Lock-up 装置在连续梁桥中应用的优化研究

胡国民，王　聪

Lock-up 装置在连续梁桥中应用的优化研究

胡国民，王聪

（宁波公路市政设计有限公司，浙江宁波 315100）

以某5跨连续梁桥为工程背景，对Lock-up装置的工作性能和机理进行了分析。采用非线性时程分析方法，对地震中Lock-up装置锁止速度和Lock-up装置的位置对桥梁减震的影响进行了分析，得到了Lock-up的最优锁止速度和该桥的最优减震方案。结果表明：对于多跨连续梁桥，Lock-up装置可以很好地提高桥梁的整体抗震性能；从经济和减震效果看并不是越多的Lock-up装置越好。

桥梁工程；Lock-up装置；时程分析；桥梁抗震；锁止速度

1　概述

大跨桥梁作为交通网络的重要组成部分，一旦在地震中遭受严重损坏，往往在短期内难以修复，将严重地影响到灾区的抗震救灾和恢复重建，导致巨大的生命财产以及间接经济损失。如何有效地降低大跨桥梁结构的地震反应，提高其抗震安全性，受到了国内外学者的广泛重视［1］。目前在国内外的多座桥梁上已安装了Lock-up装置，如孟加拉国的帕克西大桥和美国的密苏里比尔埃莫森纪念桥等［2］，但是在国内还没有得到推广。Lock-up装置是一种特殊的液体阻尼器，与普通阻尼器有相同的组成部分。实际过程中，在承受较大的荷载时整个装置仅仅发生很小的位移就被锁定，Lock-up装置并不吸收和耗散能量。Lock-up装置的活塞孔是经过专门设计的，使它能够随着速度的变化而输出变化的力。Lock-up装置模拟动力作用下的工作曲线如图1所示［3］。

图1 Lock-up装置模拟动力作用下的工作曲线

由图1可以看出在动力荷载作用下，Lock-up装置在很短的时间内就起到了固结作用。但其在最大的动力变化下，也只产生很小的位移速度，所以事实上装置是不具备耗散能量的。Lock-up装置与普通黏滞阻尼器的结构设计对比如表1所示。

表1　Lock-up装置与普通阻尼器的对比

本文根据Lock-up装置的实际工作状态和工作特点，编制了适用于Lock-up装置的分析程序，可以充分模拟Lock-up在地震荷载作用下反复锁定和解锁的工作状态，较为真实地模拟实际装置的工作情况。

2　Lock-up装置应用分析

2.1有限元建模

某大桥为5跨连续变截面预应力混凝土桥，桥跨布置为75 m+3×120 m+75 m，总长510 m。主墩为空心薄壁墩，上部结构主梁采用单箱单室箱梁，墩顶截面梁高6.7 m，跨中梁高3 m，箱梁高沿跨径方向按1.8次抛物线变化。3#墩设置固定支座，其余桥墩设置单向活动支座，其计算模型图如图2所示。

图2　连续梁桥计算模型图

Ansys模型中主梁、桥墩及承台采用beam4单元进行模拟，支座采用combin14单元进行模拟。Lock-up装置采用能够支持生死单元功能的link8单元进行模拟，并通过编制的程序来判断每一个地震荷载步下装置的实际工作状态，进行循环求解分析。结构分析中，沿着梁桥纵向输入地震波，为了分析连续梁桥纵向的减震性能，Lock-up装置安装在主梁和桥墩的连接处并沿着纵向连接。本文的时程分析采用El-centro地震波，其加速度峰值为0.356 9 g。结构中的阻尼采用瑞利阻尼，提取顺桥向振动的前2阶模型的自振频率（经计算前2阶频率为0.695 49和1.007），假定各阶振型的阻尼比均为0.05，计算求得质量矩阵和刚度矩阵的影响系数A、B的值。

2.2Lock-up装置锁止状态分析

假定Lock-up装置始终处于自由状态，通过对连续梁桥的时程计算，得到各个活动墩之间的相对速度差，为锁定速度的取值提供参考。经过计算本桥桥墩与主梁的最大速度差在350 mm/s左右。本桥3个活动墩上均设置Lock-up装置并且采用相同的锁定速度V0，分析工况见表2，工况2和工况7条件下，Lock-up装置锁止状态见图3、图4。

表2　分析工况　　　　　　　　　　　　　mm/s

图3　 工况2条件下，Lock-up装置锁止状态

图4　工况7条件下，Lock-up装置锁止状态

由图3、图4可以看出同一个工况下虽然3个Lock-up装置具有一样的锁止速度，但是3个Lock-up装置锁止在时间上是不同步的，这是因为地震下各个桥墩的地震反应不一样，各桥墩与梁之间的相对运动不同，导致各墩墩底内力随着锁定速度V0的增大而有增大的趋势。Lock-up装置在地震作用下能够进行反复的锁止行为，随着锁定速度的增大Lock-up装置处于锁定状态的时间在不断减少，较为真实地反映实际地震状态。当锁定状态较大时，考虑反复锁止的Lock-up装置与常规模拟方法（直接等效为一个刚性连杆）相比计算结果更偏于安全和符合实际［4-5］。故本文的计算分析按照能够反映Lock-up装置反复锁止的方法进行有限元分析。

2.3Lock-up装置锁定速度的优化分析

各个工况下位移和弯矩计算结果见表3。

表3　各个工况下位移和弯矩计算结果

从表3可以得知，加上Lock-up装置后由于存在多个活动墩共同承担地震作用，主梁的纵向位移大幅度的减小。墩底弯矩随着锁定速度的不同各墩底内力有所变化。在各活动墩上设置Lock-up装置后，各活动墩内力有大幅度的增大，但同时固定墩内力也大大降低，经计算本桥固定墩内力降低47.44%～60.71%。本文锁定速度小于60 mm/s时各墩墩底内力在5.25%上下浮动。当锁定速度较大时，由于3个Lock-up装置锁定和开锁在时间上的不同步性（见图3～图4），各墩内力有增大的趋势。如本文中当锁定速度V0=150 mm/s时，1#墩、2#墩、3#墩、4#墩墩底内力比工况2（V0=30 mm/s）时的内力 分别增大21.62%、46.97%、33.10%、32.90%。

设置Lock-up装置前后速度时程对比见图5、图6。

图5　工况1（未设置Lock-up装置） 下1#墩速度时程曲线

从图5、图6可以看出，由于Lock-up装置在地震过程中存在往复的锁止，墩顶节点（Lock-up装置的连接点）速度时程曲线对比有较大的差异。Lock-up装置启动时，质量较大的主梁会带动墩顶节点共同运动，说明装置在地震过程中是一个不断往复变化的状态，当主梁与桥墩之间的速度差大于启动速度时Lock-up装置开启，主梁和桥墩连成一个整体共同承担地震力。随着地震的变弱甚至结束后，Lock-up装置自动解锁，不影响结构的正常受力。

图6　工况2（设置Lock-up装置）1#墩速度时程曲线对比

2.4Lock-up装置位置的影响分析

对Lock-up装置设置在不同墩后连续梁桥的地震响应进行对比分析。Lock-up布置方案见表4，弯矩及减震率变化见图7、图8。

从图7可以看出，（1）各工况下，3#固定墩墩底内力都有所减少，在墩顶处设置了Lock-up装置的桥墩内力都有所增大，其中工况7固定墩墩底弯矩减震率最大，达到60.52%；工况4主梁纵向位移减震率最大，达到55.67%。（2）该桥在工况4（采用2个Lockup装置）下，纵向位移减震率为55.67%，高于工况7（采用3个Lock-up装置）时的纵向位移减震率为41.99%，说明采用Lock-up装置进行减震设计时，对主梁纵向位移而言，仅仅依靠增加装置个数并不能获得最优的效果。

表4　Lock-up装置布置方案说明

图7　弯矩和位移减震率

图8　墩底总弯矩变化

由图8可以看出，工况5的墩底总弯矩最大，即输入结构的地震能量也最大，总的来说固定墩墩底弯矩减震率随着Lock-up装置个数的增多而变大。而主梁纵向位移的减震率并没有随着Lock-up装置个数增多而变大。本桥的计算结果表明在1#墩和2#墩各安装1个纵向Lock-up装置时的减震效果最好，以主梁纵向位移减震效果为主要考虑因素，工况4是最优的减震方案。

3　结论

（1）在各个活动墩顶设置与主梁连接的Lock-up装置后，固定墩墩底截面内力有大幅度的降低，但同时各个活动墩墩底截面内力迅速增大。由此可见Lock-up装置能够充分利用其他活动墩的“剩余”抗震承载能力，在地震时改变结构受力，提高桥梁结构的整体抗震性能。

（2）当Lock-up装置锁止速度较大时，各墩内力有增大的趋势。为使Lock-up装置获得较好的减震性能，又不会导致各墩墩底内力明显增大，锁止速度为30～60 mm/s为最佳。同时应注意到设置了Lock-up装置的桥墩墩位处墩身及基础需求的增大，应加强这部分的设计。

（3）地震时，Lock-up装置一旦启动就会改变结构的受力状态，增加了连续梁整体结构的刚度，连续梁桥整体动力特性发生变化。由于Lock-up装置本身不具备耗能能力，故而整体结构体系吸收总的地震能量有所增大。

（4）在进行Lock-up装置抗震设计时，并不是纯粹地增加装置就能达到很好的减震效果，应考虑多种布置方案进行设计分析得到最优方案。

［1］陈永祁，耿瑞琦，马良喆.桥梁用液体粘滞阻尼器的减震设计和类型选择［J］.土木工程学报，2007，40（7）：55-61.

［2］ Dinesh J Patel. Shock Transmission units in bridge engineering ［J］. Engineering World，2000.

［3］Section 32 Shock Transmission Units AASHTO LRFD Bridge Construction Specifications［S］.

［4］许广.多点激励下大跨度桥梁地震反应分析与控制［D］.北京：北京工业大学，2007.

［5］张永亮.Lock-up装置在连续梁桥上的减震性能研究［J］.世界地质工程，2010，26（2）：48-52.

Optimization Research on the Application of Lock-up Device in Continuous Beam Bridge

Hu Guomin， Wang Cong
（Ningbo Highway Design Co.， Ltd.， Ningbo 315100， China）

Taking a 5 span continuous girder bridge as engineering backgroundg， work performance and mechanism of Lock-up device are analyzed. Using the nonlinear time history analysis method， locking speed of Lock-up device and damping effects of Lock-up device layout on continuous beam bridge in the earthquake are analyzed， and optimal damping scheme for the bridge are provide. The results show that the overall seismic performance of multi span continuous beam bridge is improvd by Lock-up device， while from the economic and the damping effect， the using of Lock-up device is not the more the better.

bridge engineering； Lock-up device； time history analysis； anti-seismic bridges； locking speed

U442.55

A

1672-9889（2015）01-0022-04

胡国民（1988-），男，浙江嘉兴人，硕士研究生，研究方向为桥梁抗风与抗震。

（2014-04-13）