速度鎖定器在橋梁抗震中的適用性分析研究

項敬輝，馮克巖

（天津市市政工程設計研究總院，天津市 300457）

速度鎖定器在橋梁抗震中的適用性分析研究

項敬輝，馮克巖

（天津市市政工程設計研究總院，天津市 300457）

速度鎖定器是一種速度相關型的鎖定裝置，在國內連續梁橋中已有所應用。通過對三種跨徑連續梁橋在不同場地類別及自振周期下的抗震效果進行分析比較，總結了速度鎖定器在橋梁抗震設計中的適用特點，以期為類似減隔震裝置在實際工程中的應用設計提供借鑒。

速度鎖定器；抗震保護；場地類別；減隔震設計；數值模擬

0 引言

地震是人類社會面臨的嚴重的自然災害之一，而地震中橋梁的毀壞或倒塌，不但會造成嚴重的直接損失，更會引發巨大的次生災害。

汶川大地震是新中國成立以來發生的破壞力最大的地震，促使我國加快了對橋梁結構抗震設計更深入的研究。2008年以來，我國相繼頒布實施了《公路橋梁抗震設計細則》（JTG/T B02-01-2008）、《城市橋梁抗震設計規范》（CJJ 166-2011）、《公路工程抗震規范》（JTG B02-2013）、《城市軌道交通結構抗震設計規范》（GB 50909-2014）等多本關于橋梁結構抗震設計的規范。各本規范具有共同的抗震設計理念：分類設防的抗震設計思想是采用E1、E2（E3）兩（多）水準抗震設防，并分別對應彈性和延性兩階段設計的新要求。

在常用的連續梁橋結構中，為減少溫度及混凝土收縮徐變在正常使用狀態下對結構的影響，僅在一聯中間或者靠近中間位置的墩頂設置固定支座，在其余墩上均設置滑動支座。在地震作用下，由設置固定支座的墩承擔絕大部分的縱向水平地震力，而設置滑動支座的墩僅承擔摩擦力。在強震作用下，這種結構的布置形式對設置固定支座的橋墩提出了很高的強度和延性要求，相應地對固定支座及下部結構也提出了很高的要求。如果一味地去提高設置固定支座的橋墩的能力就顯得非常的不經濟。

速度鎖定器是一種速度（加速度）相關的鎖定裝置。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，此時速度鎖定器不產生作用，活動支座能夠提供所需的位移；當橋梁運動速度大于速度鎖定器的設計值時（如發生地震），速度鎖定器立即鎖定，原來的活動支座瞬間變為固定支座，使得結構由正常使用狀況下的一個固定墩變為多個固定墩，將地震力分布到多個橋墩上，使得結構受力更均勻，起到各墩聯合抗推、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、天津中新生態城跨薊運河故道橋、成都至都江堰輕軌高架橋段等工程項目中均已經有所應用。

1 數值模擬

1.1 模型選取

本文主要研究速度鎖定器對于不同跨徑橋梁在不同場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），分析其在三種場地類型（Ⅱ類場地：Tg=0.35 s，Ⅲ類場地：Tg=0.45 s，Ⅳ類場地：Tg=0.65 s）的抗震效果。

1.2 模型建立

（1）單元模擬

采用結構分析與設計軟件MIDAS Civil 2015進行分析計算，上部結構及下部橋墩采用梁單元模擬，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.按照固結計算；b.按照0/1模式，即超出設定的鎖定速度時按固結，其余按照活動支座計算；c.簡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構橋梁中的布置特點及其適用性，速度鎖定器按簡化彈簧剛度模擬計算。三種不同跨徑的橋梁結構計算模型如圖1～圖3所示。

圖1 30 m+30 m+30 m計算模型圖

圖2 35 m+48 m+35 m計算模型圖

圖3 50 m+70 m+50 m計算模型圖

2 計算結果分析

2.1 30 m+30 m+30 m模型

該橋上部結構跨徑布置為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，橫橋向布置兩個橋墩。該橋的結構自振周期為0.366 s，在不同場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，該橋結構自振周期為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

該橋上部結構跨徑布置為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。中墩為方墩，截面尺寸為1.9 m× 2.2 m，橫橋向布置兩個。該橋的結構自振周期為0.850 s，在不同場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結構自振周期為0.850 s。（1）當場地類型為Ⅱ類和Ⅲ類場地時，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）當場地類型為Ⅳ類場地時，固定墩減震率為60%，墩頂水平力增加為40%，即各中墩聯合抗推。

2.3 50 m+70 m+50 m模型

該橋上部結構跨徑布置為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。該橋的結構自振周期為0.360 s，在不同場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結構自振周期為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

綜合以上三個計算模型分析結果可以發現，設置速度鎖定器后，結構的整體抗震效果與結構的自振周期T和場地特征周期Tg密切相關。為排除其他因素的影響，建立理想化的橋梁模型，通過調整不同的墩高來調整結構的自振周期來進行分析，結果如圖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 對應反應譜圖的速度鎖定器適用性比較

由圖10、圖11可知：當結構的自振周期位于區域A（T≤0.1 s）時，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；當結構的自振周期位于區域B（0.1s＜T≤Tg）時，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；當結構的自振周期位于區域C（Tg＜T≤1.35Tg）時，固定墩的減震率約40%～50%，地震狀態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；當結構的自振周期位于區域D（T＞1.35Tg）時，固定墩的減震率約20%～30%，地震狀態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 結論

通過對速度鎖定器在不同跨徑、不同布置方案以及不同場地類別下的減震效果的分析，可以得出以下結論：

（1）結構自振周期0.1s＜T≤Tg時，在中墩布置速度鎖定器，此時地震狀態下結構總水平力增加較少，各墩聯合抗推，能起到較好的抗震效果。

（2）結構自振周期Tg＜T≤1.35Tg時，此時地震狀態下結構總水平力增加約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）結構自振周期T＞1.35Tg時，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）在實際工程應用中，若橋墩剛度相差較大（如山區地形墩高落差大），需在橋梁分跨時考慮抗震需要，合理設置固定墩的位置，且可以通過速度鎖定器的參數特性（調整其剛度）來分配各墩承擔的水平力。

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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

項敬輝（1982-），男，浙江臨海人，碩士，高級工程師，從事橋梁設計工作。