多跨連續梁橋速度鎖定裝置的減震性能研究

尹 航 王子軍

（1.四川省公路規劃勘察設計研究院有限公司，四川 成都 610031；2.中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北 武漢 430000）

0 引言

連續梁橋是我國高速公路和城市交通干線中廣泛運用的橋型之一，通常具有多跨長聯的特征。為減小溫度變化及混凝土收縮徐變在順橋向產生的附加內力，一般在每聯中設置一個或少數幾個固定墩，約束連續梁橋的縱向位移，以滿足正常使用的需求。然而在強震作用下，上部結構的水平慣性力幾乎全部由少數固定墩承擔，導致固定墩的動力響應極為突出，給固定墩的抗震設計帶來很大的困難。因此，減小固定墩在地震作用下的動力響應是多跨連續梁橋抗震設計的核心[1]。

傳統抗震設計方法通常采用加大墩柱截面尺寸、增加截面配筋率等方式提升多跨連續梁橋抗震性能。但是過于粗壯的橋墩不僅成本增高、影響造型，更會增加結構自身剛度，可能增大地震作用下的結構動力響應[2]。近年來，通過引入合理的減隔震措施來提升連續梁橋的抗震性能正成為橋梁抗震研究領域中的一個熱點[2-6]。速度鎖定器因其環境友好，適用性強，減震力學原理明晰等優點，在國內外多座大跨度連續橋上獲得了推廣應用，是一種極具應用前景的減震裝置。目前關于速度鎖定裝置的研究多集中于裝置本身的計算分析模型[7-9]與工程運用實例[10-14]，而關于速度鎖定裝置在多跨連續梁橋上的減震性能與布設方案的探討相對較少。

本文以成都北部的石亭江大橋為例，該橋系一座跨徑分布為（45+9×60+45）m的多跨長聯連續梁橋，采用非線性結構分析軟件建立有限元模型，對比分析不同減震方案下結構的模態變化與動力響應結果，探討速度鎖定裝置的合理布置方案。

1 速度鎖定裝置的力學原理

在橋梁上應用的速度鎖定裝置與普通雙出桿粘滯阻尼器構造相近，但二者工作原理截然不同。與粘滯阻尼器相比，速度鎖定裝置的活塞孔很小，當活塞相對缸體速度大于設計速度時，液體無法從一室運動到另一室或運動得相當緩慢，活塞直接壓縮腔內液體，速度鎖定裝置表現為大剛度特性，被連接的兩個構件近似剛接。而當相對速度較小時，粘滯液體可以從被活塞分隔的兩室中的一室緩慢移動到另一室，此時活塞桿上的反作用力很小。通常在連續梁橋活動墩上沿縱向設置速度鎖定裝置，在靜力荷載以及溫度變形、收縮徐變等作用下，速度鎖定裝置不產生縱向抗力或產生較小的抗力，活動墩在縱橋向對梁體不提供約束，對橋梁原功能幾乎無影響。在地震作用下，速度鎖定裝置迅速產生較大抗力，使活動墩參與承擔縱向地震力，改善整體結構的抗震能力。

根據速度鎖定裝置結構構造特點，本文中速度鎖定器力學性能采用Maxwell非線性力學模型模擬。力學模型可用下列公式表示：

式中：

C——阻尼常數；

v——活塞運動速度；

α——速度指數。

2 工程背景與分析模型

2.1 結構概況

石亭江大橋為預應力混凝土連續梁橋，跨徑布置為（45+9×60+45）m，設計行車速80km∕h。主梁為單箱多室截面，每幅箱梁頂板寬39.99m，底板寬36.95m，外翼緣板懸臂長1.52m，箱梁跨中及邊跨現澆段梁高2m，根部斷面高3.75m，以二次拋物線變化。主墩墩高約19m，橋墩編號為23～32號墩，采用三柱式鋼筋混凝土矩形實心墩，單個墩柱橫向寬5m，順橋厚1.8m。單個墩柱對應基礎為承臺接群樁基礎，樁基為4根直徑1.8m的鉆孔灌注樁。

2.2 分析模型

采用非線性結構分析軟件建立了石亭江大橋的有限元模型。

石亭江大橋為位于7度區的B類橋梁，場地特性周期為0.45s，場地類別為II 類，基本地震加速度值為0.10g。選用《公路橋梁抗震設計細則》中E2地震作用下的設計地震反應譜作為期望反應譜，設計反應譜如式（2）。基于反應譜與功率譜的關系，采用三角級數方法合成3條人工地震波。經過反復迭代，保證人工波的反應譜與目標反應譜差值在5%以內。

式中：

Tg——特征周期；

T——結構自振周期；

S——水平加速度反應譜值；

Smax——水平加速度反應譜最大值。

3 減震方案

原結構設計方案中，27號墩為固定墩，其他橋墩為活動墩。為了分析速度鎖定裝置用于長聯連續梁橋時的減震效果，研究合理的速度鎖定裝置布設方案，設計了以下五種減隔震方案。

方案一：在28號墩上設置速度鎖定裝置，27號墩仍為固定墩，其他橋墩為活動墩。

方案二：在26、28和29號3個墩上設置速度鎖定裝置，27號墩仍為固定墩，其他橋墩為活動墩。

方案三：在25、26、28、29和30號5個墩上設置速度鎖定裝置，27號墩仍為固定墩，其他橋墩為活動墩。

方案四：在24、25、26、28、29、30和31號7個墩上設置速度鎖定裝置，27號墩仍為固定墩，其他橋墩為活動墩。

方案五：27號墩仍為固定墩，其他9個橋墩上均設置速度鎖定裝置。

4 減震效果分析及方案對比

4.1 橋墩彎矩響應分析

由于石亭江大橋幾乎為對稱結構，速度鎖定裝置與固定墩也按對稱形式布置，因此選取半結構的23～27號橋墩作為分析對象展開探討，其他5個橋墩的動力響應特征與選取的分析對象基本呈對稱分布。沿順橋向輸入三條人工合成地震波進行激勵，取3條地震波彎矩峰值響應的包絡值作為結構彎矩響應值，各方案墩底彎矩響應值如圖1所示。

圖1 各方案墩底峰值彎矩響應圖

由圖1可見，在活動墩上設置速度鎖定裝置后，27號固定墩的彎矩響應值明顯減小，而設置速度鎖定裝置的橋墩彎矩響應值則會一定程度上增加。同時，繼續增加速度鎖定裝置的設置數目，固定墩及設置速度鎖定裝置橋墩的彎矩響應值會進一步減小。這是由于在地震作用下，設置速度鎖定裝置的活動墩與上部結構在順橋方向上幾乎轉變為剛性連接，上部結構的部分順橋向慣性力轉由原活動墩承擔，充分利用了活動墩的承載能力，調整了橋梁整體的內力分布，有效降低了固定墩的內力響應。同時，由于設置速度鎖定裝置的原活動墩彎矩響應值均未超過固定墩，且在結構設計過程中為了保證橋梁整體造型美觀，固定墩與活動墩的截面尺寸和鋼筋配置保持一致，因此并未給原活動墩帶來安全風險。

4.2 結構自振特性分析

設置速度鎖定裝置之后，地震動力作用下活動墩會對梁體產生約束，結構整體剛度隨之增加，進而影響整體結構的地震響應。由橋梁結構特性及動力學原理可知，橋梁固定墩底縱向地震響應結果主要由其一階縱向振型主導，因此應探討設置速度鎖定裝置后，結構縱向一階振型的變化對整體結構地震響應的影響。各速度鎖定裝置方案下結構縱向一階振型如表1所示。由表1可見，隨著速度鎖定裝置的增加，結構縱向剛度逐漸增大，一階縱向周期減小。

表2 連續梁橋各方案一階縱向自振特性表

在水平加速度反應譜中繪制出各方案一階縱向主導振型周期對應反應譜值S，見圖2。由圖2可以看出，各方案的一階自振周期位于反應譜的下降段，增加速度鎖定裝置的數目將降低結構的一階自振周期，導致加速度反應譜值增大。由此可見，設置速度鎖定裝置將造成橋梁整體動力響應的增加，過多地設置速度鎖定裝置可能降低減震效果，甚至反而增大橋墩動力響應。因此速度鎖定裝置并非設置得越多越好，需要考慮多重因素影響，綜合探討其適用性及布置方案。

4.3 速度鎖定裝置適用性研究

以固定墩底彎矩響應值與原方案彎矩響應值的比值作為減震效率，各方案的減震效率如圖3所示。由圖3可見，方案一中在1個橋墩上設置速度鎖定裝置時，彎矩響應值下降29%，體現出速度鎖定裝置的減震效果；方案二和方案三在3個和5個墩上設置速度鎖定器時，固定墩彎矩響應值可降至48%和56%，減震效果十分顯著；進一步增加速度鎖定器數量，方案四和方案五在7個和9個墩上設置速度鎖定器時，固定墩彎矩響應值降至61%和63%，僅進一步降低了5%和2%。可見采用方案四和方案五時，即使活動墩參與分擔部分地震力，固定墩動力響應的進一步降幅也并不顯著，反而增加了結構整體的地震響應，提升了橋梁建設成本。對于類似的11跨連續梁橋，綜合考慮速度鎖定裝置的減震效率及經濟成本，建議在5個橋墩上設置速度鎖定裝置。

圖3 固定墩減震效率

5 結束語

本文通過分析石亭江大橋設置速度鎖定裝置后的自振特性和減震效果，探討了速度鎖定裝置在多跨連續梁橋上的減震性能與合理布置方案，得到了以下結論：

（1）對于多跨連續梁橋，適當設置速度鎖定裝置能使活動墩分擔部分縱向地震力，有效降低固定墩的地震響應，有利于橋梁結構抗震設計。

（2）設置速度鎖定裝置會增大結構縱向剛度，降低結構縱向主導自振周期，當結構自振周期位于反應譜下降段時，過多設置速度鎖定裝置反而會增大結構地震響應，增加的速度鎖定裝置對結構的減震效果提升并不明顯。

（3）綜合考慮速度鎖定裝置的減震效率及經濟成本，建議對類似的11跨連續梁橋，在5個橋墩上設置速度鎖定裝置。