速度锁定器在桥梁抗震中的适用性分析研究

项敬辉，冯克岩

（天津市市政工程设计研究总院，天津市 300457）

速度锁定器在桥梁抗震中的适用性分析研究

项敬辉，冯克岩

（天津市市政工程设计研究总院，天津市 300457）

速度锁定器是一种速度相关型的锁定装置，在国内连续梁桥中已有所应用。通过对三种跨径连续梁桥在不同场地类别及自振周期下的抗震效果进行分析比较，总结了速度锁定器在桥梁抗震设计中的适用特点，以期为类似减隔震装置在实际工程中的应用设计提供借鉴。

速度锁定器；抗震保护；场地类别；减隔震设计；数值模拟

0 引言

地震是人类社会面临的严重的自然灾害之一，而地震中桥梁的毁坏或倒塌，不但会造成严重的直接损失，更会引发巨大的次生灾害。

汶川大地震是新中国成立以来发生的破坏力最大的地震，促使我国加快了对桥梁结构抗震设计更深入的研究。2008年以来，我国相继颁布实施了《公路桥梁抗震设计细则》（JTG/T B02-01-2008）、《城市桥梁抗震设计规范》（CJJ 166-2011）、《公路工程抗震规范》（JTG B02-2013）、《城市轨道交通结构抗震设计规范》（GB 50909-2014）等多本关于桥梁结构抗震设计的规范。各本规范具有共同的抗震设计理念：分类设防的抗震设计思想是采用E1、E2（E3）两（多）水准抗震设防，并分别对应弹性和延性两阶段设计的新要求。

在常用的连续梁桥结构中，为减少温度及混凝土收缩徐变在正常使用状态下对结构的影响，仅在一联中间或者靠近中间位置的墩顶设置固定支座，在其余墩上均设置滑动支座。在地震作用下，由设置固定支座的墩承担绝大部分的纵向水平地震力，而设置滑动支座的墩仅承担摩擦力。在强震作用下，这种结构的布置形式对设置固定支座的桥墩提出了很高的强度和延性要求，相应地对固定支座及下部结构也提出了很高的要求。如果一味地去提高设置固定支座的桥墩的能力就显得非常的不经济。

速度锁定器是一种速度（加速度）相关的锁定装置。在桥梁正常使用情况下，由温差、蠕变引起的桥梁纵向位移速度较小，此时速度锁定器不产生作用，活动支座能够提供所需的位移；当桥梁运动速度大于速度锁定器的设计值时（如发生地震），速度锁定器立即锁定，原来的活动支座瞬间变为固定支座，使得结构由正常使用状况下的一个固定墩变为多个固定墩，将地震力分布到多个桥墩上，使得结构受力更均匀，起到各墩联合抗推、共同抗震的作用。

目前，速度锁定器在大庆至广州高速公路流溪河特大桥、天津中新生态城跨蓟运河故道桥、成都至都江堰轻轨高架桥段等工程项目中均已经有所应用。

1 数值模拟

1.1 模型选取

本文主要研究速度锁定器对于不同跨径桥梁在不同场地类别条件下的抗震效果分析。选择具有代表性的三种跨径布置（3×30 m，35 m+48 m+ 35 m和50 m+70 m+50 m），分析其在三种场地类型（Ⅱ类场地：Tg=0.35 s，Ⅲ类场地：Tg=0.45 s，Ⅳ类场地：Tg=0.65 s）的抗震效果。

1.2 模型建立

（1）单元模拟

采用结构分析与设计软件MIDAS Civil 2015进行分析计算，上部结构及下部桥墩采用梁单元模拟，支座采用连接单元模拟。

（2）边界条件

墩底模拟考虑群桩基础的等效刚度。速度锁定器的模拟方法通常有以下几种：a.按照固结计算；b.按照0/1模式，即超出设定的锁定速度时按固结，其余按照活动支座计算；c.简化为刚度很大的弹簧；d.黏滞阻尼器Maxwell模型。

本文拟分析速度锁定器在不同结构桥梁中的布置特点及其适用性，速度锁定器按简化弹簧刚度模拟计算。三种不同跨径的桥梁结构计算模型如图1～图3所示。

图1 30 m+30 m+30 m计算模型图

图2 35 m+48 m+35 m计算模型图

图3 50 m+70 m+50 m计算模型图

2 计算结果分析

2.1 30 m+30 m+30 m模型

该桥上部结构跨径布置为30 m+30 m+30 m，桥梁宽度b=16.5 m，桥墩的高度近似相等，约为6.5 m，桥墩截面为矩形墩，尺寸为2.0 m×2.0 m，横桥向布置两个桥墩。该桥的结构自振周期为0.366 s，在不同场地类型条件下的抗震效果如图4，图5所示。

图4 E1作用下固定墩水平力比较图（单位：kN）

图5 E1作用下各墩水平力之和比较图（单位：kN）

由图4，图5可知，该桥结构自振周期为0.366 s，固定墩减震率约为50%，且墩顶水平力之和几乎不增加，即两中墩联合抗推，布置速度锁定器桥墩的抗震效果明显。

2.2 35 m+48 m+35 m模型

该桥上部结构跨径布置为35 m+48 m+35 m，桥梁宽度b=13 m，各墩高度为10.85 m，12 m，12.5 m，13 m，两边墩为花瓶墩，截面尺寸为4×2 m～6×2 m，横桥向布置一个。中墩为方墩，截面尺寸为1.9 m× 2.2 m，横桥向布置两个。该桥的结构自振周期为0.850 s，在不同场地类型条件下的抗震效果如图6、图7所示。

图6 E1作用下固定墩水平力比较图（单位：kN）

图7 E1作用下各墩水平力之和比较图（单位：kN）

由图6、图7可知，未布置速度锁定器时结构自振周期为0.850 s。（1）当场地类型为Ⅱ类和Ⅲ类场地时，若布置速度锁定器，固定墩减震率约为25%～45%，墩顶水平力之和增加为40%～90%，其减震效率较低，可考虑采用其他类型的减隔震装置；（2）当场地类型为Ⅳ类场地时，固定墩减震率为60%，墩顶水平力增加为40%，即各中墩联合抗推。

2.3 50 m+70 m+50 m模型

该桥上部结构跨径布置为50 m+70 m+50 m，桥梁宽度b=13 m，各墩高度为8.5 m、7.4 m、8.3 m、8 m，边墩和中墩为花瓶墩，截面尺寸为4×2 m～6× 2 m，横桥向布置一个。该桥的结构自振周期为0.360 s，在不同场地类型条件下的抗震效果如图8、图9所示。

图8 E1作用下固定墩水平力比较图（单位：kN）

图9 E1作用下各墩水平力之和比较图（单位：kN）

由图8、图9可知，未布置速度锁定器时结构自振周期为0.360 s，固定墩减震率约为40%～50%，且墩顶水平力之和增加约10%～20%，即两中墩联合抗推，布置速度锁定器的抗震效果明显。

2.4 理想化模型比较分析

综合以上三个计算模型分析结果可以发现，设置速度锁定器后，结构的整体抗震效果与结构的自振周期T和场地特征周期Tg密切相关。为排除其他因素的影响，建立理想化的桥梁模型，通过调整不同的墩高来调整结构的自振周期来进行分析，结果如图10、图11所示。

图10 不同自振周期下减震效果比较（Tg=0.65）

图11 对应反应谱图的速度锁定器适用性比较

由图10、图11可知：当结构的自振周期位于区域A（T≤0.1 s）时，固定墩的减震率a＞50%，各墩的水平力之和减少，布置速度锁定器的抗震效果明显；当结构的自振周期位于区域B（0.1s＜T≤Tg）时，固定墩的减震率约50%，各墩的水平力几乎不增加，布置速度锁定器的抗震效果明显；当结构的自振周期位于区域C（Tg＜T≤1.35Tg）时，固定墩的减震率约40%～50%，地震状态下各墩的总水平力增加10%～40%，布置速度锁定器的抗震效果较好；当结构的自振周期位于区域D（T＞1.35Tg）时，固定墩的减震率约20%～30%，地震状态下各墩的总水平力增加40%～60%，布置速度锁定器的抗震效果较差，可考虑采用其他类型的减隔震装置。

3 结论

通过对速度锁定器在不同跨径、不同布置方案以及不同场地类别下的减震效果的分析，可以得出以下结论：

（1）结构自振周期0.1s＜T≤Tg时，在中墩布置速度锁定器，此时地震状态下结构总水平力增加较少，各墩联合抗推，能起到较好的抗震效果。

（2）结构自振周期Tg＜T≤1.35Tg时，此时地震状态下结构总水平力增加约10%～40%。固定墩减震率约为40%～50%，布置速度锁定器的抗震效果较好。

（3）结构自振周期T＞1.35Tg时，布置速度锁定器抗震效果较差，可考虑采用其他类型减隔震装置。

（4）在实际工程应用中，若桥墩刚度相差较大（如山区地形墩高落差大），需在桥梁分跨时考虑抗震需要，合理设置固定墩的位置，且可以通过速度锁定器的参数特性（调整其刚度）来分配各墩承担的水平力。

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U442.5+5

A

1009-7716（2017）04-0209-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.04.061

2017-02-16

项敬辉（1982-），男，浙江临海人，硕士，高级工程师，从事桥梁设计工作。