非一致激勵時不同梁長連續梁橋IFA裝置減震適用性分析

張茂江,陳士通,支墨墨,張文麗,許鑫祥

(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)

隨著我國大跨度橋梁的快速發展，其抗震問題已經成為研究的熱點問題[1]。地震動的空間效應會使大跨橋梁各支承位置地震響應出現較大差異，因此對于長聯大跨連續梁橋應適當考慮地震動行波效應所產生的影響[2-3]。在大跨度橋梁行波效應研究方面，國內外學者已做出了很多貢獻。羅澤輝等[4-5]對行波效應下的大跨度斜拉橋地震響應進行了分析，發現行波效應對大跨度斜拉橋的地震響應具有非常顯著的影響；OSMAN M.O. RAMADAN等[6]研究發現行波效應對大跨度梁橋地震響應的影響與地震動表面視波速有關；陳志偉等[7]考慮行波效應進行了高墩剛構橋的地震易損性分析，分析結果表明，進行易損性分析時應考慮行波效應的影響；閆聚考等[8-10]考慮行波效應的影響進行了大跨度斜拉橋的試驗研究，試驗結果表明，行波效應對大跨度斜拉橋結構響應的影響與其自身特性以及地震動特性密切相關；劉正楠[11]等對行波效應下無砟軌道鐵路橋梁縱橋向地震響應進行了分析，結果發現行波效應對軌道系統地震響應的影響需重點關注。

為更好地提高大跨度橋梁的抗震性能，諸多學者研發出了多種適用于大跨度橋梁的新型減隔震裝置[12-20]，文獻[21]總結了連續梁橋既有減隔震支座的特點和不足，在此基礎上提出了一種慣性力激活的連續梁橋用減震裝置(Inertial Force Activated，IFA)并探究了其在連續梁橋中的減震性能，結果表明，該裝置激活后能夠有效地減小連續梁橋的地震響應，但其研究著重于IFA裝置的減震性能，其在不同連續梁橋中的適用性研究未見涉及。為探究IFA裝置在不同梁長連續梁橋中的適用性，考慮非一致激勵作用的影響，針對不同跨度和跨數的連續梁橋進行其減震效果分析，為促進其在連續梁橋中的工程應用提供技術支撐。

1 慣性力激活減震裝置

1.1 IFA裝置構造

IFA裝置主要包括激活裝置、鎖定裝置、水平鎖桿、牛腿及連桿機構5部分，如圖1所示。

圖1 IFA裝置構造

正常運營狀態下(裝置未激活)，水平鎖桿可在鎖定裝置內自由水平運動，不限制梁墩之間的相對變位；地震突發時，激活裝置在慣性力作用下開始擺動，并帶動其與鎖定裝置之間的連桿機構運動，鎖定裝置內部空間縮小，當激活裝置慣性力達到激活閾值時，鎖定裝置與水平鎖桿相互嵌固，限制梁墩之間的相對運動，利用咬合傳力原理，將上部梁體傳遞的地震荷載傳遞給滑動墩，達到各墩協同抗震的目的。由IFA裝置慣性力激活的工作原理可知，其在震中具有反復鎖止的工作特點，且具備震后自復位功能，不影響連續梁橋的正常運營。

1.2 IFA裝置單元模型及力學方程

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IFA裝置屈服時激活裝置的慣性力，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，IFA裝置未被激活，活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激活閾值fk時，IFA裝置被激活，鎖定裝置與水平鎖桿嵌固，裝置發揮作用。為便于表述，設ft為t時刻激活裝置的慣性力

圖2 IFA裝置單元模型

ft=-m·at

式中，m為激活裝置的質量；at為t時刻的墩頂加速度；“-”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力學方程如下

式中，di為梁體與墩頂之間的相對位移；ds為裝置屈服時的梁墩相對位移。

2 工程概況

某跨徑為55 m+72 m×5+55 m的7跨等高連續梁公路橋，其梁體采用等截面預應力混凝土連續箱梁，單箱雙室，如圖3(a)所示；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，混凝土密度取2 500 kg/m3，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，計算簡圖如圖3(b)所示。

圖3 連續梁橋工程概況(單位：m)

利用ANSYS建立有限元模型，梁、墩用梁單元進行模擬，IFA裝置采用組合單元進行模擬，設裝置初始連接剛度k1+k2=1.0×109kN/m，裝置激活閾值定為fk=0.01 kN，選取El Centro波作為非一致激勵時的地震動，地震動輸入方向為順橋向，地震加速度峰值調整為0.4g。在2號、3號及5號～7號墩墩頂設IFA裝置，忽略裝置內部的能量損失，假定裝置阻尼系數c=0，計算過程中假設各橋墩均保持彈性，橋墩與地面固接處理。由于裝置屈服后發生滑移，鎖死功能失效，故不考慮其屈服后的工作狀態。

3 不同梁長連續梁橋IFA裝置減震適用性分析

為探究非一致激勵作用下IFA裝置在不同梁長連續梁橋中的減震適用性，以圖3所示連續梁橋為基礎，構建不同跨徑組合的連續梁橋進行非線性時程分析，分析時地震動視波速v分別取200，500 m/s及1 000 m/s。采用減震率λ表示連續梁橋IFA裝置的減震效果。

3.1 不同跨度連續梁橋IFA裝置減震適用性分析

在跨數不變的情況下，調整跨徑長度及梁體高度構建表1所示5種跨徑組合的連續梁橋進行非線性時程分析，根據時程分析結果，圖4給出了視波速v=500 m/s時5種連續梁橋固定墩墩底彎矩、剪力及梁端位移的減震率λ。

表1 連續梁橋跨徑組合 m

圖4 不同跨度連續梁橋IFA裝置減震效果

由圖4可知：

(1)非一致激勵作用下，IFA裝置發揮作用后連續梁橋固定墩墩底彎矩、剪力及梁端位移減震率均在50%以上，且三者減震率相近，說明IFA裝置不僅有效降低了固定墩的地震響應，同時還降低了梁端位移，可有效減小相鄰梁跨間的碰撞幾率。

(2)隨著連續梁橋跨度的增大，固定墩墩底彎矩、剪力及梁端位移減震率呈現出了降低的現象，但三者減震率仍非常接近，說明非一致激勵作用下，連續梁橋跨度變化對IFA裝置的減震效果有所影響，對于不同跨度連續梁橋，IFA裝置均可達到同時降低固定墩地震響應及梁端位移的減震效果。

進一步探究非一致激勵作用下不同跨度連續梁橋中IFA裝置的減震適用性，圖5為上述3種視波速下各連續梁橋的平均減震率λa(固定墩墩底彎矩、剪力及梁端位移減震率均值)。

圖5 不同跨度連續梁橋IFA裝置減震適用性

分析圖5可得如下結論。

(1)不同視波速v作用下，5種跨徑組合的連續梁橋減震率均值多數情況下在20%以上，說明IFA裝置在不同跨度連續梁橋中具備較強的減震適用性。此外，5種跨徑組合的連續梁橋減震率均值隨視波速的增加均呈現出先增后減的變化趨勢，說明考慮非一致激勵作用影響時視波速變化對IFA裝置的減震效果影響明顯，地震動視波速v=500 m/s時IFA裝置減震效果最佳。

(2)非一致激勵作用下跨徑組合5(主梁跨度為140 m)的連續梁橋減震率均值λa在視波速達到1 000 m/s時出現負值，說明此時IFA裝置不能再發揮其減震功能，反而增大了連續梁橋的地震響應，不利于連續梁橋結構抗震性能的提高，為使IFA裝置達到理想減震效果，需對其布設方案進行調整。

(3)不同跨徑組合連續梁橋的減震率均值λa受視波速變化的影響程度有所差異，5種跨徑組合連續梁橋的減震率均值λa在不同視波速下的變化幅度分別為19.3%、30.4%、29.2%、36.4%及56.8%，說明非一致激勵作用下IFA裝置減震效果受視波速變化的影響程度與連續梁橋具體跨徑相關。

3.2 不同跨數連續梁橋IFA裝置減震適用性分析

為了解不同跨數連續梁橋中IFA裝置的減震適用性，構建表2所示4種跨徑組合的IFA裝置連續梁橋進行分析，不同視波速v作用下4種跨徑組合IFA裝置連續梁橋的減震率均值λa如圖6所示。

表2 連續梁橋跨徑組合及IFA裝置布設方案 m

根據圖6可得如下結論。

圖6 不同跨數連續梁橋IFA裝置減震適用性

(1)非一致激勵作用下，當地震動視波速v較低時，具備不同跨數的4種連續梁橋減震率均值均為正值，且多數情況下大于20%，說明IFA裝置可有效提高不同跨數連續梁橋的減震性能，具有較強的減震適用性；當視波速v增加至1 000 m/s時4種連續梁橋減震率均為負值，IFA裝置不能再起到減小固定墩地震荷載的作用，進一步證明視波速較大時跨度為140 m的連續梁橋主跨滑動墩墩頂滿布IFA裝置的布設方案不合理，為使IFA裝置達到理想減震效果，需對其布設方案進行適當的調整。

(2)隨著視波速v的增加，4跨與5跨連續梁橋(跨徑組合6、7)減震率均值逐漸下降，而6跨與7跨連續梁橋(跨徑組合8、9)減震率均值則呈先增后減的變化趨勢，說明非一致激勵作用下連續梁橋IFA裝置減震效果在不同視波速v下的變化規律與連續梁橋具體跨數相關，工程應用時應結合具體梁型進行分析，以取得最佳減震效果。

(3)在視波速v確定情況下，連續梁橋IFA裝置減震效果隨跨數變化呈現不同的變化趨勢，如v=200 m/s和v=1 000 m/s時的連續梁橋減震率均值隨跨數增多上下波動，而v=500 m/s時連續梁橋減震率均值則出現了隨跨數增多逐漸上升的現象，進一步說明了考慮非一致激勵作用影響時IFA裝置減震效果與地震動視波速及連續梁橋具體梁型相關。

3.3 不同梁長連續梁橋各橋墩地震響應分析

保證滑動墩的震中安全是連續梁橋利用IFA裝置減震的前提，為明確非一致激勵作用下不同梁長連續梁橋各橋墩地震響應的分配規律，選取各連續梁橋墩底剪力極值進行分析，圖7(a)和圖7(b)分別給出了視波速v取500 m/s時不同跨度和不同跨數連續梁橋的墩底剪力分配情況。

圖7 不同梁長連續梁橋墩底剪力分配情況

由圖7可得如下結論。

(1)非一致激勵作用時連續梁橋各墩墩底剪力極值差異較大，梁長越大，各墩之間的剪力極值差值越大，說明考慮非一致激勵作用影響時各墩地震響應不再按照各墩抗側移剛度比進行分配，且各墩地震響應差異受連續梁橋梁長的影響，梁長越大，各墩之間的地震響應差異越明顯。

(2)在連續梁橋梁長確定情況下，考慮非一致激勵作用影響時的各墩墩底剪力總體上呈“V”形分布，端部位置的橋墩墩底剪力極值大于中部位置橋墩，說明非一致激勵作用下連續梁橋利用IFA裝置進行減震時，各墩地震響應大小與其位置有關，橋墩位置越靠近橋梁端部引發的地震響應越明顯，因此，利用IFA裝置進行減震的連續梁橋必須注意各滑動墩尤其是端部橋墩的能力保護，避免其在震中發生結構破壞。

(3)連續梁橋跨數對各墩墩底剪力分配規律有所影響，如跨徑組合6(4跨連續梁橋)的連續梁橋各墩剪力隨著距震源距離的增加而逐漸縮小，而跨徑組合7～9(5跨～7跨連續梁橋)各墩墩底剪力仍然呈“V”形分布，說明連續梁橋跨數較多時，非一致激勵作用下的墩底剪力仍呈中墩小、邊墩大的不均勻現象。

4 結論

(1)非一致激勵作用下利用IFA裝置減震可有效發揮連續梁橋滑動墩的抗震潛能，降低固定墩的抗震需求與梁體的縱向位移，連續梁橋整體抗震性能夠得到有效提升。

(2)IFA裝置在不同梁長連續梁橋中具有較強的減震適用性，連續梁橋跨度與跨數變化均對IFA裝置減震效果有所影響，其影響效果與地震動視波速及連續梁橋具體梁型相關，在實際工程應用中應結合連續梁橋梁型進行具體分析并對IFA裝置布設方案加以調整，以達到最理想的減震效果。

(3)非一致激勵作用下布設IFA裝置的連續梁橋各橋墩地震響應分配存在差異，且差異程度受連續梁橋跨度、跨數變化影響，跨度越大、跨數越多，差異越明顯。