李 鋒，陳士通，馬 遙，史海東

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

Lock-up裝置也稱(chēng)為速度鎖定器，其傳力大小與速度有關(guān)。地震突發(fā)時(shí)，將活動(dòng)墩與梁體以一定剛度臨時(shí)連接，使活動(dòng)墩與固定墩共同承受連續(xù)梁橋上部結(jié)構(gòu)水平地震荷載，可有效利用活動(dòng)墩的抗震潛能。對(duì)于高墩連續(xù)梁橋Lock-up裝置可起到良好的減震效果，但并不增加結(jié)構(gòu)耗能能力[1-3]，且裝置構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜，使用過(guò)程中容易漏油。

基于連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)形式、地震響應(yīng)特點(diǎn)及減隔震裝置研究現(xiàn)狀，提出了一種以慣性力激活的減震裝置，該裝置構(gòu)造簡(jiǎn)單、維護(hù)方便，可以實(shí)現(xiàn)活動(dòng)墩與固定墩共同抵抗地震作用的目的。以某7跨連續(xù)梁橋?yàn)槔治隽嗽撗b置的工作原理，并與Lock-up裝置進(jìn)行減震效果對(duì)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(gòu)成，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1(a)。正常狀態(tài)下，鎖定裝置內(nèi)部?jī)艨沾笥谒芥i桿外徑，水平鎖桿可在鎖定裝置內(nèi)自由水平運(yùn)動(dòng)，滿(mǎn)足正常狀態(tài)下梁墩變位需求，激活條件不受溫差引起的梁墩相對(duì)變位影響。地震發(fā)生時(shí)，當(dāng)激活裝置慣性力達(dá)到IFA裝置慣性力激活閾值(可通過(guò)調(diào)整擺錘質(zhì)量進(jìn)行調(diào)整)時(shí)，激活裝置在慣性力作用下擺動(dòng)，繼而帶動(dòng)激活裝置和鎖定裝置之間的連桿機(jī)構(gòu)擺動(dòng)，致使鎖定裝置內(nèi)部空間收縮，并與水平鎖桿相互嵌固，從而限制梁體和活動(dòng)墩的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，促使活動(dòng)墩與固定墩共同承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)縱向水平地震荷載，充分利用連續(xù)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(fù)位功能，同時(shí)存在震中反復(fù)鎖止的現(xiàn)象，裝置單元模型見(jiàn)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(shù)。

圖1 IFA裝置

慣性力激活閾值為

式中:m為激活裝置擺錘質(zhì)量；ak為激活裝置慣性力達(dá)到慣性力激活閾值fk時(shí)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(gòu)造見(jiàn)圖2。油缸內(nèi)的特殊硅介質(zhì)具有反復(fù)觸變特性，在由溫度、收縮、徐變作用引起的緩慢運(yùn)動(dòng)下，硅介質(zhì)擠壓通過(guò)活塞上的小孔或活塞與油缸間的間隙。突加動(dòng)力荷載引起傳力桿加速擠壓油缸內(nèi)硅介質(zhì)，導(dǎo)致其不能夠快速通過(guò)活塞，此時(shí)裝置處于鎖定狀態(tài)[4]。Lock-up裝置預(yù)設(shè)速度開(kāi)關(guān)V0，當(dāng)墩梁間相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度V＞V0時(shí)，裝置可按一個(gè)剛性連桿計(jì)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(dāng)用于控制地震作用時(shí)，鎖定速度通常設(shè)置在25～50 mm/s范圍內(nèi)；當(dāng)鎖定速度小于50 mm/s時(shí)，在實(shí)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(tài)[6]。

圖2 Lock-up裝置構(gòu)造

3 減震效果對(duì)比研究

3.1 計(jì)算模型

以某7跨連續(xù)梁橋?yàn)槔瑢?duì)2種裝置的減震效果進(jìn)行了分析與比較，分析中未考慮裝置的阻尼作用，計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖3。

圖3 某大跨連續(xù)梁橋計(jì)算簡(jiǎn)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(shè)計(jì)4＃墩為固定墩，其他墩均設(shè)縱向滑動(dòng)支座。采用ANSYS軟件[7-8]建模，梁、墩采用線(xiàn)性單元模擬，橋墩與地面固接處理。

計(jì)算采用3種工況:

工況1為原橋設(shè)計(jì)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(dòng)。

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

工況3為將工況2中IFA裝置替換為L(zhǎng)ock-up裝置模型。

為便于分析IFA裝置的減震效果，假定活動(dòng)墩始終處于彈性狀態(tài)，不考慮IFA裝置屈服，通過(guò)對(duì)連接剛度及慣性力激活閾值進(jìn)行組合對(duì)比分析，本文取單元?jiǎng)偠萲＝1×106kN/m，慣性力激活閾值fk＝0.05 kN；通過(guò)對(duì)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(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)最大地震響應(yīng)；Ri，max(i＝2，3)為后2種工況所對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)最大地震響應(yīng)。

地震波輸入考慮Ⅰ類(lèi)場(chǎng)地的廣州2波(稱(chēng)A波)、遷安波南北向(稱(chēng)B波)及Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地的El-Centro波(稱(chēng)C波)、蘭州4波(稱(chēng)D波)4種地震波。為便于比較減震效果，加速度最大峰值調(diào)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(duì)比見(jiàn)圖4。

由圖4可知:

1)2種裝置發(fā)揮作用后，連續(xù)梁橋固定墩墩底剪力、彎矩及梁端位移均明顯降低，但當(dāng)作用于連續(xù)梁橋的激勵(lì)波不同時(shí)，減震率呈現(xiàn)波動(dòng)狀態(tài)，說(shuō)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(dòng)幅度對(duì)2種裝置減震性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，IFA裝置減震率波動(dòng)幅度約為18%，Lock-up裝置減震率波動(dòng)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(duì)較小，Lock-up裝置次之，說(shuō)明IFA裝置的工程環(huán)境適用性較強(qiáng)。

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(jìn)一步明確2種裝置減震機(jī)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(xù)梁橋各墩墩底剪力極值情況見(jiàn)圖5。

圖4 地震響應(yīng)的減震率對(duì)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(fā)揮作用后，各墩墩底剪力分配趨于均勻，說(shuō)明2種裝置發(fā)揮作用后均通過(guò)將活動(dòng)墩與梁體臨時(shí)連為一體的方式，實(shí)現(xiàn)了固定墩和活動(dòng)墩的協(xié)同受力，達(dá)到了利用連續(xù)梁橋活動(dòng)墩提高連續(xù)梁整體抗震性能的目的。

2)當(dāng)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(shí)，其減震效果優(yōu)于Lock-up裝置，反之亦然。但個(gè)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I(xiàn)FA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(fā)揮作用均改變了原連續(xù)梁橋的結(jié)構(gòu)體系，使整橋縱向整體剛度變大。鑒于本文分析時(shí)設(shè)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(yīng)應(yīng)大于IFA裝置，見(jiàn)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(yīng)小于IFA裝置，說(shuō)明利用上述2種裝置進(jìn)行減震，橋梁整體地震響應(yīng)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(yīng)用時(shí)應(yīng)予以重視。

4 結(jié)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(huán)境適用性更強(qiáng)，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(xù)梁橋整體抗震潛能的作用，裝置發(fā)揮作用后引起的連續(xù)梁橋地震響應(yīng)變化不僅與裝置的連接剛度有關(guān)，還受地震波頻譜特性的影響，工程應(yīng)用中應(yīng)加以重視。