速度锁定器在桥梁抗震中的有限元模拟

余小华,窦胜谭

(1.西南交通大学结构工程试验中心, 成都　610031; 2.铁道第三勘察设计院集团有限公司, 天津　300142)



速度锁定器在桥梁抗震中的有限元模拟

余小华1,窦胜谭2

(1.西南交通大学结构工程试验中心, 成都610031; 2.铁道第三勘察设计院集团有限公司, 天津300142)

摘要：为准确模拟新型抗震支座—速度锁定器在桥梁结构受地震荷载作用时的影响,以某连续刚构桥2×50 m+60 m+2×120 m+60 m为背景,采用专业有限元软件Midas Civil进行时程分析计算,采用黏滞阻尼器(方法A)、弹性约束(一般)方式(方法B)以及弹性约束(折线型)方式(方法C)三种简化方式模拟速度锁定器的作用。结果表明：速度锁定器通过将交接墩与刚构墩联动而减小整体位移,有利于改善桥梁结构在地震作用时的纵桥向内力分布；采用的计算方法简洁高效,并确定在使用方法C时需将刚构墩处的内力结果放大1.06倍。

关键词：桥梁工程；速度锁定器； Midas Civil；桥梁抗震设计；连续刚构桥

1速度锁定器的原理

速度锁定器是一种新型阻尼支座， 是速度相关型的锁定装置[1]。在正常情况下，它几乎不发挥作用，允许梁体转角及温差变形引起的水平位移，在制动力、风载或地震荷载作用下，便会自动锁定，使得结构由正常状况下的一个固定墩变成2个或更多的固定墩，将上部结构的荷载有效地分布到多个墩上去，使得结构的受力更均匀，性能更稳定，且能有效降低工程造价[2]。

速度锁定器在桥梁结构中的应用日益增多，如何在软件中准确地模拟该边界条件成为亟待解决的问题[3]，本文根据实际工程提出可行的方法完成该边界条件的有效模拟。

2工程案例

研究背景是某城市主干道上某连续刚构桥，上部结构跨度主桥布置为(60+2×120+60) m，引桥为2×50 m，最高墩高90 m，自引桥至主桥编号1号、2号、3号、4号、5号。该桥的速度锁定器放置在引桥与主桥的交接墩上。采用专业有限元软件Midas civil 进行计算，全桥共计2 993个单元，3 142个节点。桩土作用为线弹性，用节点弹性连接模拟，刚度系数按《公路桥涵地基和基础设计规范》(JTG D63—2007)中“m 法”计算，m值按规范取值。有限元模型见图1。

图1　桥梁有限元模型

根据规范要求，在E2地震作用下，该大跨度结构需同时考虑水平向以及竖向地震作用[4]，本桥采用时程分析方法完成相关抗震分析。地震波按当地拟合地震波多维输入模型[5]，并按照以X向为主和Y向为主分别按ax∶ay∶az=1∶0.85∶0.65和ax∶ay∶az=0.85∶1∶0.65的比例输入[6]。

3数值模拟方法

抗震设计中，需要合理的模拟边界条件才可以起到隔震作用[7，8]。针对速度锁定器的特殊性能，并结合有限元软件Midas civil尚没有模拟速度锁定器功能的软件特点[9，10]，提出以下3种处理方法。

(1)黏滞阻尼器模拟。一般连接作用类型分为单元类型和内力类型。单元类型是在进行分析过程中，用更新单元刚度矩阵直接反应单元的非线性，类型包括弹簧、线性阻尼器、弹簧和线性阻尼器3种连接单元；内力类型的一般连接不更新单元刚度矩阵，而是根据非线性的特性计算出的内力置换成外部荷载来考虑非线性，包括黏滞效能器、间隙、钩、滞后系统、铅芯橡胶支撑隔震装置和摩擦摆隔震装置等。阻尼器参数值需要合理选取[11，12]，分析时采用接近于速度锁定器的黏滞阻尼器中MAXWELL模型，该模型适用于建立力学性质与加载频率相关性较大的液体黏滞阻尼器。MAXWELL模型是指线性弹簧与黏性阻尼串联而成的，本构关系见式1，模型包括以下参数消能器阻尼Cd、参考速度V0、阻尼指数S、连接弹簧刚度kb。其中参数根据反复调试按Cd=300 kN，V0=1 mm/s，S=2，Kb=40 kN/mm设定。

(2)弹性约束(一般)模拟。弹性连接是把2个节点按用户所要求的刚度连接而成的有限计算单元，为了模拟速度锁定器单向作用，令弹性连接中Kx=600 kN/mm。

(3)弹性约束(多折线型)模拟。由于地震作用时，结构一直处于运动状态，因此其速度时程曲线可以估算速度锁定器的内力情况，并以此获得弹性约束的折线线型特点，F值按极限值设为2 000 kN。

(1)

式中，kb为连接弹簧刚度；cd为消能器阻尼；dd为黏弹性消能器变形；db为连接构件的变形。

4计算结果

4.1速度锁定器的作用

为探究速度锁定器在桥梁抗震中的作用，对比安装速度锁定器与安装前后的弯矩、剪力、轴力结果，列于表1～表4，并提取弯矩My，剪力Fz以示方向，见图2、图3。

表1　未安装速度锁定器各墩最大内力

表2　未安装速度锁定器各墩最大位移

表3　安装速度锁定器各墩最大内力

表4　安装速度锁定器各墩最大位移

图2　未安装速度锁定器的弯矩(My)图

图3　未安装速度锁定器的剪力(Fz)图

为方便结果对比，变化突出的顺桥向墩底弯矩最大值、墩顶轴向位移如图4、图5所示。

图4　顺桥向弯矩最大值

图5　轴向位移最大值

分析关键位置内力以及位移结果，可以看出，速度锁定器的作用原理是活动墩参与主梁纵桥向位移，从而使得结构内力重新分布，从而减小受力最大墩的作用。速度锁定器影响纵桥向受力以及变形，而对于横桥向影响较小。

4.2数值模拟方法对比

4.2.1自振特性对比

提取各种边界条件下结构的前5阶自振特性，对比结构在不同的边界模拟方式下的自振特性，见表5。

表5　不同的边界条件下自振特性

3种模拟没有引起结构自振特性的改变，可以看出速度锁定器的作用原理与减隔震方式不同。

4.2.23种方法模拟结果

(1)速度锁定器时程内力

速度锁定器在作用时有轴力限制范围，本项目采用2个极限承载力为5 000 kN的速度锁定器并排放置，则承载力共计10 000 kN。为了探究不同作用方法时速度锁定器内力滞回情况，采用合理的数据处理方法，提取速度锁定器的时程内力，见图6。

(2)关键截面结果对比

图6　速度锁定器时程轴力曲线

图7　3种方法3号墩底My时程曲线

图8　墩底截面内力对比

图9　墩顶节点位移对比

为了比较3种模拟方法对结构内力的影响，提取影响大的几组结果进行对比。选取3号墩墩底，提取同列地震波作用时弯矩时程内力做时程对比，见图7；通过第一部分结果对比，本部分提取了由速度锁定器引起的关键截面的纵桥向弯矩以及纵向位移。结果如图8、图9所示。从图6知，3种方法中方法A能够保证速度锁定器内力极限值小于10000kN，而另两种方法则只能满足多数时刻极限值不超标。由图7知，3种方法都没有改变结构受力规律，全桥结构的作用是由地震波决定的，其受力规律没有变化，只是数值上不同。图8、图9可以看出模拟结果存在差别，结果显示，无论在变形还是受力上方法A均处于偏保守的状态。综合以上结果，方法A的模拟结果是合理的，在采用其他方法时需要将固定墩的荷载放大一定的倍数，通过图8数据分析确定其他方法的放大系数为1.06。

5结论

(1)速度锁定器在桥梁抗震中具有改善内力分布的作用，可以使得活动墩与固定墩一起移动，减小最不利截面的内力，具有一定的经济效益。

(2)速度锁定器作用原理与减隔震不同，该方法并没有延长自振周期而减小内力，是通过结构的内力重新分布来达到抗震目的。

(3)速度锁定器在有限元软件中模拟时可以保守地采用黏滞阻尼器来模拟，阻尼器相关参数需要多次试算调整；也可以采用弹性连接(赋予合适的刚度值)，刚度的试算需要保证锁定器内力不超过速度锁定器极限值为界；采用弹性连接(折线型)获得的结果则需要将固定墩的内力值放大，本文求得的放大系数为1.06。

参考文献：

[1]周振兴，闫兴非，陈巧珊.新型连续梁用抗震支座(力分布式)的研究、设计和实施[C]∥第十九届全国桥梁学术会议论文集(下册).北京：人民交通出版社，2010.

[2]侯海彪，黄志毅，许明杰.成灌线连续梁速度锁定支座的设计及应用[J].价值工程，2012，31(27)：136-138.

[3]许明杰，唐璐，韩鹏飞，胡宇新.一种速度锁定器在抗震结构中的应用[J].价值工程，2011，30(3)：307-308.

[4]重庆交通科研设计院.JTG/T B02-01—2008公路桥梁抗震设计细则[S].北京:人民交通出版社，2008.

[5]王东升，岳茂光，李晓莉，孙治国.高墩桥梁抗震时程分析输入地震波选择[J].土木工程学报，2013，46(1):208-213.

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[7]于永波.减隔震桥梁的空间动力分析及动力试验[D].西安：长安大学，2004.

[8]巩雯.高烈度地震区连续梁桥减隔震设计初步分析研究[D].重庆：重庆交通大学，2009.

[9]周水兴，王小松，田维锋，杜柏松.桥梁结构电算—有限元分析方法及其在MIDAS Civil 中的应用[M].北京：人民交通出版社，2013：129-130.

[10]葛俊颖.桥梁工程软件MIDAS Civil使用指南[M].北京：人民交通出版社，2013.

[11]周友权.粘滞阻尼器在金水沟大桥中的应用研究[J].铁道标准设计，2012(2):66-69.

[12]严斌.大跨度斜拉桥非线性粘滞阻尼器参数研究[J].铁道标准设计，2013(1):74-78.

Finite Element Simulation of Shock Transmission Unit in Bridge Seismic SystemYu Xiao-hua1, Dou Sheng-tan2

(1.Structural Testing Center, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China;

2.The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation, Tianjin 300142, China)

Abstract：In order to simulate accurately the influence of shock transmission unit (STU)under seismic loading of a continuous rigid frame bridge of 2×50 m+60 m+2×120 m+60 m, three kinds of simple methods are used including viscous dampers (Method A), general elastic restrain method (Method B) and the zigzag elastic restrain method (Method C), together with the assistance of finite element analysis software Midas Civil for dynamic time history analysis. Results show that shock transmission unit can reduce the overall displacement by means of the interlocking of the rigid pier the transfer pier, which helps improve the internal force distribution in longitudinal direction of bridge structure under earthquake action. The calculation methods used in this paper are proved simple and efficient and the internal force in the rigid pier is amplified to 1.06 when method C is employed.

Key words：Bridge engineering; Shock transmission unit; Midas Civil; Bridge seismic design; Continuous rigid frame bridge

中图分类号：U441+.3

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.02.014

文章编号：1004-2954(2015)02-0056-04

作者简介：余小华(1964—)，男，工程师，工学学士。

基金项目：铁道部科技研究开发计划项目(2013G002-A-2)

收稿日期：2014-05-07； 修回日期：2014-05-27