IFA装置连续梁桥减震性能研究

李 锋,陈士通,马 遥,史海东

(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)

桥梁支座的作用是将上部结构各种载荷传递到墩台上，并能够适应活载、温度变化、混凝土收缩与徐变等因素产生的变位位移和转角[1-2]。连续梁桥为满足温度荷载引起的变形需求，一般一联只设一个固定墩，使其承担几乎全部上部结构纵向水平地震荷载，致使梁体纵向位移响应较大，极易引起伸缩缝和支座破坏，最终导致碰撞损伤，甚至落梁、垮塌等严重震害发生。目前，延性设计和减隔震设计是解决连续梁桥墩台、支座严重震害的有效抗震设计方法。但延性设计利用桥墩塑性变形耗散地震能量，导致结构损伤不可避免，震后修复工作困难。因此，国内外学者主要通过研发各种有效减隔震装置以耗散地震能量，减小结构地震响应，提高结构的整体抗震性能。减隔震装置主要包括：减隔震支座[3-6]、被动耗能装置[7-10]和锁定装置[11-13]。

通过对既有减隔震装置的特点以及存在的不足进行总结分析，为充分利用连续梁桥滑动墩的抗震潜能，考虑连续梁桥的结构形式及地震响应特点，提出了一种构造简单、维护方便，以惯性力激活的减震装置。以某7跨连续梁桥为例，分析了装置的工作原理，研究了装置对等高与非等高连续梁桥减震性能的影响。

1 惯性力激活装置

1.1 装置构造

惯性力激活装置(Inertial Force Activation Device，简称IFA装置)主要由激活装置、锁定装置、水平锁杆和牛腿构成，如图1所示。

图1 IFA装置结构

正常状态下，锁定装置内部净空大于水平锁杆外径，水平锁杆可在锁定装置内自由水平运动，满足正常状态下墩梁变位需求，激活条件不受温差引起的墩梁相对变位影响。地震发生时，当激活装置惯性力达到IFA装置惯性力激活阈值(可通过调整摆锤质量调整)时，激活装置在惯性力作用下摆动，继而带动激活装置和锁定装置之间的连杆机构摆动，致使锁定装置内部空间收缩，并与水平锁杆相互嵌固，从而限制梁体和滑动墩相对运动，促使滑动墩与固定墩共同承担上部结构纵向水平地震荷载，充分利用连续梁桥的整体抗震性能。

1.2 装置工作原理

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为装置屈服力，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，装置未被激活，滑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惯性力激活阈值fk时，装置被激活，锁定装置与水平锁杆嵌固，装置发挥作用，鉴于IFA装置的工作原理，可知其具有震后自复位功能，同时存在震中反复锁止的现象。

图2 单元模型

为便于表述，设ft为t时刻激活装置惯性力

ft=-m·at

(1)

式中，m为激活装置摆锤质量；at为t时刻墩顶加速度；“-”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本构方程如下

(2)

式中，di为墩顶与梁体相对位移；k为连接刚度，其中初始连接刚度k=k1+k2，屈服连接刚度k=k2。

2 等高连续梁减震性能研究

某连续梁桥如图3所示，其跨径组合为55 m+5×72 m+55 m，采用等截面预应力混凝土连续箱梁，单箱双室，箱宽9.2 m，顶板悬臂长4.4 m，底板悬臂长5.5 m，梁高4.0 m；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。采用ANSYS软件[14-15]建模，梁、墩采用线性单元模拟，IFA装置采用图2所示单元模拟，桥墩与地面固接处理。

图3 某大跨连续梁桥计算简图(单位：m)

为明确IFA装置的减震效果，假定2种工况进行非线性时程分析：工况1为原桥设计模型，即4号桥墩与主梁铰接，其他桥墩上梁体可沿桥纵向自由滑动；工况2为墩梁间设置IFA装置模型，即4号桥墩与主梁铰接，2号、3号、5号～7号墩梁间设IFA装置。为便于分析IFA装置的减震效果，假定滑动墩始终处于弹性状态，不考虑装置屈服及阻尼作用，通过对连接刚度及惯性力激活阈值进行组合对比分析，本文取IFA装置单元刚度k=1×109kN/m，惯性力激活阈值fk=0.1 kN。场地类型及地震波输入如表1所示，计算时，加速度最大峰值调整为0.4g，仅考虑顺桥向水平方向。提取分析结果中的各墩墩底剪力、弯矩及墩梁相对位移的极值均值(4种地震波作用下均值)如图4所示。

表1 场地类型及地震波

图4 地震响应对比图示

由图4可得出如下结论。

(1)连续梁桥未设置IFA装置时(工况1)，4号固定墩墩底剪力、弯矩远大于各滑动墩，连续梁桥设置IFA装置后(工况2)，4号固定墩墩底剪力、弯矩出现了明显降幅，如固定墩墩底剪力、弯矩降幅约为52%。此外，滑动墩墩底剪力、弯矩出现了明显上升，说明在墩梁间设置IFA装置，利用滑动墩的抗震潜能，可实现固定墩和滑动墩协同受力，提高连续梁桥的整体抗震性能。

(2)连续梁桥设置IFA装置后(工况2)，2号、3号和5号～7号墩梁相对位移降幅明显，说明IFA装置发挥作用后，通过限制梁体和滑动墩相对运动，不仅降低了固定墩墩底内力响应，同时，由于滑动墩参与抵抗地震作用，还将有效减小梁端位移，避免邻联梁体、梁与桥台之间的碰撞，甚至落梁垮塌等严重震害的发生。

(3)IFA装置发挥作用后，2号、3号和5号～7号滑动墩墩底剪力、弯矩相同，且与固定墩墩底剪力、弯矩较为接近，说明IFA装置发挥作用将使上部结构地震荷载在各墩间进行重新分配。鉴于各滑动墩截面特性相同，表明IFA装置限制墩梁相对位移后，上部结构地震荷载将按各墩抗侧移刚度比分配至各滑动墩。考虑实际桥梁工程中，各墩墩高多有不同，工程应用时，需注意各墩抗侧移刚度差异引发的地震荷载分配不均问题。

3 非等高连续梁桥减震性能研究

墩高不等的非规则连续梁桥各墩之间抗侧移刚度差异较大，为明确各墩抗侧移刚度差异对IFA装置减震效果的影响，对图3中各桥墩高度进行调整，调整过程中各墩截面特性保持不变，构建表2所示非等高连续梁桥进行非线性时程分析，分析工况同等高连续梁桥。IFA装置单元刚度、惯性力激活阈值分别为k=1×109kN/m，fk=0.1 kN。场地类型及地震波输入如表1所示，计算时，为便于比较减震效果，加速度最大峰值调整为0.4g，仅考虑顺桥向水平方向。

IFA装置对非等高连续梁桥固定墩墩底剪力、弯矩及梁端位移的减震效果通过减震率来表述，减震率定义为

(3)

其中，R1，max为工况1所得结构最大地震响应；R2，max为工况2所得结构最大地震响应。图5为不同墩高组合情况下固定墩墩底剪力、弯矩及梁端位移减震率(减震率为4种地震波作用下均值)。

表2 非等高连续梁桥各桥墩高度 m

图5 不同墩高组合平均减震率

由图5可得出如下结论。

(1)4种墩高组合下，固定墩墩底剪力、弯矩及梁端位移的减震率均在35%以上，说明对于墩高不等的非规则连续梁桥，利用IFA装置仍可以取得良好的减震效果。

(2)固定墩墩底剪力、弯矩及梁端位移减震率随固定墩墩高增加呈现先增后减的趋势，三者在墩高度组合3(固定墩墩高为25 m)时减震效果最优，三者减震率分别为60.6%、67.2%和68.3%，说明不同墩高组合对IFA装置减震效果存在一定影响。

为进一步明确IFA装置发挥作用后，不同墩高间水平地震荷载的分配趋势，图6给出了4种墩高组合情况下，以固定墩刚度为基准的各墩抗侧移刚度比值，图7为A波作用下，4种墩高组合工况2时各墩墩底剪力、弯矩分配情况。

图6 各墩抗侧移刚度比值

图7 4种墩高组合各墩墩底内力对比

由图6、图7得出如下结论。

(1)墩高组合为3和4时，各墩墩底剪力、弯矩分配曲线与相应各墩抗侧移刚度比值曲线基本相同，进一步说明IFA装置发挥作用后，地震荷载将按各墩抗侧移刚度比值大小进行分配，墩高越矮承受地震荷载越大，工程应用中应重视对矮墩的震中保护。

(2)墩高组合1和2中，多数桥墩的墩底剪力、弯矩分配趋势同相应组合的抗侧移刚度比值曲线，但部分桥墩剪力、弯矩几乎为零，如组合1中的2号、6号、7号墩和组合2中的7号墩，说明当各墩抗侧移刚度差值较大且各墩墩顶IFA装置的激活阈值设定相同时，可能出现装置未能激活的现象。

(3)在采用IFA装置后各滑动墩均有效激活的前提下，连续梁桥各墩间抗侧移刚度差异越大，地震荷载在各墩的分配越不均匀，如墩高组合为3和4时，各滑动墩均承担了地震荷载，但组合3中的各滑动墩之间的墩底剪力、弯矩差值明显大于组合4。

为解决非等高连续梁桥各墩间地震荷载分配不均及矮墩受载过大问题，通过调整装置连接刚度，使其与滑动墩抗侧移刚度串联后的刚度与固定墩抗侧移刚度相等，即可实现各墩均匀协同受载，同时，实现对不等高连续梁桥矮墩的能力保护的目的。图8即以墩高组合3为例，A波作用下调整IFA装置连接刚度前后各墩受载情况对比图示。通过上述方法，可使IFA装置更方便应用于不等高连续梁桥。

图8 调整前后各墩墩底剪力对比

4 结论

(1)在连续梁桥各滑动墩与梁体间设置IFA装置，可有效降低固定墩的抗震需求，减小梁体的纵向地震位移响应，减震效果良好。

(2)IFA装置发挥作用后，上部结构地震荷载将按刚度分配的原则传递至各滑动墩，对于非等高连续梁桥，工程应用时要重视对矮墩的能力保护。

(3)各桥墩抗侧移刚度差异越大，地震荷载在各墩间的分配越不均匀，此外，因各墩抗侧移刚度的不同，将可能引发各墩墩顶IFA装置激活条件的变化，故非等高连续梁桥利用IFA装置减震的参数设置，需结合具体工程进行。

(4)采用IFA装置进行减震的初衷是利用滑动墩的抗震潜力，故科学确定滑动墩弹性范围内的极限承载能力是该思想得以实现的前提。