連續梁橋鎖定裝置的減震效果對比研究

李 鋒，陳士通，馬 遙，史海東

(石家莊鐵道大學河北省交通應急保障工程技術研究中心，河北石家莊 050043)

Lock-up裝置也稱為速度鎖定器，其傳力大小與速度有關。地震突發時，將活動墩與梁體以一定剛度臨時連接，使活動墩與固定墩共同承受連續梁橋上部結構水平地震荷載，可有效利用活動墩的抗震潛能。對于高墩連續梁橋Lock-up裝置可起到良好的減震效果，但并不增加結構耗能能力[1-3]，且裝置構造相對復雜，使用過程中容易漏油。

基于連續梁橋結構形式、地震響應特點及減隔震裝置研究現狀，提出了一種以慣性力激活的減震裝置，該裝置構造簡單、維護方便，可以實現活動墩與固定墩共同抵抗地震作用的目的。以某7跨連續梁橋為例，分析了該裝置的工作原理，并與Lock-up裝置進行減震效果對比研究。

1 慣性力激活裝置

慣性力激活(IFA)裝置主要由激活裝置、鎖定裝置、水平鎖桿和牛腿構成，結構見圖1(a)。正常狀態下，鎖定裝置內部凈空大于水平鎖桿外徑，水平鎖桿可在鎖定裝置內自由水平運動，滿足正常狀態下梁墩變位需求，激活條件不受溫差引起的梁墩相對變位影響。地震發生時，當激活裝置慣性力達到IFA裝置慣性力激活閾值(可通過調整擺錘質量進行調整)時，激活裝置在慣性力作用下擺動，繼而帶動激活裝置和鎖定裝置之間的連桿機構擺動，致使鎖定裝置內部空間收縮，并與水平鎖桿相互嵌固，從而限制梁體和活動墩的相對運動，促使活動墩與固定墩共同承擔上部結構縱向水平地震荷載，充分利用連續梁橋的整體抗震性能。鑒于IFA裝置的工作原理，可知其具有震后自復位功能，同時存在震中反復鎖止的現象，裝置單元模型見圖1(b)。圖1(b)中，fk為裝置慣性力激活閾值，k1+k2為裝置初始連接剛度，k2為裝置屈服連接剛度，fs為裝置屈服力，c為單元阻尼系數。

圖1 IFA裝置

慣性力激活閾值為

式中:m為激活裝置擺錘質量；ak為激活裝置慣性力達到慣性力激活閾值fk時墩頂加速度；“-”表示慣性力方向與墩頂加速度方向相反。

2 Lock-up裝置

Lock-up裝置主要由油缸、傳力桿和活塞組成，其構造見圖2。油缸內的特殊硅介質具有反復觸變特性，在由溫度、收縮、徐變作用引起的緩慢運動下，硅介質擠壓通過活塞上的小孔或活塞與油缸間的間隙。突加動力荷載引起傳力桿加速擠壓油缸內硅介質，導致其不能夠快速通過活塞，此時裝置處于鎖定狀態[4]。Lock-up裝置預設速度開關V0，當墩梁間相對運動速度V＞V0時，裝置可按一個剛性連桿計算[5]。鎖定力F為

式中:V0為鎖定速度；Fmax為最大鎖定力。鎖定速度一般由工程具體情況而定，當用于控制地震作用時，鎖定速度通常設置在25～50 mm/s范圍內；當鎖定速度小于50 mm/s時，在實際工程中，可采用大剛度連桿模擬Lock-up裝置，并假定其始終處于完全鎖定狀態[6]。

圖2 Lock-up裝置構造

3 減震效果對比研究

3.1 計算模型

以某7跨連續梁橋為例，對2種裝置的減震效果進行了分析與比較，分析中未考慮裝置的阻尼作用，計算簡圖見圖3。

圖3 某大跨連續梁橋計算簡圖(單位:m)

跨徑組合為55 m+5×72 m+55 m，橋墩高度為15 m，其縱向抗彎慣性矩為 2.3 m4，截面面積為8.3 m2，混凝土彈性模量取3.45×1010N/m2。原設計4＃墩為固定墩，其他墩均設縱向滑動支座。采用ANSYS軟件[7-8]建模，梁、墩采用線性單元模擬，橋墩與地面固接處理。

計算采用3種工況:

工況1為原橋設計模型，即4＃橋墩與主梁鉸接，其他橋墩上梁體可沿橋縱向自由滑動。

工況2為設置IFA裝置模型，即4＃橋墩與主梁鉸接，2＃，3＃，5＃～7＃梁墩間設 IFA 裝置。

工況3為將工況2中IFA裝置替換為Lock-up裝置模型。

為便于分析IFA裝置的減震效果，假定活動墩始終處于彈性狀態，不考慮IFA裝置屈服，通過對連接剛度及慣性力激活閾值進行組合對比分析，本文取單元剛度k＝1×106kN/m，慣性力激活閾值fk＝0.05 kN；通過對比分析，Lock-up裝置鎖定速度V0＝40 mm/s。

3.2 減震效果分析及比較

為便于分析上述2種裝置的減震效果，定義固定墩墩底剪力、彎矩和梁端位移的減震率λi為

式中:R1，max為工況1所對應的結構最大地震響應；Ri，max(i＝2，3)為后2種工況所對應的結構最大地震響應。

地震波輸入考慮Ⅰ類場地的廣州2波(稱A波)、遷安波南北向(稱B波)及Ⅱ類場地的El-Centro波(稱C波)、蘭州4波(稱D波)4種地震波。為便于比較減震效果，加速度最大峰值調整為0.4g，僅考慮順橋向水平方向，4種地震波作用下固定墩墩底剪力、彎矩及梁端位移的減震率對比見圖4。

由圖4可知:

1)2種裝置發揮作用后，連續梁橋固定墩墩底剪力、彎矩及梁端位移均明顯降低，但當作用于連續梁橋的激勵波不同時，減震率呈現波動狀態，說明2種裝置的具體減震效果均受地震波頻譜特性的影響。

2)如以裝置減震率波動幅度對2種裝置減震性能進行評價，IFA裝置減震率波動幅度約為18%，Lock-up裝置減震率波動幅度約為25%，即IFA裝置減震率受地震波頻譜特性的影響相對較小，Lock-up裝置次之，說明IFA裝置的工程環境適用性較強。

3)4種地震波作用下，IFA裝置減震率均值約為63.3%，Lock-up裝置減震率均值約為 62.6%，表明IFA裝置減震效果略高于Lock-up裝置。

為進一步明確2種裝置減震機理及減震效果不同的原因，2種裝置在4種地震波作用下，連續梁橋各墩墩底剪力極值情況見圖5。

圖4 地震響應的減震率對比

圖5 4種地震波作用下各墩墩底剪力極值

由圖5可知:

1)2種裝置發揮作用后，各墩墩底剪力分配趨于均勻，說明2種裝置發揮作用后均通過將活動墩與梁體臨時連為一體的方式，實現了固定墩和活動墩的協同受力，達到了利用連續梁橋活動墩提高連續梁整體抗震性能的目的。

2)當IFA裝置引起的各墩剪力和小于Lock-up裝置引起的各墩剪力和時，其減震效果優于Lock-up裝置，反之亦然。但個別地震波作用除外，如D波作用下，盡管IFA裝置引起的各墩剪力和小于Lock-up裝置引起的各墩剪力和，但IFA裝置作用下固定墩剪力極值大于Lock-up裝置作用下的固定墩剪力極值，故D波作用下IFA裝置的減震效果略低于Lock-up裝置。

3)地震波作用下，2種裝置發揮作用均改變了原連續梁橋的結構體系，使整橋縱向整體剛度變大。鑒于本文分析時設定Lock-up裝置的連接剛度大于IFA裝置，故Lock-up裝置作用下引起的整橋地震響應應大于IFA裝置，見圖5(a)、圖5(b)、圖5(d)，但 Lockup裝置在C波作用下的橋梁整體地震響應小于IFA裝置，說明利用上述2種裝置進行減震，橋梁整體地震響應增幅不僅取決于裝置的連接剛度，還受地震波頻譜特性影響，工程應用時應予以重視。

4 結論

1)2種鎖定裝置均能取得較好的減震效果，其中IFA裝置減震效果略好于Lock-up裝置，工程環境適用性更強，但兩者具體減震效果均受地震波頻譜特性的影響。

2)2種鎖定裝置均可起到有效利用連續梁橋整體抗震潛能的作用，裝置發揮作用后引起的連續梁橋地震響應變化不僅與裝置的連接剛度有關，還受地震波頻譜特性的影響，工程應用中應加以重視。