尹 航 王子軍

（1.四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610031；2.中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，湖北 武漢 430000）

0 引言

連續(xù)梁橋是我國(guó)高速公路和城市交通干線中廣泛運(yùn)用的橋型之一，通常具有多跨長(zhǎng)聯(lián)的特征。為減小溫度變化及混凝土收縮徐變?cè)陧槝蛳虍a(chǎn)生的附加內(nèi)力，一般在每聯(lián)中設(shè)置一個(gè)或少數(shù)幾個(gè)固定墩，約束連續(xù)梁橋的縱向位移，以滿足正常使用的需求。然而在強(qiáng)震作用下，上部結(jié)構(gòu)的水平慣性力幾乎全部由少數(shù)固定墩承擔(dān)，導(dǎo)致固定墩的動(dòng)力響應(yīng)極為突出，給固定墩的抗震設(shè)計(jì)帶來(lái)很大的困難。因此，減小固定墩在地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)是多跨連續(xù)梁橋抗震設(shè)計(jì)的核心[1]。

傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)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(xù)梁橋抗震性能。但是過(guò)于粗壯的橋墩不僅成本增高、影響造型，更會(huì)增加結(jié)構(gòu)自身剛度，可能增大地震作用下的結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)[2]。近年來(lái)，通過(guò)引入合理的減隔震措施來(lái)提升連續(xù)梁橋的抗震性能正成為橋梁抗震研究領(lǐng)域中的一個(gè)熱點(diǎn)[2-6]。速度鎖定器因其環(huán)境友好，適用性強(qiáng)，減震力學(xué)原理明晰等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外多座大跨度連續(xù)橋上獲得了推廣應(yīng)用，是一種極具應(yīng)用前景的減震裝置。目前關(guān)于速度鎖定裝置的研究多集中于裝置本身的計(jì)算分析模型[7-9]與工程運(yùn)用實(shí)例[10-14]，而關(guān)于速度鎖定裝置在多跨連續(xù)梁橋上的減震性能與布設(shè)方案的探討相對(duì)較少。

本文以成都北部的石亭江大橋?yàn)槔摌蛳狄蛔鐝椒植紴椋?5+9×60+45）m的多跨長(zhǎng)聯(lián)連續(xù)梁橋，采用非線性結(jié)構(gòu)分析軟件建立有限元模型，對(duì)比分析不同減震方案下結(jié)構(gòu)的模態(tài)變化與動(dòng)力響應(yīng)結(jié)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(xué)原理

在橋梁上應(yīng)用的速度鎖定裝置與普通雙出桿粘滯阻尼器構(gòu)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(dāng)活塞相對(duì)缸體速度大于設(shè)計(jì)速度時(shí)，液體無(wú)法從一室運(yùn)動(dòng)到另一室或運(yùn)動(dòng)得相當(dāng)緩慢，活塞直接壓縮腔內(nèi)液體，速度鎖定裝置表現(xiàn)為大剛度特性，被連接的兩個(gè)構(gòu)件近似剛接。而當(dāng)相對(duì)速度較小時(shí)，粘滯液體可以從被活塞分隔的兩室中的一室緩慢移動(dòng)到另一室，此時(shí)活塞桿上的反作用力很小。通常在連續(xù)梁橋活動(dòng)墩上沿縱向設(shè)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(chǎn)生縱向抗力或產(chǎn)生較小的抗力，活動(dòng)墩在縱橋向?qū)α后w不提供約束，對(duì)橋梁原功能幾乎無(wú)影響。在地震作用下，速度鎖定裝置迅速產(chǎn)生較大抗力，使活動(dòng)墩參與承擔(dān)縱向地震力，改善整體結(jié)構(gòu)的抗震能力。

根據(jù)速度鎖定裝置結(jié)構(gòu)構(gòu)造特點(diǎn)，本文中速度鎖定器力學(xué)性能采用Maxwell非線性力學(xué)模型模擬。力學(xué)模型可用下列公式表示：

式中：

C——阻尼常數(shù)；

v——活塞運(yùn)動(dòng)速度；

α——速度指數(shù)。

2 工程背景與分析模型

2.1 結(jié)構(gòu)概況

石亭江大橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋，跨徑布置為（45+9×60+45）m，設(shè)計(jì)行車(chē)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(zhǎng)1.52m，箱梁跨中及邊跨現(xiàn)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(hào)為23～32號(hào)墩，采用三柱式鋼筋混凝土矩形實(shí)心墩，單個(gè)墩柱橫向?qū)?m，順橋厚1.8m。單個(gè)墩柱對(duì)應(yīng)基礎(chǔ)為承臺(tái)接群樁基礎(chǔ)，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(jié)構(gòu)分析軟件建立了石亭江大橋的有限元模型。

石亭江大橋?yàn)槲挥?度區(qū)的B類(lèi)橋梁，場(chǎng)地特性周期為0.45s，場(chǎng)地類(lèi)別為II 類(lèi)，基本地震加速度值為0.10g。選用《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》中E2地震作用下的設(shè)計(jì)地震反應(yīng)譜作為期望反應(yīng)譜，設(shè)計(jì)反應(yīng)譜如式（2）?；诜磻?yīng)譜與功率譜的關(guān)系，采用三角級(jí)數(shù)方法合成3條人工地震波。經(jīng)過(guò)反復(fù)迭代，保證人工波的反應(yīng)譜與目標(biāo)反應(yīng)譜差值在5%以?xún)?nèi)。

式中：

Tg——特征周期；

T——結(jié)構(gòu)自振周期；

S——水平加速度反應(yīng)譜值；

Smax——水平加速度反應(yīng)譜最大值。

3 減震方案

原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案中，27號(hào)墩為固定墩，其他橋墩為活動(dòng)墩。為了分析速度鎖定裝置用于長(zhǎng)聯(lián)連續(xù)梁橋時(shí)的減震效果，研究合理的速度鎖定裝置布設(shè)方案，設(shè)計(jì)了以下五種減隔震方案。

方案一：在28號(hào)墩上設(shè)置速度鎖定裝置，27號(hào)墩仍為固定墩，其他橋墩為活動(dòng)墩。

方案二：在26、28和29號(hào)3個(gè)墩上設(shè)置速度鎖定裝置，27號(hào)墩仍為固定墩，其他橋墩為活動(dòng)墩。

方案三：在25、26、28、29和30號(hào)5個(gè)墩上設(shè)置速度鎖定裝置，27號(hào)墩仍為固定墩，其他橋墩為活動(dòng)墩。

方案四：在24、25、26、28、29、30和31號(hào)7個(gè)墩上設(shè)置速度鎖定裝置，27號(hào)墩仍為固定墩，其他橋墩為活動(dòng)墩。

方案五：27號(hào)墩仍為固定墩，其他9個(gè)橋墩上均設(shè)置速度鎖定裝置。

4 減震效果分析及方案對(duì)比

4.1 橋墩彎矩響應(yīng)分析

由于石亭江大橋幾乎為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，速度鎖定裝置與固定墩也按對(duì)稱(chēng)形式布置，因此選取半結(jié)構(gòu)的23～27號(hào)橋墩作為分析對(duì)象展開(kāi)探討，其他5個(gè)橋墩的動(dòng)力響應(yīng)特征與選取的分析對(duì)象基本呈對(duì)稱(chēng)分布。沿順橋向輸入三條人工合成地震波進(jìn)行激勵(lì)，取3條地震波彎矩峰值響應(yīng)的包絡(luò)值作為結(jié)構(gòu)彎矩響應(yīng)值，各方案墩底彎矩響應(yīng)值如圖1所示。

圖1 各方案墩底峰值彎矩響應(yīng)圖

由圖1可見(jiàn)，在活動(dòng)墩上設(shè)置速度鎖定裝置后，27號(hào)固定墩的彎矩響應(yīng)值明顯減小，而設(shè)置速度鎖定裝置的橋墩彎矩響應(yīng)值則會(huì)一定程度上增加。同時(shí)，繼續(xù)增加速度鎖定裝置的設(shè)置數(shù)目，固定墩及設(shè)置速度鎖定裝置橋墩的彎矩響應(yīng)值會(huì)進(jìn)一步減小。這是由于在地震作用下，設(shè)置速度鎖定裝置的活動(dòng)墩與上部結(jié)構(gòu)在順橋方向上幾乎轉(zhuǎn)變?yōu)閯傂赃B接，上部結(jié)構(gòu)的部分順橋向慣性力轉(zhuǎn)由原活動(dòng)墩承擔(dān)，充分利用了活動(dòng)墩的承載能力，調(diào)整了橋梁整體的內(nèi)力分布，有效降低了固定墩的內(nèi)力響應(yīng)。同時(shí)，由于設(shè)置速度鎖定裝置的原活動(dòng)墩彎矩響應(yīng)值均未超過(guò)固定墩，且在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中為了保證橋梁整體造型美觀，固定墩與活動(dòng)墩的截面尺寸和鋼筋配置保持一致，因此并未給原活動(dòng)墩帶來(lái)安全風(fēng)險(xiǎn)。

4.2 結(jié)構(gòu)自振特性分析

設(shè)置速度鎖定裝置之后，地震動(dòng)力作用下活動(dòng)墩會(huì)對(duì)梁體產(chǎn)生約束，結(jié)構(gòu)整體剛度隨之增加，進(jìn)而影響整體結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。由橋梁結(jié)構(gòu)特性及動(dòng)力學(xué)原理可知，橋梁固定墩底縱向地震響應(yīng)結(jié)果主要由其一階縱向振型主導(dǎo)，因此應(yīng)探討設(shè)置速度鎖定裝置后，結(jié)構(gòu)縱向一階振型的變化對(duì)整體結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響。各速度鎖定裝置方案下結(jié)構(gòu)縱向一階振型如表1所示。由表1可見(jiàn)，隨著速度鎖定裝置的增加，結(jié)構(gòu)縱向剛度逐漸增大，一階縱向周期減小。

表2 連續(xù)梁橋各方案一階縱向自振特性表

在水平加速度反應(yīng)譜中繪制出各方案一階縱向主導(dǎo)振型周期對(duì)應(yīng)反應(yīng)譜值S，見(jiàn)圖2。由圖2可以看出，各方案的一階自振周期位于反應(yīng)譜的下降段，增加速度鎖定裝置的數(shù)目將降低結(jié)構(gòu)的一階自振周期，導(dǎo)致加速度反應(yīng)譜值增大。由此可見(jiàn)，設(shè)置速度鎖定裝置將造成橋梁整體動(dòng)力響應(yīng)的增加，過(guò)多地設(shè)置速度鎖定裝置可能降低減震效果，甚至反而增大橋墩動(dòng)力響應(yīng)。因此速度鎖定裝置并非設(shè)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(yīng)值與原方案彎矩響應(yīng)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(jiàn)，方案一中在1個(gè)橋墩上設(shè)置速度鎖定裝置時(shí)，彎矩響應(yīng)值下降29%，體現(xiàn)出速度鎖定裝置的減震效果；方案二和方案三在3個(gè)和5個(gè)墩上設(shè)置速度鎖定器時(shí)，固定墩彎矩響應(yīng)值可降至48%和56%，減震效果十分顯著；進(jìn)一步增加速度鎖定器數(shù)量，方案四和方案五在7個(gè)和9個(gè)墩上設(shè)置速度鎖定器時(shí)，固定墩彎矩響應(yīng)值降至61%和63%，僅進(jìn)一步降低了5%和2%?？梢?jiàn)采用方案四和方案五時(shí)，即使活動(dòng)墩參與分擔(dān)部分地震力，固定墩動(dòng)力響應(yīng)的進(jìn)一步降幅也并不顯著，反而增加了結(jié)構(gòu)整體的地震響應(yīng)，提升了橋梁建設(shè)成本。對(duì)于類(lèi)似的11跨連續(xù)梁橋，綜合考慮速度鎖定裝置的減震效率及經(jīng)濟(jì)成本，建議在5個(gè)橋墩上設(shè)置速度鎖定裝置。

圖3 固定墩減震效率

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)分析石亭江大橋設(shè)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(xù)梁橋上的減震性能與合理布置方案，得到了以下結(jié)論：

（1）對(duì)于多跨連續(xù)梁橋，適當(dāng)設(shè)置速度鎖定裝置能使活動(dòng)墩分擔(dān)部分縱向地震力，有效降低固定墩的地震響應(yīng)，有利于橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)。

（2）設(shè)置速度鎖定裝置會(huì)增大結(jié)構(gòu)縱向剛度，降低結(jié)構(gòu)縱向主導(dǎo)自振周期，當(dāng)結(jié)構(gòu)自振周期位于反應(yīng)譜下降段時(shí)，過(guò)多設(shè)置速度鎖定裝置反而會(huì)增大結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)，增加的速度鎖定裝置對(duì)結(jié)構(gòu)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(jīng)濟(jì)成本，建議對(duì)類(lèi)似的11跨連續(xù)梁橋，在5個(gè)橋墩上設(shè)置速度鎖定裝置。