IFA裝置連續梁橋減震性能研究

李 鋒,陳士通,馬 遙,史海東

(石家莊鐵道大學河北省交通應急保障工程技術研究中心,石家莊 050043)

橋梁支座的作用是將上部結構各種載荷傳遞到墩臺上，并能夠適應活載、溫度變化、混凝土收縮與徐變等因素產生的變位位移和轉角[1-2]。連續梁橋為滿足溫度荷載引起的變形需求，一般一聯只設一個固定墩，使其承擔幾乎全部上部結構縱向水平地震荷載，致使梁體縱向位移響應較大，極易引起伸縮縫和支座破壞，最終導致碰撞損傷，甚至落梁、垮塌等嚴重震害發生。目前，延性設計和減隔震設計是解決連續梁橋墩臺、支座嚴重震害的有效抗震設計方法。但延性設計利用橋墩塑性變形耗散地震能量，導致結構損傷不可避免，震后修復工作困難。因此，國內外學者主要通過研發各種有效減隔震裝置以耗散地震能量，減小結構地震響應，提高結構的整體抗震性能。減隔震裝置主要包括：減隔震支座[3-6]、被動耗能裝置[7-10]和鎖定裝置[11-13]。

通過對既有減隔震裝置的特點以及存在的不足進行總結分析，為充分利用連續梁橋滑動墩的抗震潛能，考慮連續梁橋的結構形式及地震響應特點，提出了一種構造簡單、維護方便，以慣性力激活的減震裝置。以某7跨連續梁橋為例，分析了裝置的工作原理，研究了裝置對等高與非等高連續梁橋減震性能的影響。

1 慣性力激活裝置

1.1 裝置構造

慣性力激活裝置(Inertial Force Activation Device，簡稱IFA裝置)主要由激活裝置、鎖定裝置、水平鎖桿和牛腿構成，如圖1所示。

圖1 IFA裝置結構

正常狀態下，鎖定裝置內部凈空大于水平鎖桿外徑，水平鎖桿可在鎖定裝置內自由水平運動，滿足正常狀態下墩梁變位需求，激活條件不受溫差引起的墩梁相對變位影響。地震發生時，當激活裝置慣性力達到IFA裝置慣性力激活閾值(可通過調整擺錘質量調整)時，激活裝置在慣性力作用下擺動，繼而帶動激活裝置和鎖定裝置之間的連桿機構擺動，致使鎖定裝置內部空間收縮，并與水平鎖桿相互嵌固，從而限制梁體和滑動墩相對運動，促使滑動墩與固定墩共同承擔上部結構縱向水平地震荷載，充分利用連續梁橋的整體抗震性能。

1.2 裝置工作原理

根據IFA裝置結構及工作原理，裝置單元模型如圖2所示。圖2中，fk為慣性力激活閾值，k1+k2為裝置初始連接剛度，k2為裝置屈服連接剛度，fs為裝置屈服力，c為單元阻尼系數。

在激活裝置慣性力達到慣性力激活閾值fk之前，裝置未被激活，滑動墩與梁體之間處于縱向自由滑動狀態。當激活裝置慣性力達到慣性力激活閾值fk時，裝置被激活，鎖定裝置與水平鎖桿嵌固，裝置發揮作用，鑒于IFA裝置的工作原理，可知其具有震后自復位功能，同時存在震中反復鎖止的現象。

圖2 單元模型

為便于表述，設ft為t時刻激活裝置慣性力

ft=-m·at

(1)

式中，m為激活裝置擺錘質量；at為t時刻墩頂加速度；“-”表示慣性力方向與墩頂加速度方向相反。

根據IFA裝置工作原理得到裝置本構方程如下

(2)

式中，di為墩頂與梁體相對位移；k為連接剛度，其中初始連接剛度k=k1+k2，屈服連接剛度k=k2。

2 等高連續梁減震性能研究

某連續梁橋如圖3所示，其跨徑組合為55 m+5×72 m+55 m，采用等截面預應力混凝土連續箱梁，單箱雙室，箱寬9.2 m，頂板懸臂長4.4 m，底板懸臂長5.5 m，梁高4.0 m；橋墩高度為15 m，其縱向抗彎慣性矩為2.3 m4，截面面積為8.3 m2，混凝土彈性模量取3.45×1010N/m2。原設計4號墩為固定墩，其他墩均設縱向滑動支座。采用ANSYS軟件[14-15]建模，梁、墩采用線性單元模擬，IFA裝置采用圖2所示單元模擬，橋墩與地面固接處理。

圖3 某大跨連續梁橋計算簡圖(單位：m)

為明確IFA裝置的減震效果，假定2種工況進行非線性時程分析：工況1為原橋設計模型，即4號橋墩與主梁鉸接，其他橋墩上梁體可沿橋縱向自由滑動；工況2為墩梁間設置IFA裝置模型，即4號橋墩與主梁鉸接，2號、3號、5號～7號墩梁間設IFA裝置。為便于分析IFA裝置的減震效果，假定滑動墩始終處于彈性狀態，不考慮裝置屈服及阻尼作用，通過對連接剛度及慣性力激活閾值進行組合對比分析，本文取IFA裝置單元剛度k=1×109kN/m，慣性力激活閾值fk=0.1 kN。場地類型及地震波輸入如表1所示，計算時，加速度最大峰值調整為0.4g，僅考慮順橋向水平方向。提取分析結果中的各墩墩底剪力、彎矩及墩梁相對位移的極值均值(4種地震波作用下均值)如圖4所示。

表1 場地類型及地震波

圖4 地震響應對比圖示

由圖4可得出如下結論。

(1)連續梁橋未設置IFA裝置時(工況1)，4號固定墩墩底剪力、彎矩遠大于各滑動墩，連續梁橋設置IFA裝置后(工況2)，4號固定墩墩底剪力、彎矩出現了明顯降幅，如固定墩墩底剪力、彎矩降幅約為52%。此外，滑動墩墩底剪力、彎矩出現了明顯上升，說明在墩梁間設置IFA裝置，利用滑動墩的抗震潛能，可實現固定墩和滑動墩協同受力，提高連續梁橋的整體抗震性能。

(2)連續梁橋設置IFA裝置后(工況2)，2號、3號和5號～7號墩梁相對位移降幅明顯，說明IFA裝置發揮作用后，通過限制梁體和滑動墩相對運動，不僅降低了固定墩墩底內力響應，同時，由于滑動墩參與抵抗地震作用，還將有效減小梁端位移，避免鄰聯梁體、梁與橋臺之間的碰撞，甚至落梁垮塌等嚴重震害的發生。

(3)IFA裝置發揮作用后，2號、3號和5號～7號滑動墩墩底剪力、彎矩相同，且與固定墩墩底剪力、彎矩較為接近，說明IFA裝置發揮作用將使上部結構地震荷載在各墩間進行重新分配。鑒于各滑動墩截面特性相同，表明IFA裝置限制墩梁相對位移后，上部結構地震荷載將按各墩抗側移剛度比分配至各滑動墩。考慮實際橋梁工程中，各墩墩高多有不同，工程應用時，需注意各墩抗側移剛度差異引發的地震荷載分配不均問題。

3 非等高連續梁橋減震性能研究

墩高不等的非規則連續梁橋各墩之間抗側移剛度差異較大，為明確各墩抗側移剛度差異對IFA裝置減震效果的影響，對圖3中各橋墩高度進行調整，調整過程中各墩截面特性保持不變，構建表2所示非等高連續梁橋進行非線性時程分析，分析工況同等高連續梁橋。IFA裝置單元剛度、慣性力激活閾值分別為k=1×109kN/m，fk=0.1 kN。場地類型及地震波輸入如表1所示，計算時，為便于比較減震效果，加速度最大峰值調整為0.4g，僅考慮順橋向水平方向。

IFA裝置對非等高連續梁橋固定墩墩底剪力、彎矩及梁端位移的減震效果通過減震率來表述，減震率定義為

(3)

其中，R1，max為工況1所得結構最大地震響應；R2，max為工況2所得結構最大地震響應。圖5為不同墩高組合情況下固定墩墩底剪力、彎矩及梁端位移減震率(減震率為4種地震波作用下均值)。

表2 非等高連續梁橋各橋墩高度 m

圖5 不同墩高組合平均減震率

由圖5可得出如下結論。

(1)4種墩高組合下，固定墩墩底剪力、彎矩及梁端位移的減震率均在35%以上，說明對于墩高不等的非規則連續梁橋，利用IFA裝置仍可以取得良好的減震效果。

(2)固定墩墩底剪力、彎矩及梁端位移減震率隨固定墩墩高增加呈現先增后減的趨勢，三者在墩高度組合3(固定墩墩高為25 m)時減震效果最優，三者減震率分別為60.6%、67.2%和68.3%，說明不同墩高組合對IFA裝置減震效果存在一定影響。

為進一步明確IFA裝置發揮作用后，不同墩高間水平地震荷載的分配趨勢，圖6給出了4種墩高組合情況下，以固定墩剛度為基準的各墩抗側移剛度比值，圖7為A波作用下，4種墩高組合工況2時各墩墩底剪力、彎矩分配情況。

圖6 各墩抗側移剛度比值

圖7 4種墩高組合各墩墩底內力對比

由圖6、圖7得出如下結論。

(1)墩高組合為3和4時，各墩墩底剪力、彎矩分配曲線與相應各墩抗側移剛度比值曲線基本相同，進一步說明IFA裝置發揮作用后，地震荷載將按各墩抗側移剛度比值大小進行分配，墩高越矮承受地震荷載越大，工程應用中應重視對矮墩的震中保護。

(2)墩高組合1和2中，多數橋墩的墩底剪力、彎矩分配趨勢同相應組合的抗側移剛度比值曲線，但部分橋墩剪力、彎矩幾乎為零，如組合1中的2號、6號、7號墩和組合2中的7號墩，說明當各墩抗側移剛度差值較大且各墩墩頂IFA裝置的激活閾值設定相同時，可能出現裝置未能激活的現象。

(3)在采用IFA裝置后各滑動墩均有效激活的前提下，連續梁橋各墩間抗側移剛度差異越大，地震荷載在各墩的分配越不均勻，如墩高組合為3和4時，各滑動墩均承擔了地震荷載，但組合3中的各滑動墩之間的墩底剪力、彎矩差值明顯大于組合4。

為解決非等高連續梁橋各墩間地震荷載分配不均及矮墩受載過大問題，通過調整裝置連接剛度，使其與滑動墩抗側移剛度串聯后的剛度與固定墩抗側移剛度相等，即可實現各墩均勻協同受載，同時，實現對不等高連續梁橋矮墩的能力保護的目的。圖8即以墩高組合3為例，A波作用下調整IFA裝置連接剛度前后各墩受載情況對比圖示。通過上述方法，可使IFA裝置更方便應用于不等高連續梁橋。

圖8 調整前后各墩墩底剪力對比

4 結論

(1)在連續梁橋各滑動墩與梁體間設置IFA裝置，可有效降低固定墩的抗震需求，減小梁體的縱向地震位移響應，減震效果良好。

(2)IFA裝置發揮作用后，上部結構地震荷載將按剛度分配的原則傳遞至各滑動墩，對于非等高連續梁橋，工程應用時要重視對矮墩的能力保護。

(3)各橋墩抗側移剛度差異越大，地震荷載在各墩間的分配越不均勻，此外，因各墩抗側移剛度的不同，將可能引發各墩墩頂IFA裝置激活條件的變化，故非等高連續梁橋利用IFA裝置減震的參數設置，需結合具體工程進行。

(4)采用IFA裝置進行減震的初衷是利用滑動墩的抗震潛力，故科學確定滑動墩彈性范圍內的極限承載能力是該思想得以實現的前提。