第43卷第 3 期f h) !讨Y〇1.43,N〇.3 2017 年3 月________________________Sichuan Building Materials_________________________March,2017
Lock-u p装置对大跨连续刚构桥地震响应分析
宋闯
整机英文(长安大学公路学院，陕西西安710064)
摘要：为研究Lock- up装置对大跨连续刚构桥的地震响应，先介绍了Lock- u p装置的基本情况、发展历史、构造及作用机理；接着，以某连续刚构桥为例进行不同情况下的地
震响应有限元模拟，在其过渡墩处设置不同的约束，以大跨
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连续刚构桥墩底及桩顶弯矩和位移为参数进行比较分析。
本文计算结果表明，对于大跨连续刚构桥来说，Lock - up装 置可以使过渡墩与主墩很好地协同受力，降低地震对主墩的不利影响，得出在地震作用下Lock - u p装置对大跨度连续刚构桥非常有效的结论。
关键词：Lock- up装置；大跨度连续刚构桥；有限元分析；弯矩；位移
中图分类号:U441.3 文献标志码:B
文章编号：1672 -4011(2017)03 -0093 -03
D0I：10.3969/j.issn. 1672 - 4011. 2017. 03. 047
Seismic Respon Analysis of Long - span Continuous Rigid Frame Bridge with Lock - up Device
pushrviceSONG Chuang
(School of Highway，Chang’an University，Xi’an710064,China) Abstract ：In order to rearch the ismic respon of Lock- up device of large - span continuous rigid frame bridge,the basic situation,history,structure and mechanism of Lock - up device are introduced.Then,a finite element method is ud to simulate the ismic respon of a continuous rigid frame bridge under different conditions.Different restraints are t at the transition pier.The bending moment and displacement at the bottom of pier and top of pile are taken as parameters to analyze.The calculation results show that the Lock- up device can make the transition pier and the main pier work together to reduce the adver impact of the earthquake.It can conclude that the Lock- up device is very effective for long_ span continuous rigid frame bridge under the earthquake.
Key words ：Lock- up device；long- span continuous rigid frame bridge；finite element method；bending moment；displacement
〇前言
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9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ffl建工作，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，提收稿日期=2017-01 -05
作者简介：宋闯（1990 -)，男，陕西渭南人，在读硕士研究生，研究方 向：桥梁结构理论与动力分析。高其抗震安全性，受到了国内外学者的广泛重视-U。大跨连 续刚构桥是墩梁固结的连续梁桥^分主跨为连续梁的多跨 刚构桥和多跨连续-刚构桥，均采用预应力混凝土结构，有 两个以上主墩，采用墩梁固结体系。是山K地形的主力桥型 之一a我国的地震活动比较频繁，曾发生过唐山大地震、汶 川大地遽、玉树地震等大的地震活动，尤其山区麄害比较严 重，这就对震区连续刚构桥的抗震性能提出了很高的要求@基于此种情况，Lock- up装置在连续刚构桥上的应用值得研 究。以往情况下，Lock- up装置在连续梁上应用得研究比较 多，而对于连续刚构桥，该方面的研究几乎为空白，那么，本 文将对Lock- up装置对连续刚构桥地震响应进行分析。
1L o ck-up装置介绍
1.1概述
Lock-up装置也称为速度锁定装置，可用于桥梁抗震，其作用效应类似于汽车上的安全带。L ock-up装置通常安 装在桥梁的伸缩缝或支座附近，在温度作用、收缩和蠕变等 低速荷载下的反应很小，不会影响桥梁结构的原有功能；而 在地震作用或制动力等高速荷载作用下，装置类似为|个刚性连接[2]«目前国外的多座桥梁上已安装了L o ck-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 念馆桥等[3]，但在国内应用尚少，而且国内将该装置用于桥梁的大部分研究针对连续梁、索结构桥梁等，而对于该装 置对连续刚构桥的地震作用效应的研究极少，本文将主要研 究Lock- up装置对连续刚构桥的地震垧应#
1.2发展历史
锁定装置最早的研究始于德国空军，其研究的目的是制 造一种着陆架，使飞机高速着陆时能适应粗糙的跑道，以此 避免飞机在着陆时发生损伤及保证机组人员的生命安全。经过研究终于成功地制造出了一种液态传动着陆装置，可保 证飞机安全降落。后来，在美国国家航空航天局NASA前身 的NACA也进行了类似的研究工作，并研制出了类似的液体 锁定装置，可以用以约束船体甲板上的电拖机移动。此后，许多制造厂进行了锁定装置的研制尝试。随着计算机技术 及制造工艺的改进，现代锁定装置（Lock- up device)逐渐形 成且在结构工程中的应用越发广泛，尤其在桥梁工程中的应 用越来越被工程技术人员所注意《
1.3 构造及作用机理
Lock- up装置和普通液体阻尼器具有类似的结构组成，如图1所与阻尼器不同之处是Lock- up装置的活塞孔 或壁筒间隙很小，承受较大荷载时仅发生较小位移[4]。在正 常情况下，由于收缩、徐变、温度变化等引起的结构相对位移 作用下，油缸内填充的液体材料可通过小孔移动，装置自
• 93 •
V 〇1.43,N 〇.3 f h 丨v £讨 第43卷第3期March,2017_________________________Sichuan Building Materials ________________________2017 年 3 月
由伸缩；在突然变位情况下，Lock - up 装置两端所连接构件 发生突然相对移动时，即活塞速度突然超限，活塞将相对油 缸发生突然运动挤压缸内液体，由于填充液体的特性及孔径 较小，在突然作用下，其将不能通过小孔，产生几乎瞬间锁死 的效果，这种作用在抗震方面将产生巨大作用t
①一活塞杆;②一活塞头；③一小孔;④一端部U .形夹； ⑤一端盖板及密封；⑥一油缸;⑦一液体
图1
L o c k -u p 装置构造示意图
与普通阻尼器相对比，锁定装置不消散能量，而普通阻 尼器在使用时通常损耗能量s Lock -
up 装置在速度超限时
产生很小的动位移，几乎瞬间锁定；而阻尼器在同样情况下， 将产生较大的动态位移，在阻尼液与腔体反复撞击中耗散与 吸收部分能量:。但是，对于地震这种能量较大的作用，瞬间 锁定将能使得桥梁构件之间协同受力，使其受力更加均匀， 防止个别构件突然承担过大的力产生破坏及造成人员伤亡，
2
基于某连续刚构桥的L o ck - up 装置算例
2.1
桥梁介绍
该桥是一座连续刚构桥，采用左右幅错孔布置的方案， 左幅桥桥跨布置为80 + 148 + 82. 5 ( m )，右幅桥跨布置为90 + 148 +80(m )，左右幅均为三连续混凝土刚构桥，箱梁顶 面设2%对称横坡，箱底水平，该桥平面位于直线上，取该桥 的右半幅90 + 148 + 80 ( m )进行Lock - up 装置抗震性能的
地震作用；③体系3 ：摩擦摆支座+横向Lock - up 装置，E 2 地震作用;④体系4：摩擦摆支座+横向卡死，E 2地震作用。2.3数据分析
通过所建立的4种连续刚构体系模型，进行分析比较& 张东东对五座连续刚构桥进行了抗震性能和地震响应分析， 分析结果表明，纵向地震和横向地震分别对高墩和矮墩产生 影响，并指出地震反应的内力控制截面主要在墩底等截 面[f ] p 本文选取墩底和粧顶的地震响应来分析比较连续刚 构桥在不同约束体系下的响应，以研究Lock - up 装置对连续
刚构桥的地震响应，弯矩对比见表1〜2，位移对比见表3〜4。
表
1体系1与体系2地震弯矩效应对比表（纵向+竖向输入）
位置
'
弯矩/(k N
end credits体系
2• m )体系
1
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体系2/ 体系
1/%1
号墩墩底127 043. 331 203.6944072号墩墩底164 304. 4212 107.14773号墩墩底231 743. 9243 282. 04954号墩墩底100 158. 132 477.8183081号墩桩顶10 069. 35 2 554.90343942号墩桩顶12 482. 213 989. 79893号墩桩顶20 262. 4721 005. 067964
号墩桩顶
8 707. 046
3 129. 199
278
表2体系1、体系3与体系4地震弯矩对比（横向+竖向输入)
弯矩/(kN * m )
体系3/ 体系1/%体系4/体
系1/%clientupdateprohibited
位直
体系3体系4体系11号墩墩底112 634. 1137 466. 3765 104. 95491732112号墩墩底434 868. 7480 836. 27653 504. 503467743号墩墩底559 965. 9586 865. 82600 951.5626
93984号墩墩底100 595156 064. 1381 740. 8661231911号墩桩顶9 392. 54611 326. 03 5 593. 58791682022号墩桩顶 6 759. 931 6 629. 25588 725. 063977763号墩桩顶15 240. 8115 269. 06416 192. 668694944号墩桩顶
8 559. 956
12 803. 089
7 098. 176 7
121
180
图2
连续刚构桥立面图/m
2.2 有限元模拟
该桥采用CSI Bridge 软件进行模拟，其全桥有限元模型 如图3所沁。将其分为四种约束体系形式来进行对比分析。: 研究Lock -up 装置与其他约束形式的抗震性能的差异，其 区别在于过渡墩处约東形式的不同，以此来分析Lock - up 装置对连续刚构桥的抗震性能。
结合表1〜2可知，体系1、2相比，E 2地震力作用下，体 系2过渡墩承担的纵向弯矩明显增大，主墩所受纵向弯矩也 明显减小5体系1、3、4相比，E 2地震力作用下，体系3、4过 渡墩承担的横向弯矩明显增大，主墩所受横向弯矩也明显减 小。这说明，在纵向或横向Lock - up 装置的作用下，过渡墩 与主墩在纵向和横向协同受力的效果很理想，过渡墩替主墩
承担了更多的地震力。这对于在地震作用下防止主墩受力
过大具有非常重要的意义。
表3
体系1与体系2位移对比（纵向+竖向输入)
墩号
•
纵向位移/m 体系
1/体系2体系
1
体系
2/%1
号墩墩顶0.0410. 121342号墩墩顶0. 1190. 1071113号墩墩顶0. 1530. 1381114
号墩墩顶
0.042
0. 121
35
表4
体系1、体系3与4位移对比（横向+竖向输入)
墩号
横向位移/i
体系
1
体系
3m 体系
4体系3/ 体系1/%体系
4/体系1/%1号墩墩顶0.0380.0610.0701611842号墩墩顶0. 1170.0830.07971683号墩墩顶0. 1050.0990.08694824
号墩墩顶
0.036
0.056
0.083
156
231
①体系1：过渡墩处仅采用摩擦摆支座，E 2地震作用下 结合表3〜4可知，体系1、2相比，E 2地震力作用下，体双向可动!@体系2：摩擦摆支座+纵向Lock - up 装置，E 2
系2过渡墩纵向位移明显增大，主墩纵向位移也明显减小。
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体系1、3、4相比，E2地震力作用下，体系3、4过渡墩横向位 移明显增大，主墩横向位移也明显减小0这说明，在纵向或
横向Lock- up装置的作用下，过渡墩与主墩在纵向和横向 均能很好地协同受力，过渡墩替主墩承担了更多的地震力，
位移趋致。在地震作用下，可以防止主墩位移过大而产
生损伤0
3结论
通过本文算例可以看出，在Lock- up装置的作用下，连 续刚构桥的过渡墩可以与主墩很好地协同受力，减轻主墩在
地震作用下所受的力及产生的位移，可以很好地增强连续刚 构桥的抗震性能，这对于震丨X连续刚构桥的设计及加固维修 理论可产生深远的影响^ Lock- up装置已经陆续在国外旧 桥加固和新桥抗冲击、抗震设计中得到了应用，其所起的作 用也越来越得到重视在我国现代交通发展的大背景下，平原区的桥梁建设趋缓，而山区桥梁建设规模将越来越大，连续刚构桥的修建将越来越多；同时，以往修建的连续刚构
桥抗震能力不足的情况也同样存在。因此，Lock -u p装置对
于连续刚构桥的使用将具有极大的意义。[ID:003887]
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(上接第38页)
2. 3墙面板周边自攻螺钉间距影响
调整墙面板周边自攻螺钉间距，分析螺钉间距改变对龙 骨式组合墙体抗剪承载力的影响，计算结果见表4，荷载-位移曲线见图7f i随着墙面板周边自攻螺钉间距减小，墙体的 抗剪承载力增加。墙面板周边自攻螺钉间距为1〇〇 mm时的 抗剪承载力比间距为150 m m时提高45.47%，间距为 150 mm时的抗
剪承载力比间距为200 mm时提高45. 47%，间距为200 mm时的抗剪承载力比间距为300 mm时提高 37.70%。由此可见，减小周边螺钉间距可有效提高组合墙 体抗剪承载力。
表4 不同自攻螺钉间距组合墙体有限元分析结果
墙体编号螺钉间距/m m A臓P喊/謂W9-100-4.210064. 8255.31
W9-150-4.215060.3238.02
W9 -200-4.220060. 8127.98
W9 -300-4.230060.0020.32中部应力相对较小。
2) 组合墙体的抗剪承载力随着胶合板厚度的增加而著提高。
3) 采用ST4.8型自攻钉代替ST4.2型自攻钉时墙体剪承载力明显增加。自攻螺钉直彳f：是影响组合墙体抗剪承 载力的重要因素。
4)随着墙面板周边自攻螺钉间距缩小，组合墙体的抗剪承载力增加较大。[ID:003942 ]六级考试网
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图7 不同自攻螺钉间距组合墙体荷载-位移曲线
3结论
本文利用ABAQUS，对组合墙体龙骨和面板分别选用三 维梁单元和平面应力单元模拟，自攻螺钉连接采用耦合双弹 簧模型模拟，建立出考虑到材料及几何非线性影响的有限元 分析模型，该有限元模型可较为精确地求解龙骨式组合墙体 的抗剪承载力，通过分析可得到如下结论a
1)组合墙体覆面板应力较大区域分布在面板四周，面板[8] John P, Judd. A nalytical M odeling of Wood - Fram ed Shear W alls
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