李 鋒,陳士通,馬 遙,史海東

(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)

橋梁支座的作用是將上部結(jié)構(gòu)各種載荷傳遞到墩臺上，并能夠適應(yīng)活載、溫度變化、混凝土收縮與徐變等因素產(chǎn)生的變位位移和轉(zhuǎn)角[1-2]。連續(xù)梁橋為滿足溫度荷載引起的變形需求，一般一聯(lián)只設(shè)一個固定墩，使其承擔(dān)幾乎全部上部結(jié)構(gòu)縱向水平地震荷載，致使梁體縱向位移響應(yīng)較大，極易引起伸縮縫和支座破壞，最終導(dǎo)致碰撞損傷，甚至落梁、垮塌等嚴(yán)重震害發(fā)生。目前，延性設(shè)計和減隔震設(shè)計是解決連續(xù)梁橋墩臺、支座嚴(yán)重震害的有效抗震設(shè)計方法。但延性設(shè)計利用橋墩塑性變形耗散地震能量，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損傷不可避免，震后修復(fù)工作困難。因此，國內(nèi)外學(xué)者主要通過研發(fā)各種有效減隔震裝置以耗散地震能量，減小結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)，提高結(jié)構(gòu)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(jìn)行總結(jié)分析，為充分利用連續(xù)梁橋滑動墩的抗震潛能，考慮連續(xù)梁橋的結(jié)構(gòu)形式及地震響應(yīng)特點，提出了一種構(gòu)造簡單、維護(hù)方便，以慣性力激活的減震裝置。以某7跨連續(xù)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(xù)梁橋減震性能的影響。

1 慣性力激活裝置

1.1 裝置構(gòu)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(gòu)成，如圖1所示。

圖1 IFA裝置結(jié)構(gòu)

正常狀態(tài)下，鎖定裝置內(nèi)部凈空大于水平鎖桿外徑，水平鎖桿可在鎖定裝置內(nèi)自由水平運動，滿足正常狀態(tài)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(fā)生時，當(dāng)激活裝置慣性力達(dá)到IFA裝置慣性力激活閾值(可通過調(diào)整擺錘質(zhì)量調(diào)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(jī)構(gòu)擺動，致使鎖定裝置內(nèi)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(dān)上部結(jié)構(gòu)縱向水平地震荷載，充分利用連續(xù)梁橋的整體抗震性能。

1.2 裝置工作原理

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為裝置屈服力，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，裝置未被激活，滑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(fā)揮作用，鑒于IFA裝置的工作原理，可知其具有震后自復(fù)位功能，同時存在震中反復(fù)鎖止的現(xiàn)象。

圖2 單元模型

為便于表述，設(shè)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(zhì)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(jù)IFA裝置工作原理得到裝置本構(gòu)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(xù)梁減震性能研究

某連續(xù)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(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)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(shè)計4號墩為固定墩，其他墩均設(shè)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(xù)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(jìn)行非線性時程分析：工況1為原橋設(shè)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(shè)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(shè)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(tài)，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(jìn)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(diào)整為0.4g，僅考慮順橋向水平方向。提取分析結(jié)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(yīng)對比圖示

由圖4可得出如下結(jié)論。

(1)連續(xù)梁橋未設(shè)置IFA裝置時(工況1)，4號固定墩墩底剪力、彎矩遠(yuǎn)大于各滑動墩，連續(xù)梁橋設(shè)置IFA裝置后(工況2)，4號固定墩墩底剪力、彎矩出現(xiàn)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(xiàn)了明顯上升，說明在墩梁間設(shè)置IFA裝置，利用滑動墩的抗震潛能，可實現(xiàn)固定墩和滑動墩協(xié)同受力，提高連續(xù)梁橋的整體抗震性能。

(2)連續(xù)梁橋設(shè)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(fā)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(nèi)力響應(yīng)，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(lián)梁體、梁與橋臺之間的碰撞，甚至落梁垮塌等嚴(yán)重震害的發(fā)生。

(3)IFA裝置發(fā)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(fā)揮作用將使上部結(jié)構(gòu)地震荷載在各墩間進(jìn)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(jié)構(gòu)地震荷載將按各墩抗側(cè)移剛度比分配至各滑動墩?？紤]實際橋梁工程中，各墩墩高多有不同，工程應(yīng)用時，需注意各墩抗側(cè)移剛度差異引發(fā)的地震荷載分配不均問題。

3 非等高連續(xù)梁橋減震性能研究

墩高不等的非規(guī)則連續(xù)梁橋各墩之間抗側(cè)移剛度差異較大，為明確各墩抗側(cè)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(jìn)行調(diào)整，調(diào)整過程中各墩截面特性保持不變，構(gòu)建表2所示非等高連續(xù)梁橋進(jìn)行非線性時程分析，分析工況同等高連續(xù)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(diào)整為0.4g，僅考慮順橋向水平方向。

IFA裝置對非等高連續(xù)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(jié)構(gòu)最大地震響應(yīng)；R2，max為工況2所得結(jié)構(gòu)最大地震響應(yīng)。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(xù)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(jié)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(guī)則連續(xù)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(xiàn)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(yōu)，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(jìn)一步明確IFA裝置發(fā)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(zhǔn)的各墩抗側(cè)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(cè)移剛度比值

圖7 4種墩高組合各墩墩底內(nèi)力對比

由圖6、圖7得出如下結(jié)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(yīng)各墩抗側(cè)移剛度比值曲線基本相同，進(jìn)一步說明IFA裝置發(fā)揮作用后，地震荷載將按各墩抗側(cè)移剛度比值大小進(jìn)行分配，墩高越矮承受地震荷載越大，工程應(yīng)用中應(yīng)重視對矮墩的震中保護(hù)。

(2)墩高組合1和2中，多數(shù)橋墩的墩底剪力、彎矩分配趨勢同相應(yīng)組合的抗側(cè)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(dāng)各墩抗側(cè)移剛度差值較大且各墩墩頂IFA裝置的激活閾值設(shè)定相同時，可能出現(xiàn)裝置未能激活的現(xiàn)象。

(3)在采用IFA裝置后各滑動墩均有效激活的前提下，連續(xù)梁橋各墩間抗側(cè)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(dān)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(xù)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(diào)整裝置連接剛度，使其與滑動墩抗側(cè)移剛度串聯(lián)后的剛度與固定墩抗側(cè)移剛度相等，即可實現(xiàn)各墩均勻協(xié)同受載，同時，實現(xiàn)對不等高連續(xù)梁橋矮墩的能力保護(hù)的目的。圖8即以墩高組合3為例，A波作用下調(diào)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(yīng)用于不等高連續(xù)梁橋。

圖8 調(diào)整前后各墩墩底剪力對比

4 結(jié)論

(1)在連續(xù)梁橋各滑動墩與梁體間設(shè)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(yīng)，減震效果良好。

(2)IFA裝置發(fā)揮作用后，上部結(jié)構(gòu)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(xù)梁橋，工程應(yīng)用時要重視對矮墩的能力保護(hù)。

(3)各橋墩抗側(cè)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(cè)移剛度的不同，將可能引發(fā)各墩墩頂IFA裝置激活條件的變化，故非等高連續(xù)梁橋利用IFA裝置減震的參數(shù)設(shè)置，需結(jié)合具體工程進(jìn)行。

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