在地震作用下的安全，采用速度锁定器装置对该桥进行减震设计。该装置为一种液体锁定阻尼器，但不同于一般液体阻尼器，不能耗散能量。与普通耗能阻尼器一样，它在温度、徐变等慢速作用下可以自由运动，当速度超过其控制值时，速度锁定器能迅速、有效地激活质量块间的连接，像刚性连杆一样工作；事件结束后，它又能恢复到初始作用力输出状态。在程序中采用弹性连接来模拟速度锁定器装置的作用[19-20]。

本桥在617号和619号活动墩设置速度锁定器装置，地震作用下617号和619号墩速度锁定器装置锁定，可有效分担618号固定墩的地震作用。支座及锁定器布置如图3和图4所示。

图3 主桥支座平面布置(设置速度锁定器)(单位：cm)

图4 边(中)桁速度锁定器布置(单位：mm)

2 地震动输入

主桥抗震设防烈度为Ⅵ度，设计地震动峰值加速度Ag=0.05g，地震动特征周期为3区，场地土类别为Ⅲ类。根据《新建铁路石家庄—济南客运专线山东段工程场地地震安全性评价报告》的结论：各类场地不同超越概率水平基岩水平向加速度峰值，该桥50年超越概率63%(多遇地震)的峰值加速度为15.6gal，50年超越概率10%(设计地震)的峰值加速度为50.5gal，50年超越概率2%(罕遇地震)的峰值加速度为94.5gal。而根据GB 50111—2006《铁路工程抗震设计规范》(2009年版)，水平地震基本加速度峰值，多遇地震为0.02g；设计地震0.05g；罕遇地震0.11g。相比之下，铁路规范加速度峰值更大，故本桥减震设计以铁路规范为准。多遇地震和罕遇地震下，输入反应谱曲线如图5所示。

图5 地震动反应谱曲线

3 速度锁定器布置方案

对于多跨长联桥梁，速度锁定器布置方案决定了桥梁的减震效果。对典型锁定方案(表1)进行计算优化分析。其中，618号桥墩为固定墩。不设置速度锁定器的常规支座布置方案定义为基准模型。表1中，0表示该墩顶部不设置速度锁定器装置；1表示该墩顶部设置速度锁定器装置。

表1 速度锁定器装置布置方案

4 减震效果分析

4.1 内力减震效果

对基准模型和各速度锁定器装置布置方案下的桥梁进行罕遇地震响应对比分析。主桥桥墩为三柱式桥墩，其中中柱地震响应最大，内力以各墩中柱底部弯矩为例进行说明，如表2所示。

根据表2中数值，表3给出了不同锁定方案下固定墩减震率、整体减震率及各墩总弯矩放大倍数的计算结果。其中，固定墩减震率=(基准模型固定墩底部最大弯矩-安装速度锁定器后固定墩底部最大弯矩)/基准模型固定墩底部最大弯矩；整体减震率=(基准模型固定墩底部最大弯矩-安装速度锁定器后各个桥墩底部弯矩最大值)/基准模型固定墩底部最大弯矩。总弯矩放大倍数为各锁定方案墩底总弯矩与基准模型墩底总弯矩的比值。

表2 不同布置方案下各墩中柱墩底弯矩 MN·m

表3 不同锁定方案下墩底弯矩减震率及总弯矩放大倍数

由表2和表3可以得出如下结论。

(1)各个锁定方案下，由于设置速度锁定器后活动墩的分担，固定墩地震响应减小，减小幅度为20.5%～61.4%。其中锁定方案2固定墩减震率最大，达到61.4%。

(2)罕遇地震作用下，速度锁定器装置锁定，桥梁超静定次数增多，整体刚度增大，桥梁总体地震响应均有不同程度增加，总弯矩放大倍数从1.07到1.51，其中锁定方案2造成的弯矩放大效应最小，仅放大到1.07倍。

(3)注意到锁定方案2，3，4中，桥墩墩底弯矩响应的最大值不发生在固定墩。锁定方案2中619号墩墩底弯矩值较大，主要原因是620号、621号桥墩未锁定，两墩桥跨部分地震作用大部分均传给了619号桥墩。因此，虽然锁定方案2中固定墩减震率达61.4%，但整体减震率仅为37.4%。

同样，锁定方案3和4中，617号桥墩地震响应值更大，主要原因是该墩墩高仅为16 m，而618号和619号墩墩高分别为23 m和22 m，617号桥墩刚度较大，一旦锁定，分担的地震作用较大。因此，锁定方案3、4中整体减震率均小于固定墩减震率。

4.2 位移减震效果4.2.1 梁端纵向位移

基准模型以及各种不同速度锁定器布置方案下616号、621号墩公路层以及铁路层梁端纵向位移变化曲线如图6所示。

图6 不同锁定方案下梁端位移变化曲线

由图6可以看出，采用速度锁定器之后，桥梁刚度增加，梁端位移随着锁定桥墩个数的增加一般呈递减的趋势。公铁两用桥公路层和铁路层位移均有较大幅度的下降。616号墩公路层罕遇地震时基准模型梁端位移为58.1 mm，锁定方案4时，梁端位移为21.6 mm，减少幅度达62.8%。621号墩铁路层罕遇地震时基准模型梁端位移为72.0 mm，锁定方案4时，梁端位移为13.5 mm，减少幅度达81.3%。

4.2.2 梁-墩相对位移

梁-墩相对位移值决定了梁端伸缩装置的伸缩量。基准模型以及各种锁定方案下616号、621号墩公路层以及铁路层梁-墩相对位移变化曲线如图7所示。

图7 不同锁定方案下梁-墩相对位移变化曲线

由图7可以看出，不同锁定方案下，随着采用锁定装置的桥墩个数增加，梁端铁路层梁-墩相对位移逐渐减小，锁定方案4时，梁端锁死，梁-墩相对位移为零。但是注意到616号和621号桥墩公路层梁-墩相对位移随着锁定桥墩个数的增加呈逐渐增加的趋势，如616号桥墩公路层，当采用锁定方案4时，其梁-墩相对位移达到134.4 mm。原因是边墩锁定之后，边墩墩顶位移大大增加，而主梁公路层位移相对较小，因此，梁-墩相对位移大大增加。因此，对于控制伸缩装置伸缩量的梁-墩相对位移值，并不是设置锁定器装置桥墩越多越有利，应综合考虑对公路层和铁路层梁-墩相对位移的影响。

4.3 锁定力计算

对不同锁定工况下，速度锁定器装置的锁定力进行计算分析，为速度锁定器装置选型提供依据。表4给出了相关计算结果。

由表4可以看出，采用速度锁定器装置桥墩个数越多，则锁定器总吨位越大，则造价越高。综合内力和位移的计算结果，锁定方案2锁定器总吨位、墩底弯矩值、梁端位移、公路层和铁路层梁-墩相对位移值等均适中，可满足设计要求。

表4 各布置方案下速度锁定器装置锁定力 kN

4.4 锁定装置技术参数

根据速度锁定器装置各方案的比选结果，石济客专黄河公铁两用特大桥最终选择的速度锁定器装置设计参数如下。(1)设计阻尼力。根据表4计算结果，最终在617号和619号桥墩处边、中桁各设置吨位4 000 kN阻尼器2个，全桥共12个。(2)最大行程。该桥设置锁定装置处温度跨径为180 m，同时按照升、降温30 ℃计算。同时考虑施工误差等因素预留一定富余量，锁定装置最大冲程采用±150 mm。(3)锁定位移。固定墩在锁定器装置锁定之前能够发生的位移。根据计算，其数值取±12 mm。(4)锁定速度。根据地震作用下墩梁相对位移和相对速度时程曲线，对应锁定位移求得锁定速度。锁定速度为0.25 mm/s。

5 结论

以石济客专黄河公铁两用特大桥减震设计为例，研究了长联公铁两用钢桁梁桥设置速度锁定器装置后的减震性能。该桥速度锁定器已经安装，桥梁已竣工通车。通过对各速度锁定器布置方案下桥梁地震响应进行对比分析研究，得出以下结论。

(1)速度锁定器装置可提高长联公铁两用钢桁梁桥在地震作用下的整体抗震性能。采用速度锁定器装置使桥梁整体刚度提高，总地震响应增加，但是由于活动墩分担，固定墩墩底截面地震响应大幅降低。

(2)对长联公铁两用钢桁梁桥，设置速度锁定器装置的活动墩地震响应可能超过原固定墩。主要原因是该墩相比固定墩和其他锁定墩墩高较矮，或者锁定墩一侧未采用速度锁定器装置的活动墩较多。

(3)对长联公铁两用钢桁梁桥，速度锁定器布置方案的计算比选应同时考虑内力和位移的减震效果以及锁定装置锁定力总吨位，还需要兼顾公路层和铁路层墩梁相对位移的大小，以控制公路以及铁路层桥梁伸缩装置总位移量。