行波效應(yīng)下墩高對連續(xù)梁橋IFA裝置減震效果的影響

張茂江 陳士通 支墨墨 許鑫祥

（石家莊鐵道大學(xué) 河北省交通應(yīng)急保障工程技術(shù)研究中心，石家莊 050043）

長聯(lián)大跨度橋梁的抗震減災(zāi)已成為目前橋梁研究的熱點問題。采用減隔震措施后，多個橋墩共同參與抗震，地震動的空間效應(yīng)使得各橋墩的地震響應(yīng)表現(xiàn)出明顯的差異。因此，對采用減隔震措施的大跨度橋梁進行地震響應(yīng)分析時應(yīng)適當考慮行波效應(yīng)的影響。

在大跨度橋梁行波效應(yīng)方面，文獻［1-4］發(fā)現(xiàn)行波效應(yīng)對斜拉橋地震響應(yīng)有重大影響，但影響程度與斜拉橋自身特性密切相關(guān)；文獻［5］以某連續(xù)拱組合橋為研究對象探究了行波效應(yīng)的影響，發(fā)現(xiàn)拱橋不同位置的地震響應(yīng)隨視波速的增加有較大變化；文獻［6］研究了某懸索橋的地震響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)在行波效應(yīng)下懸索橋主塔地震響應(yīng)明顯增大。

在大跨度橋梁減隔震方面，文獻［7］以渭河特大橋主橋連續(xù)梁橋為研究對象，對采用摩擦擺支座和黏滯阻尼器共同作用的減隔震措施進行了計算分析，發(fā)現(xiàn)該措施能夠有效提高橋梁抗震性能；文獻［8］提出了一種雙向滑動支座、彈塑性擋塊和拉壓連接裝置聯(lián)合作用的新型連續(xù)梁橋橋臺支座布置方式，能夠有效提高連續(xù)梁橋的抗震性能；文獻［9］提出了一種橋梁安全帶連接體系減震裝置并進行了振動臺試驗，試驗結(jié)果表明該裝置能有效降低連續(xù)梁橋固定墩的地震響應(yīng)；文獻［10］提出了一種慣性力激活的連續(xù)梁橋用減震裝置（Inertial Force Activated，IFA），發(fā)現(xiàn)激活該裝置后能夠有效地減小連續(xù)梁橋的地震響應(yīng)。

目前，對IFA裝置的研究僅在一致激勵下進行，考慮行波效應(yīng)時IFA 裝置減震性能的研究尚未涉及。IFA 裝置的工作原理在于激發(fā)連續(xù)梁橋活動墩的抗震潛能，墩高變化會對IFA 裝置減震效果有所影響。因此，本文對行波效應(yīng)下不同墩高組合的連續(xù)梁橋進行非線性時程分析，研究等高與非等高連續(xù)梁橋IFA 裝置的減震效果及各橋墩地震響應(yīng)分配的變化規(guī)律。

1 IFA裝置

1.1 工作原理

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(gòu)5 部分（圖1）。橋梁正常運營時，裝置未激活，水平鎖桿可以自由水平運動，滿足梁墩之間的相對位移需求。地震突發(fā)時，激活裝置在慣性力作用下開始擺動，并帶動連桿機構(gòu)運動，使鎖定裝置內(nèi)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，活動墩與梁體臨時鎖定，利用咬合傳力的原理實現(xiàn)各墩協(xié)同受力。由IFA 裝置工作原理可知，其在工作狀態(tài)下具有反復(fù)鎖止的特點，且在震后能夠自動復(fù)位，不影響橋梁的正常運營。

圖1 IFA裝置

1.2 力學(xué)模型

IFA 裝置的力學(xué)模型及本構(gòu)關(guān)系見圖2。圖2（a）中，fk為裝置慣性力激活閾值；fs為裝置屈服時激活裝置的慣性力；k1為裝置屈服連接剛度；k2為裝置初始連接剛度與屈服連接剛度之差；k1+k2為裝置初始連接剛度；c為單元阻尼系數(shù)。圖2（b）中，di為梁墩相對位移；dk和ds分別為裝置激活和屈服時的梁墩相對位移；Fs為IFA 裝置屈服時承受的荷載；Fd為IFA 裝置在不同梁墩相對位移下所承受的荷載。

圖2 IFA裝置力學(xué)模型及本構(gòu)關(guān)系

在激活裝置慣性力達到激活閾值fk之前，裝置未激活，活動墩與梁體之間能夠縱向自由滑動；當激活裝置慣性力達到激活閾值fk時，裝置被激活，鎖定裝置與水平鎖桿相互咬合，裝置發(fā)揮鎖死功能。

2 有限元模型

以一座跨徑為（55+72×5+55）m的7跨預(yù)應(yīng)力混凝土公路連續(xù)橋為工程背景。該橋梁體為單箱雙室等截面箱梁，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12 m，縱向抗彎慣性矩2.3 m4，截面面積 8.3 m2，混凝土密度 2.5×103kg/m3，彈性模量3.45×1010N/m2。原設(shè)計4#墩為固定墩，其他墩均設(shè)縱向滑動支座。在2#，3#，5#—7#墩墩頂設(shè)IFA 裝置（圖3），并布設(shè)于連續(xù)梁橋各滑動墩兩側(cè)滑動支座之間，如圖4所示。

圖3 7跨連續(xù)梁計算簡圖（單位：m）

圖4 IFA裝置布設(shè)位置示意

利用ANSYS 建立連續(xù)梁橋有限元模型，梁、墩采用梁單元，IFA 裝置采用link1 與combin40 組合單元。考慮IFA 裝置的梁墩間約束細部圖見圖5。圖中單元25，26，27，104，105及106為梁單元，單元152及153為link1單元，單元154為combin40單元。

圖5 考慮IFA裝置的梁墩間約束細部圖

假設(shè)單元剛度（即IFA 裝置初始連接剛度）k=k1+k2=1×1012N/m，不考慮裝置阻尼及屈服作用，裝置慣性力激活閾值定為fk=0.05 kN。選取El Centro波作為非線性時程分析時的激勵波，地震波輸入方向為順橋向，地震加速度峰值調(diào)整為0.4g，分析時地震波視波速v分別取200，500，1 000 m/s。忽略碰撞產(chǎn)生的能量損失；計算過程中假設(shè)各橋墩均保持彈性，橋墩與地面作固接處理。為便于表述，引入減震率λ來描述安裝IFA 裝置減震時連續(xù)梁橋固定墩墩底剪力、彎矩以及梁端位移的變化情況［11］。

3 墩高對IFA裝置減震效果的影響

3.1 等高連續(xù)梁橋

為探究行波效應(yīng)下墩高變化對等高連續(xù)梁橋IFA裝置減震效果的影響，不改變橋墩截面特性，構(gòu)建橋墩高度H分別為12，16，19，20，22，24 m 的連續(xù)梁橋進行非線性時程分析，結(jié)果見圖6。圖中，λa為不同視波速下固定墩墩底剪力、彎矩及梁端位移的減震率均值。

由圖6可知：

1）墩高變化對IFA 裝置減震效果影響顯著。H=12～16 m 時λa均在 50% 以上，而H=19～24 m 時λa較低甚至出現(xiàn)負值，IFA 裝置不再起到降低連續(xù)梁橋地震響應(yīng)的作用。這說明等高連續(xù)梁橋利用IFA裝置減震可取得理想效果，但對于墩高不同的等高連續(xù)梁橋，IFA裝置利用不當可能會增大連續(xù)梁橋地震響應(yīng)。

圖6 等高連續(xù)梁橋IFA裝置減震效果變化曲線

2）墩高變化對等高連續(xù)梁橋IFA裝置減震效果的影響程度與視波速v相關(guān)。v=200，500，1 000 m/s 時，墩高變化引起的λa變化幅度分別為21%，88%，99%。這說明等高連續(xù)梁橋中IFA裝置減震效果受墩高變化的影響程度隨視波速的增加而更加明顯。

3）橋墩截面性質(zhì)不變時，墩高變化導(dǎo)致各橋墩抗側(cè)移剛度變化，不同墩高的等高連續(xù)梁橋利用IFA 裝置減震時的減震率差異較大。這說明要取得理想的減震效果，須結(jié)合連續(xù)梁橋橋墩抗側(cè)移剛度對IFA 裝置相關(guān)參數(shù)進行設(shè)計。

為探究行波效應(yīng)下等高連續(xù)梁橋各墩地震響應(yīng)的分配情況，選取視波速v=500 m/s 時連續(xù)梁橋各墩墩底剪力極值進行分析，其分配情況見圖7。

圖7 等高連續(xù)梁橋各橋墩墩底剪力極值分配情況

由圖7可知：

1）墩高較低時各墩墩底剪力極值呈邊墩大、中墩小的不均勻現(xiàn)象，地震響應(yīng)不再按各墩抗側(cè)移剛度進行分配。說明行波效應(yīng)下各墩地震響應(yīng)大小與其相對位置有關(guān)。

2）各墩墩底剪力極值差異程度隨墩高的增大逐漸降低，說明各橋墩地震響應(yīng)之間的不均勻程度受墩高變化影響。

3.2 非等高連續(xù)梁橋

不改變橋墩截面特性，構(gòu)建如表1 所示的4 種墩高組合的非等高連續(xù)梁橋進行非線性時程分析。非等高連續(xù)梁橋IFA裝置減震效果變化曲線見圖8。

表1 非等高連續(xù)梁橋墩高組合 m

圖8 非等高連續(xù)梁橋IFA裝置減震效果變化曲線

由圖8可知：

1）墩高變化對IFA裝置減震效果的影響程度相對較低，且λa多數(shù)大于30%。這說明利用IFA 裝置可有效降低非等高連續(xù)梁橋固定墩地震響應(yīng)及梁端位移。

2）視波速v一定時，λa隨墩高的增大呈先降后升的變化趨勢。視波速v越小，λa受墩高變化影響越明顯，如v= 200 m/s 時λa變幅在 50 %左右，而v= 500，1 000 m/s時在25%左右。

3）與等高連續(xù)梁橋相比，固定墩高度相同時，非等高連續(xù)梁橋減震率均值多數(shù)情況下較大。這說明固定墩墩高相等時IFA裝置在非等高連續(xù)梁橋中的減震效果更好。

為進一步了解行波效應(yīng)下非等高連續(xù)梁橋各橋墩地震響應(yīng)的分配情況，選取視波速v=500 m/s 時非等高連續(xù)梁橋各墩墩底剪力極值進行分析，其分配情況見圖9。

圖9 非等高連續(xù)梁橋各橋墩墩底剪力極值分配情況

對比圖7和圖9可知：

1）非等高連續(xù)梁橋墩高較低時，各墩墩底剪力極值分配呈邊墩大、中墩小的不均勻現(xiàn)象，但造成該現(xiàn)象的原因與等高連續(xù)梁橋有所差異。等高連續(xù)梁橋墩底剪力極值分配不均勻是受行波效應(yīng)影響的結(jié)果；非等高連續(xù)梁橋各墩墩底剪力極值受行波效應(yīng)和墩高共同影響，不同的抗側(cè)移剛度進一步加大了各墩地震響應(yīng)分配的不均勻程度。

2）非等高連續(xù)梁橋墩底剪力極值不均勻程度亦隨墩高增大逐漸降低，進一步說明行波效應(yīng)下連續(xù)梁橋各橋墩地震響應(yīng)的分配情況與墩高相關(guān)，橋墩越高，各墩間的抗側(cè)移剛度差異越小，各墩地震響應(yīng)分配亦趨于均勻。

3）與等高連續(xù)梁橋相比，當固定墩墩高為12，16 m時，非等高連續(xù)梁橋各墩墩底剪力極值均有所增大；當固定墩墩高為 20 m 時，2#，3#，6#，7#墩墩底剪力極值雖有所增大，但增大幅度明顯降低，4#，5#墩剪力極值出現(xiàn)降低現(xiàn)象；當固定墩墩高為24 m 時，除2#，7#墩剪力極值仍有小幅增大外，其余橋墩剪力極值均有所降低。這說明當固定墩較高時非等高連續(xù)梁橋利用IFA裝置減震可有效降低中部位置橋墩的地震響應(yīng)。

3.3 等高連續(xù)梁橋IFA裝置減震效果較差的原因分析

為進一步探究在墩高H為19～24 m 的等高連續(xù)梁橋中應(yīng)用IFA 裝置時減震效果不佳的原因，對4 種墩高的等高連續(xù)梁橋進行模態(tài)分析，得到IFA 裝置激活前后連續(xù)梁橋的動力特性，見表2。EL Centro 波相對位移反應(yīng)譜見圖10。

表2 等高連續(xù)梁橋動力特性

由表2 和圖10 可知：激活I(lǐng)FA 裝置后連續(xù)梁橋的自振周期縮短，減少率均在58.3%～58.8%。自振周期的大幅變化使得連續(xù)梁橋在IFA裝置發(fā)揮作用后遠離或接近相對位移反應(yīng)譜的卓越周期，導(dǎo)致總體地震響應(yīng)發(fā)生較大變化。墩高在19～24 m 時，激活I(lǐng)FA 裝置后連續(xù)梁橋的地震反應(yīng)更加強烈。盡管IFA裝置發(fā)揮作用增加了承擔(dān)地震荷載的橋墩數(shù)量，但總體地震響應(yīng)增幅過大，減震效果不佳。因此，利用IFA裝置進行連續(xù)梁橋減震時，須結(jié)合地震波頻譜特性及橋梁自振周期進行分析。

連續(xù)梁橋整體抗側(cè)移剛度與IFA裝置發(fā)揮作用后介入的滑動墩數(shù)量有關(guān)。對于IFA裝置激活后橋梁自振周期接近或進入地震波卓越周期的連續(xù)梁橋，可通過改變IFA裝置安裝數(shù)量調(diào)整其整體抗側(cè)移剛度。

4 結(jié)論

1）行波效應(yīng)下等高連續(xù)梁橋與非等高連續(xù)梁橋利用IFA裝置減震均可取得理想效果。墩高變化對該裝置減震效果有影響，且對等高連續(xù)梁橋中IFA 裝置減震效果的影響程度大于非等高連續(xù)梁橋。

2）行波效應(yīng)下墩高變化會影響裝有IFA裝置的連續(xù)梁橋各橋墩地震響應(yīng)的分配情況，橋墩越高，地震響應(yīng)不均勻程度越低。

3）墩高為 19～24 m 時等高連續(xù)梁橋 IFA 裝置利用不當會增大結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)，不利于結(jié)構(gòu)整體抗震性能的提高，須結(jié)合地震波頻譜特性及連續(xù)梁橋振動周期對IFA裝置布設(shè)方案予以調(diào)整。