地震作用下渡槽伸缩缝的碰撞效应及控制研究

摘 要：渡槽结构伸缩缝两端在地震中可能发生碰撞现象，危害渡槽的安全运营，甚至导致落梁破坏，针对这一问题，文章通过建立考虑碰撞效应的渡槽动力分析模型，研究了碰撞效应对渡槽地震反应的影响，并提出了对渡槽减震半主动控制方法，研究结果表明，本项研究算法提供的半主动控制力较好的追踪了主动最优控制力，半主动控制系统较好的减少了碰撞次数，减轻了碰撞效应的危害，提高了渡槽的抗震安全性。

关键词：渡槽；地震响应；碰撞；半主动控制

引言

在水利工程建设项目中，对渡槽结构的应用较多，这种结构的属性和特点，决定了其适合在很多水利工程项目中应用。不过这种渡槽结构交叉建筑物，容易受到不稳定的地质结构的影响，例如小级别地震、地质结构变化等。以我国贵州黔中水利枢纽工程为例，线路中有多处高墩大跨渡槽，一旦在地震中发生破坏，全线输水将要中断，甚至危及周边地区，因此渡槽结构地震安全性问题应得到足够的重视[1]。

在国内外的强烈地震中，因伸缩缝间碰撞导致的破坏屡有发生，如在美国Northridge（1994）地震中的内环5#和14#的公路连接部分，就是由于地震导致了多座桥梁同时出现了非常严重的伸缩缝问题，从而使得桥梁建筑遭到很大程度的破坏[2]。在日本地区，由于地震频发，阪神在1995年的地震中，受到地震毁坏的西宫港大桥也是出现了较大的伸缩缝隙，经调查发现，桥梁连接构造处的碰撞是桥梁结构的局部损坏和落梁发生的主要原因[3]。

渡槽与桥梁在结构形式上较为相似性，区别在于渡槽上部荷载更大，在地震作用下，发生端部碰撞的可能性也是存在的，因此，有必要对地震作用下的渡槽结构碰撞效应进行研究。

本项研究在此背景下对纵向地震作用下的渡槽结构的碰撞现象展开研究，并利用磁流变阻尼器（MR）[4]对其进行半主动控制，结果表明，加入磁流变阻尼器对于渡槽的碰撞危害有明显的减轻，对于结构的整体地震响应有较好的控制效果，对于渡槽结构的抗震设计有一定的参考价值。

1 渡槽结构动力分析模型

1.1 渡槽动力分析模型

在结构划分上，渡槽的槽身是一种薄壁梁结构[5]，在本文研究过程中，按照其沿纵的剖析结构，在如下图中可以看出，其单元节点设在渡槽横向拉杆、竖向加劲肋和支座上，如图1所示。薄壁截面的扭转中心为图中s点，图中c点为形心位置，并且将该位置设为坐标的原点。

渡槽槽身的振动位移形式包括：横截面沿图1中x轴方向的横向弯曲位移u、沿图1中y轴方向的竖向弯曲位移v、沿图1中z轴的纵向位移w、绕图1中扭转中心c的扭转角ψ。薄壁梁单元设有2个节点，节点含有七个位移，分别记为ui，ui'，vi，vi'，wi，φi，φi'，在单元内部，任意节点的位移与第i个节点的位移关系如下：

4 结束语

通过上述的研究论证，我们可以得出如下几个方面的结论：第一，设计的磁流变阻尼器在渡槽结构中，具有很好的抗震防震作用，能够有效抑制伸缩缝，对于桥梁的保护作用非常有利；第二，在研究过程中测试的半主动控制算法，能够更好的追踪最优控制力，是一种比较优秀的算法工具，在计算方面，也相对简单；第三，渡槽结构的桥梁建筑物在遇到地震作用时，其产生的较大碰撞力如果不能得到有效控制，会给桥梁造成很大程度的毁坏。而通过磁流变阻尼器，运用合理的控制措施，能够抑制并减少碰撞发生的频率，对于桥梁可以起到较好的保护作用。

参考文献

[1]赵晓飞.考虑流固祸合的南水北调渡槽减振措施研究[D].大连：大连理工大学，2004.

[2]Earthquake Engineering Research Institute（EERI）.Northridge earthquake reconnaissance report，Vo1.1[R].1995，95-03，EERI，Oakland， Calif， Rep.No.95-03，1995.

[3]Earthquake Engineering Research Institute （EERI）. The Hyogo-Ken Nanbu earthquake reconnaissance report[R].1995，95-04，EERI， Oakland， Calif， Rep.No.95-04，1995.

[4]楊孟刚.磁流变阻尼器在大跨度桥梁上的减震理论研究[D].长沙：中南大学，2004.

[5]Wang， B. and Li， Q， B. A beam segment element for dynamic analysis of large aqueducts[J]. Finite elements in analysis and design.2003（39）：1249-1258.

[6]Robert Jamkowski， Kezyst of Wilde， Yozo Fujino. Pounding of Superstructure Segments in Isolated Elevated Bridge during Earthquakes [J]. Earthquake Engineering and Structural Dynamics， 1998（27）：487-502.

[7]Robert Jamkowski， Kezyst of Wilde， Yozo Fujino. Pounding of Superstructure Segments in Isolated Elevated Bridge during Earthquakes[J].Earthquake Engineering and Structural Dynamics，2000（9）：195-212.

作者简介：张玉民（1973-），男，山东成武人，工学学士，主要从事交通土建、水工结构施工及研究。