速度锁定器在桥梁抗震中的适用性分析研究

速度锁定器在桥梁抗震中的适用性分析研究

李大源

中铁二十三局集团轨道交通工程有限公司 四川成都641400

【摘要】随着社会对抗震减震技术的需求日益提高，速度锁定器作为一种有效的工程减震装置，其市场前景广阔。目前，该产品已经广泛应用于桥梁、建筑、地铁等领域，具有良好的应用效果。速度锁定器是一种转速依赖式锁闭设备，已经在我国的连续梁桥上得到了广泛的使用。通过对三种跨度连续梁桥在不同场地类型和自振期下的地震反应的对比研究，归纳出其在桥梁结构抗震设计中的适用性，为同类结构的设计与施工提供参考。

【关键词】速度锁定器；桥梁抗震；桥梁抗震

地震是最主要的自然灾害之一，地震中的桥梁破坏或坍塌，不仅导致了重大的经济损失，而且还可能引起重大的二次灾害。汶川地震是新中国建国后破坏性最强的一次，这一事件的出现，加速了我国桥梁结构抗震研究的步伐。2008年起，国家先后出台了 JTG/TB02-01-2008 《公路桥梁抗震设计细则》、CJJ166-2011 《城市桥梁抗震设计规范》、《公路工程抗震规范》、《城市轨道交通结构抗震设计规范》、 GB 50909-2014等相关标准，并对其进行了详细的分析，并提出了相应的建议。我国现行《建筑抗震规范》均采用了分级设防的思路，即采用E1、E2 （E3）二层（多层）地震设防，并与之相适应。

为减小正常运营条件下的温度和徐变对结构的影响，连续梁桥一般只在桥墩中部或墩顶附近设固定支座，其余桥墩全部设滑枕。在地震时，大部分竖向水平地震力都是由设有固定支座的桥墩来承受，而设滑枕的桥墩只承受摩擦。该结构体系在强震下的抗震性能方面有较高的要求。如果仅仅是为了增加桥墩的承载力而增加固定支座，则是很不经济的。

速度锁定器是一种与速度（加速）有关的锁紧设备。在正常运营状态下，由于温度的变化和徐变的影响，桥面的纵向变形速率很小，这时的速度锁定器就不起作用了，而可移动的支座可以满足要求的挠度；当桥梁的移动速度超过锁频装置的设计值（例如地震）时，速度锁定器会立刻闭锁，将原有的可移动支座变成固定支座，从而使结构从一个定墩变成多个定墩，从而使整个结构的受力更加均衡，实现了各个墩的共同抗推和共同抗震。

1速度锁定器的原理

速度锁定器的核心原理在于利用活动墩和墩台的相对移动，通过活塞在缸体内的运动，实现力的分散传递。在正常工况下，梁体的徐变和温度变化会导致梁体和墩台发生相对位移，在这个过程中，活塞在气缸中缓慢地运动，通过活塞将两腔的一腔向另一腔的方向慢慢移动，而在该过程中，受到的作用力很小。但是，在制动或地震荷载的作用下，活塞相对气缸的移动速度会增加，如果超出速度锁定器的设定转速，硅胶无法从一个腔室进入另外一个腔室，或是以极慢的速度移动，这时，活塞的运动就会停止或变得很慢，从而导致速度锁定器被锁死，从而使活塞杆受到的反作用比设计负荷要大。

2速度锁定器的特点

与普通流体阻尼器不同，速度锁定器不以能量耗散和减振为主要目的，而是通过能量的分散来实现。在地震、强风等情况下，速度锁定器可视为刚性联接，使水平作用力均分至各墩，起到减震作用。另外，速度锁定器结构简单，易于实现；该结构抗震性能优异，造价较低，可满足不断增长的桥梁与建筑抗震需求，市场潜力巨大。

3数值模拟

3.1 模型选取

本论文的目的是探讨锁频装置在不同场地类型下，对不同跨度桥梁之地震反应之影响。本项目拟选取3个典型的3个典型跨度（3×30 m、35 m+48 m+35 m、50 m+70 m+50 m)，研究3种典型场地（Ⅰ类场地： Tg=0.35 s，Ⅲ类场地： Tg=0.45 s，Ⅳ类场地： Tg=0.65 s）的抗震效应。

3.2 模型建立

（1）单元模拟

利用 MIDASCivil2015进行结构分析和计算，并对其上部和下部桥墩分别用梁元和连接元来模拟。

（2）边界条件

对桥墩底部进行了等效刚度分析。对锁速装置的仿真一般采用如下方式： a、根据固结进行计算；b.根据0/1方式进行，也就是当超过所设置的锁止速度时，就进行固结，剩下的则按可移动的支承进行计算；c.被简化成一个非常坚硬的弹簧；d.粘滞阻尼麦克斯韦模型。针对各种桥型，对锁频装置的布局特征进行了分析，并对锁频装置进行了简化仿真。三种不同跨径的桥梁结构计算模型如图 1~ 图 3 所示。

4 计算结果分析

4.1 30 m+30 m+30 m 模型

其上部结构采用30米+30米+30米的跨度，桥宽 b=16.5米，桥墩高度大致相同，大约6.5米，采用了2.0米×2.0米的矩形桥墩，横桥方向双墩。结果表明，该桥梁的固有频率为0。366秒。结果表明，该桥梁的自振周期为0.366秒，固定墩的地震反应速率为50%左右，而墩顶的水平荷载总和基本不变，说明在两个中墩共同抗压时，设置速度锁定器桥墩的减震效应显著。

4.2 35 m+48 m+35 m 模型

其上部结构采用35米+48米+35米的跨度，桥宽 b=13米，每座桥墩的高分别是10.85米、12米、12.5米、13米，两侧桥墩采用4×2米至6×2米的花瓶墩，横桥方向设置1个。中间桥墩采用1.9米×2.2米的方形桥墩，横桥方向设置2根。在不设置速度锁定器的情况下，桥梁的固有频率为0.850秒。(1)对于 II、 III级场地，如果设置速度锁定器，则固定墩的地震阻尼比为25%-45%，墩顶的水平反力之和为40%-90%，其减震效能不高，可以考虑其它形式的减隔震措施；(2)在 IV级场地条件下，采用固定墩的减震比60%，墩顶的水平推力提高40%，即每个桥墩的共同抗挤能力；

4.3 50 m+70 m+50 m 模型

其上部结构采用50米+70米+50米的跨度，桥宽 b=13米，每座桥墩高8.5米，7.4米，8.3米，8米，中间桥墩采用4×2米至6米2米的花瓶墩，横桥方向设置1个。结果表明：在不设置速度锁定器的情况下，桥梁的固有频率为0.360秒，固定墩的地震反应速率为40%-50%，墩顶水平作用力之和增大10%~20%，即双墩共同抗推，设置速度锁定器的抗震效果明显。实验结果表明，规划后的加工路径可提高加工效率。最后，对夹具进行设计，采用定位准确、夹紧力可靠的夹具，以提高加工精度和生产效率。

5 结语

速度锁定器在桥梁抗震中具有广泛的应用前景。其独特的原理和特点使其在地震或大风等自然灾害来临时能够有效地将水平力分散传递到各个墩子上，实现抗震效果。同时，其构造简单、施工方便、价格相对低廉等优势也使其在桥梁、建筑等领域得到广泛应用。未来，随着对抗震减震技术的需求不断提高以及技术的不断进步，速度锁定器的市场需求将会持续增长。因此，应进一步研究和推广速度锁定器在桥梁抗震中的应用，以提高桥梁的抗震性能和安全性。本文在不同跨度、不同布置方式和不同场地类型下，锁频装置的减振效果进行了研究，对于类似的机械装置的设计和应用，也可以提供一定的借鉴和参考：

( 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）当自振周期为0.1 s< T≤ Tg时，在桥墩中部设置速度锁定器，使整个结构的整体水平作用力增大很小，各个桥墩共同抗拉，可以发挥更好的抗震作用。

（4）在此情况下，结构的整体水平荷载提高了10%~40%。固定墩的减震效果可达40%~50%，而速度锁定器的减震效果更佳。

【参考文献】

[1]余小华,窦胜谭. 速度锁定器在桥梁抗震中的有限元模拟[J]. 铁道标准设计,2015(2):56-59.

[2]潘锋,彭立群,林达文,等. 桥梁速度锁定器性能试验方案设计及应用[J]. 铁道建筑,2022,62(1):92-95.