非一致激励时不同梁长连续梁桥IFA装置减震适用性分析

张茂江,陈士通,支墨墨,张文丽,许鑫祥

(石家庄铁道大学河北省交通应急保障工程技术研究中心,石家庄 050043)

随着我国大跨度桥梁的快速发展，其抗震问题已经成为研究的热点问题[1]。地震动的空间效应会使大跨桥梁各支承位置地震响应出现较大差异，因此对于长联大跨连续梁桥应适当考虑地震动行波效应所产生的影响[2-3]。在大跨度桥梁行波效应研究方面，国内外学者已做出了很多贡献。罗泽辉等[4-5]对行波效应下的大跨度斜拉桥地震响应进行了分析，发现行波效应对大跨度斜拉桥的地震响应具有非常显著的影响；OSMAN M.O. RAMADAN等[6]研究发现行波效应对大跨度梁桥地震响应的影响与地震动表面视波速有关；陈志伟等[7]考虑行波效应进行了高墩刚构桥的地震易损性分析，分析结果表明，进行易损性分析时应考虑行波效应的影响；闫聚考等[8-10]考虑行波效应的影响进行了大跨度斜拉桥的试验研究，试验结果表明，行波效应对大跨度斜拉桥结构响应的影响与其自身特性以及地震动特性密切相关；刘正楠[11]等对行波效应下无砟轨道铁路桥梁纵桥向地震响应进行了分析，结果发现行波效应对轨道系统地震响应的影响需重点关注。

为更好地提高大跨度桥梁的抗震性能，诸多学者研发出了多种适用于大跨度桥梁的新型减隔震装置[12-20]，文献[21]总结了连续梁桥既有减隔震支座的特点和不足，在此基础上提出了一种惯性力激活的连续梁桥用减震装置(Inertial Force Activated，IFA)并探究了其在连续梁桥中的减震性能，结果表明，该装置激活后能够有效地减小连续梁桥的地震响应，但其研究着重于IFA装置的减震性能，其在不同连续梁桥中的适用性研究未见涉及。为探究IFA装置在不同梁长连续梁桥中的适用性，考虑非一致激励作用的影响，针对不同跨度和跨数的连续梁桥进行其减震效果分析，为促进其在连续梁桥中的工程应用提供技术支撑。

1 惯性力激活减震装置

1.1 IFA装置构造

IFA装置主要包括激活装置、锁定装置、水平锁杆、牛腿及连杆机构5部分，如图1所示。

图1 IFA装置构造

正常运营状态下(装置未激活)，水平锁杆可在锁定装置内自由水平运动，不限制梁墩之间的相对变位；地震突发时，激活装置在惯性力作用下开始摆动，并带动其与锁定装置之间的连杆机构运动，锁定装置内部空间缩小，当激活装置惯性力达到激活阈值时，锁定装置与水平锁杆相互嵌固，限制梁墩之间的相对运动，利用咬合传力原理，将上部梁体传递的地震荷载传递给滑动墩，达到各墩协同抗震的目的。由IFA装置惯性力激活的工作原理可知，其在震中具有反复锁止的工作特点，且具备震后自复位功能，不影响连续梁桥的正常运营。

1.2 IFA装置单元模型及力学方程

根据IFA装置结构及工作原理，装置单元模型如图2所示。图2中，fk为惯性力激活阈值，k1+k2为装置初始连接刚度，k2为装置屈服连接刚度，fs为IFA装置屈服时激活装置的惯性力，c为单元阻尼系数。在激活装置惯性力达到惯性力激活阈值fk之前，IFA装置未被激活，活动墩与梁体之间处于纵向自由滑动状态。当激活装置惯性力达到激活阈值fk时，IFA装置被激活，锁定装置与水平锁杆嵌固，装置发挥作用。为便于表述，设ft为t时刻激活装置的惯性力

图2 IFA装置单元模型

ft=-m·at

式中，m为激活装置的质量；at为t时刻的墩顶加速度；“-”表示惯性力方向与墩顶加速度方向相反。

根据IFA装置工作原理得到装置力学方程如下

式中，di为梁体与墩顶之间的相对位移；ds为装置屈服时的梁墩相对位移。

2 工程概况

某跨径为55 m+72 m×5+55 m的7跨等高连续梁公路桥，其梁体采用等截面预应力混凝土连续箱梁，单箱双室，如图3(a)所示；桥墩高度为15 m，其纵向抗弯惯性矩为2.3 m4，截面面积为8.3 m2，混凝土密度取2 500 kg/m3，弹性模量取3.45×1010N/m2。原设计4号墩为固定墩，其他墩均设纵向滑动支座，计算简图如图3(b)所示。

图3 连续梁桥工程概况(单位：m)

利用ANSYS建立有限元模型，梁、墩用梁单元进行模拟，IFA装置采用组合单元进行模拟，设装置初始连接刚度k1+k2=1.0×109kN/m，装置激活阈值定为fk=0.01 kN，选取El Centro波作为非一致激励时的地震动，地震动输入方向为顺桥向，地震加速度峰值调整为0.4g。在2号、3号及5号～7号墩墩顶设IFA装置，忽略装置内部的能量损失，假定装置阻尼系数c=0，计算过程中假设各桥墩均保持弹性，桥墩与地面固接处理。由于装置屈服后发生滑移，锁死功能失效，故不考虑其屈服后的工作状态。

3 不同梁长连续梁桥IFA装置减震适用性分析

为探究非一致激励作用下IFA装置在不同梁长连续梁桥中的减震适用性，以图3所示连续梁桥为基础，构建不同跨径组合的连续梁桥进行非线性时程分析，分析时地震动视波速v分别取200，500 m/s及1 000 m/s。采用减震率λ表示连续梁桥IFA装置的减震效果。

3.1 不同跨度连续梁桥IFA装置减震适用性分析

在跨数不变的情况下，调整跨径长度及梁体高度构建表1所示5种跨径组合的连续梁桥进行非线性时程分析，根据时程分析结果，图4给出了视波速v=500 m/s时5种连续梁桥固定墩墩底弯矩、剪力及梁端位移的减震率λ。

表1 连续梁桥跨径组合 m

图4 不同跨度连续梁桥IFA装置减震效果

由图4可知：

(1)非一致激励作用下，IFA装置发挥作用后连续梁桥固定墩墩底弯矩、剪力及梁端位移减震率均在50%以上，且三者减震率相近，说明IFA装置不仅有效降低了固定墩的地震响应，同时还降低了梁端位移，可有效减小相邻梁跨间的碰撞几率。

(2)随着连续梁桥跨度的增大，固定墩墩底弯矩、剪力及梁端位移减震率呈现出了降低的现象，但三者减震率仍非常接近，说明非一致激励作用下，连续梁桥跨度变化对IFA装置的减震效果有所影响，对于不同跨度连续梁桥，IFA装置均可达到同时降低固定墩地震响应及梁端位移的减震效果。

进一步探究非一致激励作用下不同跨度连续梁桥中IFA装置的减震适用性，图5为上述3种视波速下各连续梁桥的平均减震率λa(固定墩墩底弯矩、剪力及梁端位移减震率均值)。

图5 不同跨度连续梁桥IFA装置减震适用性

分析图5可得如下结论。

(1)不同视波速v作用下，5种跨径组合的连续梁桥减震率均值多数情况下在20%以上，说明IFA装置在不同跨度连续梁桥中具备较强的减震适用性。此外，5种跨径组合的连续梁桥减震率均值随视波速的增加均呈现出先增后减的变化趋势，说明考虑非一致激励作用影响时视波速变化对IFA装置的减震效果影响明显，地震动视波速v=500 m/s时IFA装置减震效果最佳。

(2)非一致激励作用下跨径组合5(主梁跨度为140 m)的连续梁桥减震率均值λa在视波速达到1 000 m/s时出现负值，说明此时IFA装置不能再发挥其减震功能，反而增大了连续梁桥的地震响应，不利于连续梁桥结构抗震性能的提高，为使IFA装置达到理想减震效果，需对其布设方案进行调整。

(3)不同跨径组合连续梁桥的减震率均值λa受视波速变化的影响程度有所差异，5种跨径组合连续梁桥的减震率均值λa在不同视波速下的变化幅度分别为19.3%、30.4%、29.2%、36.4%及56.8%，说明非一致激励作用下IFA装置减震效果受视波速变化的影响程度与连续梁桥具体跨径相关。

3.2 不同跨数连续梁桥IFA装置减震适用性分析

为了解不同跨数连续梁桥中IFA装置的减震适用性，构建表2所示4种跨径组合的IFA装置连续梁桥进行分析，不同视波速v作用下4种跨径组合IFA装置连续梁桥的减震率均值λa如图6所示。

表2 连续梁桥跨径组合及IFA装置布设方案 m

根据图6可得如下结论。

图6 不同跨数连续梁桥IFA装置减震适用性

(1)非一致激励作用下，当地震动视波速v较低时，具备不同跨数的4种连续梁桥减震率均值均为正值，且多数情况下大于20%，说明IFA装置可有效提高不同跨数连续梁桥的减震性能，具有较强的减震适用性；当视波速v增加至1 000 m/s时4种连续梁桥减震率均为负值，IFA装置不能再起到减小固定墩地震荷载的作用，进一步证明视波速较大时跨度为140 m的连续梁桥主跨滑动墩墩顶满布IFA装置的布设方案不合理，为使IFA装置达到理想减震效果，需对其布设方案进行适当的调整。

(2)随着视波速v的增加，4跨与5跨连续梁桥(跨径组合6、7)减震率均值逐渐下降，而6跨与7跨连续梁桥(跨径组合8、9)减震率均值则呈先增后减的变化趋势，说明非一致激励作用下连续梁桥IFA装置减震效果在不同视波速v下的变化规律与连续梁桥具体跨数相关，工程应用时应结合具体梁型进行分析，以取得最佳减震效果。

(3)在视波速v确定情况下，连续梁桥IFA装置减震效果随跨数变化呈现不同的变化趋势，如v=200 m/s和v=1 000 m/s时的连续梁桥减震率均值随跨数增多上下波动，而v=500 m/s时连续梁桥减震率均值则出现了随跨数增多逐渐上升的现象，进一步说明了考虑非一致激励作用影响时IFA装置减震效果与地震动视波速及连续梁桥具体梁型相关。

3.3 不同梁长连续梁桥各桥墩地震响应分析

保证滑动墩的震中安全是连续梁桥利用IFA装置减震的前提，为明确非一致激励作用下不同梁长连续梁桥各桥墩地震响应的分配规律，选取各连续梁桥墩底剪力极值进行分析，图7(a)和图7(b)分别给出了视波速v取500 m/s时不同跨度和不同跨数连续梁桥的墩底剪力分配情况。

图7 不同梁长连续梁桥墩底剪力分配情况

由图7可得如下结论。

(1)非一致激励作用时连续梁桥各墩墩底剪力极值差异较大，梁长越大，各墩之间的剪力极值差值越大，说明考虑非一致激励作用影响时各墩地震响应不再按照各墩抗侧移刚度比进行分配，且各墩地震响应差异受连续梁桥梁长的影响，梁长越大，各墩之间的地震响应差异越明显。

(2)在连续梁桥梁长确定情况下，考虑非一致激励作用影响时的各墩墩底剪力总体上呈“V”形分布，端部位置的桥墩墩底剪力极值大于中部位置桥墩，说明非一致激励作用下连续梁桥利用IFA装置进行减震时，各墩地震响应大小与其位置有关，桥墩位置越靠近桥梁端部引发的地震响应越明显，因此，利用IFA装置进行减震的连续梁桥必须注意各滑动墩尤其是端部桥墩的能力保护，避免其在震中发生结构破坏。

(3)连续梁桥跨数对各墩墩底剪力分配规律有所影响，如跨径组合6(4跨连续梁桥)的连续梁桥各墩剪力随着距震源距离的增加而逐渐缩小，而跨径组合7～9(5跨～7跨连续梁桥)各墩墩底剪力仍然呈“V”形分布，说明连续梁桥跨数较多时，非一致激励作用下的墩底剪力仍呈中墩小、边墩大的不均匀现象。

4 结论

(1)非一致激励作用下利用IFA装置减震可有效发挥连续梁桥滑动墩的抗震潜能，降低固定墩的抗震需求与梁体的纵向位移，连续梁桥整体抗震性能够得到有效提升。

(2)IFA装置在不同梁长连续梁桥中具有较强的减震适用性，连续梁桥跨度与跨数变化均对IFA装置减震效果有所影响，其影响效果与地震动视波速及连续梁桥具体梁型相关，在实际工程应用中应结合连续梁桥梁型进行具体分析并对IFA装置布设方案加以调整，以达到最理想的减震效果。

(3)非一致激励作用下布设IFA装置的连续梁桥各桥墩地震响应分配存在差异，且差异程度受连续梁桥跨度、跨数变化影响，跨度越大、跨数越多，差异越明显。