非一致激勵時不同梁長連續(xù)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(xué)河北省交通應(yīng)急保障工程技術(shù)研究中心,石家莊 050043)

隨著我國大跨度橋梁的快速發(fā)展，其抗震問題已經(jīng)成為研究的熱點問題[1]。地震動的空間效應(yīng)會使大跨橋梁各支承位置地震響應(yīng)出現(xiàn)較大差異，因此對于長聯(lián)大跨連續(xù)梁橋應(yīng)適當(dāng)考慮地震動行波效應(yīng)所產(chǎn)生的影響[2-3]。在大跨度橋梁行波效應(yīng)研究方面，國內(nèi)外學(xué)者已做出了很多貢獻(xiàn)。羅澤輝等[4-5]對行波效應(yīng)下的大跨度斜拉橋地震響應(yīng)進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)行波效應(yīng)對大跨度斜拉橋的地震響應(yīng)具有非常顯著的影響；OSMAN M.O. RAMADAN等[6]研究發(fā)現(xiàn)行波效應(yīng)對大跨度梁橋地震響應(yīng)的影響與地震動表面視波速有關(guān)；陳志偉等[7]考慮行波效應(yīng)進(jìn)行了高墩剛構(gòu)橋的地震易損性分析，分析結(jié)果表明，進(jìn)行易損性分析時應(yīng)考慮行波效應(yīng)的影響；閆聚考等[8-10]考慮行波效應(yīng)的影響進(jìn)行了大跨度斜拉橋的試驗研究，試驗結(jié)果表明，行波效應(yīng)對大跨度斜拉橋結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響與其自身特性以及地震動特性密切相關(guān)；劉正楠[11]等對行波效應(yīng)下無砟軌道鐵路橋梁縱橋向地震響應(yīng)進(jìn)行了分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)行波效應(yīng)對軌道系統(tǒng)地震響應(yīng)的影響需重點關(guān)注。

為更好地提高大跨度橋梁的抗震性能，諸多學(xué)者研發(fā)出了多種適用于大跨度橋梁的新型減隔震裝置[12-20]，文獻(xiàn)[21]總結(jié)了連續(xù)梁橋既有減隔震支座的特點和不足，在此基礎(chǔ)上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)并探究了其在連續(xù)梁橋中的減震性能，結(jié)果表明，該裝置激活后能夠有效地減小連續(xù)梁橋的地震響應(yīng)，但其研究著重于IFA裝置的減震性能，其在不同連續(xù)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(xù)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(shù)的連續(xù)梁橋進(jìn)行其減震效果分析，為促進(jìn)其在連續(xù)梁橋中的工程應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 慣性力激活減震裝置

1.1 IFA裝置構(gòu)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(gòu)5部分，如圖1所示。

圖1 IFA裝置構(gòu)造

正常運營狀態(tài)下(裝置未激活)，水平鎖桿可在鎖定裝置內(nèi)自由水平運動，不限制梁墩之間的相對變位；地震突發(fā)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(gòu)運動，鎖定裝置內(nèi)部空間縮小，當(dāng)激活裝置慣性力達(dá)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(dá)到各墩協(xié)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(fù)鎖止的工作特點，且具備震后自復(fù)位功能，不影響連續(xù)梁橋的正常運營。

1.2 IFA裝置單元模型及力學(xué)方程

根據(jù)IFA裝置結(jié)構(gòu)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(shù)。在激活裝置慣性力達(dá)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(tài)。當(dāng)激活裝置慣性力達(dá)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(fā)揮作用。為便于表述，設(shè)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(zhì)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(jù)IFA裝置工作原理得到裝置力學(xué)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(xù)梁公路橋，其梁體采用等截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)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(shè)計4號墩為固定墩，其他墩均設(shè)縱向滑動支座，計算簡圖如圖3(b)所示。

圖3 連續(xù)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(jìn)行模擬，IFA裝置采用組合單元進(jìn)行模擬，設(shè)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(diào)整為0.4g。在2號、3號及5號～7號墩墩頂設(shè)IFA裝置，忽略裝置內(nèi)部的能量損失，假定裝置阻尼系數(shù)c=0，計算過程中假設(shè)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(fā)生滑移，鎖死功能失效，故不考慮其屈服后的工作狀態(tài)。

3 不同梁長連續(xù)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(xù)梁橋中的減震適用性，以圖3所示連續(xù)梁橋為基礎(chǔ)，構(gòu)建不同跨徑組合的連續(xù)梁橋進(jìn)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(xù)梁橋IFA裝置的減震效果。

3.1 不同跨度連續(xù)梁橋IFA裝置減震適用性分析

在跨數(shù)不變的情況下，調(diào)整跨徑長度及梁體高度構(gòu)建表1所示5種跨徑組合的連續(xù)梁橋進(jìn)行非線性時程分析，根據(jù)時程分析結(jié)果，圖4給出了視波速v=500 m/s時5種連續(xù)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(xù)梁橋跨徑組合 m

圖4 不同跨度連續(xù)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(fā)揮作用后連續(xù)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(yīng)，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(xù)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(xiàn)出了降低的現(xiàn)象，但三者減震率仍非常接近，說明非一致激勵作用下，連續(xù)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(xù)梁橋，IFA裝置均可達(dá)到同時降低固定墩地震響應(yīng)及梁端位移的減震效果。

進(jìn)一步探究非一致激勵作用下不同跨度連續(xù)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(xù)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(xù)梁橋IFA裝置減震適用性

分析圖5可得如下結(jié)論。

(1)不同視波速v作用下，5種跨徑組合的連續(xù)梁橋減震率均值多數(shù)情況下在20%以上，說明IFA裝置在不同跨度連續(xù)梁橋中具備較強的減震適用性。此外，5種跨徑組合的連續(xù)梁橋減震率均值隨視波速的增加均呈現(xiàn)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(xù)梁橋減震率均值λa在視波速達(dá)到1 000 m/s時出現(xiàn)負(fù)值，說明此時IFA裝置不能再發(fā)揮其減震功能，反而增大了連續(xù)梁橋的地震響應(yīng)，不利于連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)抗震性能的提高，為使IFA裝置達(dá)到理想減震效果，需對其布設(shè)方案進(jìn)行調(diào)整。

(3)不同跨徑組合連續(xù)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(xù)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(xù)梁橋具體跨徑相關(guān)。

3.2 不同跨數(shù)連續(xù)梁橋IFA裝置減震適用性分析

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

表2 連續(xù)梁橋跨徑組合及IFA裝置布設(shè)方案 m

根據(jù)圖6可得如下結(jié)論。

圖6 不同跨數(shù)連續(xù)梁橋IFA裝置減震適用性

(1)非一致激勵作用下，當(dāng)?shù)卣饎右暡ㄋ賤較低時，具備不同跨數(shù)的4種連續(xù)梁橋減震率均值均為正值，且多數(shù)情況下大于20%，說明IFA裝置可有效提高不同跨數(shù)連續(xù)梁橋的減震性能，具有較強的減震適用性；當(dāng)視波速v增加至1 000 m/s時4種連續(xù)梁橋減震率均為負(fù)值，IFA裝置不能再起到減小固定墩地震荷載的作用，進(jìn)一步證明視波速較大時跨度為140 m的連續(xù)梁橋主跨滑動墩墩頂滿布IFA裝置的布設(shè)方案不合理，為使IFA裝置達(dá)到理想減震效果，需對其布設(shè)方案進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

(2)隨著視波速v的增加，4跨與5跨連續(xù)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(xù)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(xù)梁橋IFA裝置減震效果在不同視波速v下的變化規(guī)律與連續(xù)梁橋具體跨數(shù)相關(guān)，工程應(yīng)用時應(yīng)結(jié)合具體梁型進(jìn)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(xù)梁橋IFA裝置減震效果隨跨數(shù)變化呈現(xiàn)不同的變化趨勢，如v=200 m/s和v=1 000 m/s時的連續(xù)梁橋減震率均值隨跨數(shù)增多上下波動，而v=500 m/s時連續(xù)梁橋減震率均值則出現(xiàn)了隨跨數(shù)增多逐漸上升的現(xiàn)象，進(jìn)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(xù)梁橋具體梁型相關(guān)。

3.3 不同梁長連續(xù)梁橋各橋墩地震響應(yīng)分析

保證滑動墩的震中安全是連續(xù)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(xù)梁橋各橋墩地震響應(yīng)的分配規(guī)律，選取各連續(xù)梁橋墩底剪力極值進(jìn)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(shù)連續(xù)梁橋的墩底剪力分配情況。

圖7 不同梁長連續(xù)梁橋墩底剪力分配情況

由圖7可得如下結(jié)論。

(1)非一致激勵作用時連續(xù)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(yīng)不再按照各墩抗側(cè)移剛度比進(jìn)行分配，且各墩地震響應(yīng)差異受連續(xù)梁橋梁長的影響，梁長越大，各墩之間的地震響應(yīng)差異越明顯。

(2)在連續(xù)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(xù)梁橋利用IFA裝置進(jìn)行減震時，各墩地震響應(yīng)大小與其位置有關(guān)，橋墩位置越靠近橋梁端部引發(fā)的地震響應(yīng)越明顯，因此，利用IFA裝置進(jìn)行減震的連續(xù)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(fā)生結(jié)構(gòu)破壞。

(3)連續(xù)梁橋跨數(shù)對各墩墩底剪力分配規(guī)律有所影響，如跨徑組合6(4跨連續(xù)梁橋)的連續(xù)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(xù)梁橋)各墩墩底剪力仍然呈“V”形分布，說明連續(xù)梁橋跨數(shù)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(xiàn)象。

4 結(jié)論

(1)非一致激勵作用下利用IFA裝置減震可有效發(fā)揮連續(xù)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(xù)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(xù)梁橋中具有較強的減震適用性，連續(xù)梁橋跨度與跨數(shù)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(xù)梁橋具體梁型相關(guān)，在實際工程應(yīng)用中應(yīng)結(jié)合連續(xù)梁橋梁型進(jìn)行具體分析并對IFA裝置布設(shè)方案加以調(diào)整，以達(dá)到最理想的減震效果。

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