基于新型黏彈性阻尼減震器的跨斷層鐵路橋梁減震分析

王東昀

(蘭州鐵道設(shè)計(jì)院有限公司，甘肅 蘭州 730000)

在臺(tái)灣集集地震、土耳其Kocaeli地震和Duzce地震及汶川地震中,多座橋梁結(jié)構(gòu)因跨越斷裂帶而出現(xiàn)嚴(yán)重破壞甚至全橋坍塌的現(xiàn)象[1-2]。因此，國(guó)內(nèi)外的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范提出在橋梁選線時(shí)盡可能避免通過(guò)斷裂帶或選擇在斷裂帶最窄的地方通過(guò)，若必須通過(guò)則橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)采用墩高較低、跨徑較小、容易搶修的簡(jiǎn)支梁橋[3]。然而對(duì)于一些大型工程，有時(shí)需要毗鄰或跨越斷層。橋梁減震技術(shù)通過(guò)安裝合理的耗能裝置延長(zhǎng)橋梁結(jié)構(gòu)的周期或消耗地震能力，以達(dá)到減小橋梁結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的目的[4-6]。目前，對(duì)于跨斷層橋梁的減震研究正處于初始階段，僅有少量的國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了研究。GOEL等[7]提出在橋臺(tái)處設(shè)置一種剪力鍵來(lái)提高跨斷層區(qū)域橋梁的抗震性能，研究表明該結(jié)構(gòu)可以有效減小跨斷層橋梁的損傷。PARK等[8]對(duì)土耳其地震中Bolu 1號(hào)橋進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)斷層兩側(cè)錯(cuò)動(dòng)形成的永久位移導(dǎo)致橋梁保護(hù)系統(tǒng)失效是該橋坍塌的直接原因?；萦碌萚9]通過(guò)研究國(guó)內(nèi)外跨斷層橋梁的震害特征，提出斷層形成的相對(duì)位移是導(dǎo)致橋梁發(fā)生支座失效、墩柱損毀、落梁的主要原因。楊懷宇等[10]指出實(shí)際工程中需要考慮落梁和梁體碰撞的措施。上述研究主要是從跨斷層橋梁的地震響應(yīng)和震害特征進(jìn)行分析，但未對(duì)抗震設(shè)防措施進(jìn)行研究，規(guī)范中也僅僅指出可以采用耗能減震裝置進(jìn)行防御，但未進(jìn)行量化。

本文基于功能分離的設(shè)計(jì)理念，提出一種新型黏彈性阻尼減震器。以敦格(敦煌—格爾木)鐵路一座跨走滑斷層鐵路簡(jiǎn)支梁橋?yàn)槔?，采用人工合成的地面運(yùn)動(dòng)時(shí)程曲線，通過(guò)非線性時(shí)程分析方法研究新型黏彈性阻尼減震器對(duì)跨斷層橋梁地震響應(yīng)的影響，為跨斷層橋梁抗震設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

敦格鐵路簡(jiǎn)支梁為后張法預(yù)應(yīng)力混凝土梁，橋孔跨布置采用5×32 m。該橋位于當(dāng)金山山區(qū)，在闊克薩隧道與長(zhǎng)草溝隧道之間，橫跨長(zhǎng)草溝右岸一支溝，兩側(cè)山體陡峭，地形起伏較大。

2 新型黏彈性阻尼減震器的構(gòu)造及工作原理

2.1 新型黏彈性阻尼減震器的構(gòu)造

新型黏彈性阻尼減震器由約束層和阻尼層組成，約束層由鋼板制成，阻尼層由黏彈阻尼材料制成。為了防止約束層材料在水平剪切變形過(guò)程中發(fā)生彎曲變形，約束層為層疊狀，層與層之間用較薄的鋼板分開(kāi)。阻尼材料可根據(jù)減震的要求來(lái)選定，并由專業(yè)的阻尼材料生產(chǎn)廠家提供。新型黏彈性阻尼減震器構(gòu)造如圖1所示。

圖1 新型黏彈性阻尼減震器構(gòu)造

滑塊結(jié)構(gòu)安裝在減震器減震方向的凹槽內(nèi)，蓋上蓋板即可構(gòu)成黏彈阻尼減震器。將黏彈阻尼減震器和滑板結(jié)構(gòu)分別固定在活動(dòng)支座處的墩頂和梁端的下翼緣上。無(wú)地震時(shí)，活動(dòng)支座帶動(dòng)滑板結(jié)構(gòu)在減震方向做自由移動(dòng)，減震器不參與工作(參見(jiàn)圖1)；地震時(shí)，當(dāng)活動(dòng)支座的位移大于減震控制系統(tǒng)所規(guī)定的數(shù)值時(shí)，滑板中的抗剪楔塊正好位于凹槽內(nèi)，若楔塊彈簧彈出凹槽，則滑板結(jié)構(gòu)和減震器連接成一個(gè)整體，活動(dòng)支座帶動(dòng)滑板結(jié)構(gòu)向減震方向移動(dòng)，構(gòu)成一個(gè)完整的減震控制系統(tǒng)。在地震荷載作用下，當(dāng)減震器做往復(fù)的剪切運(yùn)動(dòng)時(shí)，阻尼層中的黏彈阻尼材料在該剪切運(yùn)動(dòng)過(guò)程中耗散能量，從而達(dá)到減震的目的。

新型黏彈性阻尼減震器的優(yōu)點(diǎn)在于不會(huì)影響橋梁結(jié)構(gòu)的正常工作。當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，能夠保證活動(dòng)支座沿縱橋向的自由移動(dòng)，只有發(fā)生地震時(shí)減震控制系統(tǒng)才對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)具有減震作用。新型黏彈性阻尼減震器已于2012年首次在武罐高速公路馬河大橋安裝應(yīng)用。

2.2 工作原理

黏彈性阻尼器減震原理是將其設(shè)置在產(chǎn)生相對(duì)變形比較大的位置(如支座處、拉索)，當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，黏彈性阻尼器產(chǎn)生剪切滯回變形以耗散輸入的能量，從而減小結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)。在運(yùn)用有限元軟件分析時(shí)，需要提供黏彈性阻尼器的等效剛度Kd和阻尼Cd。其計(jì)算公式[10]分別為

Kd=G1A/h

(1)

Cd=G2A/(ωh)

(2)

式中：G1，G2分別為黏彈性材料的儲(chǔ)存模量和耗損模量；A為阻尼材料的剪切面積；ω為激勵(lì)頻率；h為阻尼層的厚度。

圖3 斷層兩側(cè)場(chǎng)地加速度時(shí)程曲線

裝有黏彈性阻尼器的結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方程為

(3)

式中：M為原結(jié)構(gòu)的質(zhì)量矩陣；C和K分別為原結(jié)構(gòu)的阻尼矩陣和剛度矩陣；Cve和Kve分別為黏彈性阻尼器的等效阻尼矩陣和等效剛度矩陣；X為體系各節(jié)點(diǎn)的位移矢量；F(t)為廣義力矢量。

2.3 計(jì)算模型

本文基于SAP2000有限元分析軟件，采用Kelvin模型建立黏彈性阻尼器的力學(xué)計(jì)算模型，分析設(shè)置黏彈性阻尼減震器后橋梁減震結(jié)構(gòu)的抗震性能。力學(xué)計(jì)算模型的力-位移關(guān)系式為

(4)

式中：ud為位移;Fd為阻尼力。

3 地面運(yùn)動(dòng)合成

地震時(shí)，斷層效應(yīng)可分為方向性效應(yīng)和滑沖效應(yīng)，如圖2所示。方向性效應(yīng)會(huì)引起一個(gè)雙邊速度脈沖，滑沖效應(yīng)會(huì)引起一個(gè)單向速度脈沖。方向性效應(yīng)在垂直于斷層的分量上以大幅值、長(zhǎng)周期、持時(shí)長(zhǎng)的強(qiáng)速度脈沖為主要特征；滑沖效應(yīng)在平行于斷層的分量上以強(qiáng)速度脈沖為主要特征，滑沖效應(yīng)是由斷層兩側(cè)的錯(cuò)動(dòng)引起的，主要表現(xiàn)為位移時(shí)程的突然升高或降低，然后形成地面永久位移。一般情況下，方向性效應(yīng)和滑沖效應(yīng)幾乎同時(shí)發(fā)生，所以應(yīng)同時(shí)予以考慮。

圖2 斷層類型和主要特征

根據(jù)速度脈沖地震記錄可知，速度脈沖的頻率是<1 Hz(周期>1 s)的低頻部分，而高頻部分(周期<1 s)等效的脈沖加速度譜與實(shí)際地震記錄不符。因此，在模擬跨斷層地震動(dòng)時(shí)，應(yīng)將低頻部分和高頻部分分別模擬，然后將二者進(jìn)行疊加合成含有多種頻率成分且能夠反應(yīng)跨斷層效應(yīng)的地震波。方向性效應(yīng)脈沖采用方向性脈沖模型[11]進(jìn)行模擬；滑沖性效應(yīng)脈沖采用滑沖脈沖模型[12]進(jìn)行模擬。

高頻部分的模擬與遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)高頻部分的模擬類似。根據(jù)潛在的矩震級(jí)和場(chǎng)地條件，按照文獻(xiàn)[13]提出的方法模擬>1 Hz頻率成分的加速度時(shí)程，即在任意時(shí)刻將高頻時(shí)程與低頻時(shí)程疊加，生成方向性效應(yīng)脈沖響應(yīng)和滑沖效應(yīng)脈沖響應(yīng)，再合成斷層兩側(cè)垂直斷層與平行斷層的模擬時(shí)程曲線，如圖3—圖5所示。

圖4 斷層兩側(cè)場(chǎng)地速度時(shí)程曲線

圖5 斷層兩側(cè)場(chǎng)地位移時(shí)程曲線

由圖3—圖5可知，斷層兩側(cè)垂直斷層方向加速度、速度和位移時(shí)程曲線相似，加速度在20～25 s時(shí)達(dá)到峰值，速度和位移均在20 s時(shí)達(dá)到峰值，且加速度、速度和位移的方向基本一致。而斷層兩側(cè)場(chǎng)地平行斷層方向加速度、速度和位移時(shí)程曲線僅峰值位置相似，加速度、速度和位移方向相反。

綜上可知，斷層左右側(cè)垂直斷層方向的加速度、速度和位移時(shí)程曲線與斷層左右側(cè)平行斷層方向的加速度、速度和位移時(shí)程曲線均存在一定的差異，故地震響應(yīng)也不一樣。

4 跨斷層橋梁減震分析

4.1 模型建立與地震動(dòng)輸入

采用SAP2000有限元軟件建立球型支座和球型支座+新型黏彈性阻尼減震器2種模型，分析安裝阻尼減震器前后對(duì)結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響。梁和橋墩均采用線性梁?jiǎn)卧M，球型支座采用非線性連接單元模擬，黏彈性阻尼減震器順橋向布置在墩梁之間，采用Hook單元模擬。敦格鐵路簡(jiǎn)支梁橋斷層處有限元模型見(jiàn)圖6。計(jì)算時(shí)考慮相鄰跨的影響及碰撞作用，不考慮樁土相互作用，即墩底固結(jié)。結(jié)合黏彈阻尼減震器的室內(nèi)試驗(yàn)，根據(jù)式(1)和式(2)計(jì)算得到黏彈性阻尼減震器的滯回參數(shù)，見(jiàn)表1。

圖6 敦格鐵路簡(jiǎn)支梁橋斷層處有限元模型

表1 黏彈性阻尼器的滯回參數(shù)

斷裂帶垂直跨過(guò)簡(jiǎn)支梁橋第3跨，斷層左側(cè)為1#墩，斷層右側(cè)為2#墩。根據(jù)斷層兩側(cè)地震動(dòng)特性，在施加地震作用時(shí)，平行斷層方向的地震動(dòng)采用非一致激勵(lì)的形式輸入，將合成位移時(shí)程分量作為斷層兩側(cè)橋墩的地震動(dòng)輸入；垂直斷層方向由于斷層兩側(cè)橋墩的地震激勵(lì)相同，所以采用一致激勵(lì)的形式輸入。

4.2 減震效果分析

根據(jù)震后調(diào)查結(jié)果可知，在地震作用下固定墩(1#—4#墩)主要承受上部結(jié)構(gòu)傳來(lái)的荷載，固定墩和固定支座會(huì)發(fā)生較大破壞。因此，應(yīng)在固定墩上順橋向安裝黏彈性阻尼減震裝置。對(duì)減震前后橋梁的動(dòng)力特性進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表2。可知，增設(shè)黏彈性阻尼減震器后橋梁結(jié)構(gòu)的周期變長(zhǎng)。

表2 減震前后橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性對(duì)比 s

本文通過(guò)減震率來(lái)反應(yīng)黏彈性阻尼減震器的減震效果，減震前后不同地震作用下橋墩位移及剪力見(jiàn)表3?？芍?，設(shè)置了黏彈性阻尼減震器后，橋梁墩頂?shù)奈灰坪图袅Φ臏p震率顯著下降，減震效果非常好；方向性效應(yīng)的減震效果大于滑沖效應(yīng)的效果。說(shuō)明該黏彈性阻尼減震器能有效減輕跨活動(dòng)斷層鐵路橋梁的地震響應(yīng)。

表3 減震前后不同地震作用下橋墩位移及剪力

5 結(jié)論

1)橋梁結(jié)構(gòu)安裝新型黏彈性阻尼減震器后，結(jié)構(gòu)周期延長(zhǎng)，減小了結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。

2)新型黏彈性阻尼減震器有效減小了橋梁的墩頂位移和墩底剪力，可以防止落梁的發(fā)生及橋墩的剪切破壞。

3)新型黏彈性阻尼減震器對(duì)方向性效應(yīng)的影響明顯大于對(duì)滑沖效應(yīng)的影響，主要是由于方向性效應(yīng)里的高階成分被減震裝置消耗了。在進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)，可以對(duì)減震器進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化或采取其他設(shè)防措施減小滑沖效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。

[1]陳樂(lè)生,莊衛(wèi)林,趙河清，等.汶川地震公路震害調(diào)查·橋梁[M].北京:人民交通出版社,2012.

[2]惠迎新,王克海,李沖.跨斷層地表破裂帶橋梁震害研究及抗震概念設(shè)計(jì)[J].公路交通科技,2014,31(10):51-57.

[3]中華人民共和國(guó)建設(shè)部，中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB 50111—2006 鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)鐵道出版社,2006.

[4]李世珩,陳彥北,胡宇新,等.E型鋼阻尼器及其在橋梁工程中的應(yīng)用[J].鐵道建筑,2012,52(1):1-4.

[5]倪燕平.低屈服點(diǎn)鋼阻尼器在高速鐵路簡(jiǎn)支梁橋中的應(yīng)用[J].鐵道建筑,2013,53(6):14-17.

[6]中國(guó)鐵道建筑總公司.高烈度地震區(qū)橋梁采用減隔震技術(shù)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用研究[R]北京:中國(guó)鐵道建筑總公司，2010.

[7]GOEL R,QU B,TURES J,et al.Validation of Fault Rupture-Response Spectrum Analysis Method for Curved Bridges Crossing Strike-slip Fault Rupture Zones[J].Journal of Bridge Engineering,2014,19(5):1-4.

[8]PARK S W,GHASEM H,SHEN J,et al.Simulation of the Seismic Performance of the Bolu Viaduct Subjected to Near-fault Ground Motions[J].Earthquake Engineering & Structural Dynamics,2004,33(13):1249-1270.

[9]惠迎新,王克海.跨斷層橋梁地震響應(yīng)特性研究[J].橋梁建設(shè)，2015，45(3):70-75.

[10]楊懷宇,李建中.斷層地震動(dòng)對(duì)隔震橋梁地震響應(yīng)的影響[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2015,43(8):1144-1152.

[11]DABAGHI M,KIUREGHIAND A.Stochastic Model and Simulation of Near-fault Ground Motions for Specified Earthquake Source and Site Characteristics[R].Berkeley:University of California,2011.

[12]VAEZ S R H,SHARBATDAR M K,AMIRI G G,et al.Dominant Pulse Simulation of Near-fault Ground Motions[J].Earthquake and Engineering Vibration,2013,12:267-268.

[13]SOMERVILLE P G.Magnitude Scaling of the Near Fault Rupture Directivity Pulse[J].Physics of the Earth and Planetary Interiors,2003,137(1):201-212.