基于新型黏弹性阻尼减震器的跨断层铁路桥梁减震分析

王东昀

(兰州铁道设计院有限公司，甘肃 兰州 730000)

在台湾集集地震、土耳其Kocaeli地震和Duzce地震及汶川地震中,多座桥梁结构因跨越断裂带而出现严重破坏甚至全桥坍塌的现象[1-2]。因此，国内外的抗震设计规范提出在桥梁选线时尽可能避免通过断裂带或选择在断裂带最窄的地方通过，若必须通过则桥梁结构应采用墩高较低、跨径较小、容易抢修的简支梁桥[3]。然而对于一些大型工程，有时需要毗邻或跨越断层。桥梁减震技术通过安装合理的耗能装置延长桥梁结构的周期或消耗地震能力，以达到减小桥梁结构地震响应的目的[4-6]。目前，对于跨断层桥梁的减震研究正处于初始阶段，仅有少量的国内外学者进行了研究。GOEL等[7]提出在桥台处设置一种剪力键来提高跨断层区域桥梁的抗震性能，研究表明该结构可以有效减小跨断层桥梁的损伤。PARK等[8]对土耳其地震中Bolu 1号桥进行了分析，发现断层两侧错动形成的永久位移导致桥梁保护系统失效是该桥坍塌的直接原因。惠迎新等[9]通过研究国内外跨断层桥梁的震害特征，提出断层形成的相对位移是导致桥梁发生支座失效、墩柱损毁、落梁的主要原因。杨怀宇等[10]指出实际工程中需要考虑落梁和梁体碰撞的措施。上述研究主要是从跨断层桥梁的地震响应和震害特征进行分析，但未对抗震设防措施进行研究，规范中也仅仅指出可以采用耗能减震装置进行防御，但未进行量化。

本文基于功能分离的设计理念，提出一种新型黏弹性阻尼减震器。以敦格(敦煌—格尔木)铁路一座跨走滑断层铁路简支梁桥为例，采用人工合成的地面运动时程曲线，通过非线性时程分析方法研究新型黏弹性阻尼减震器对跨断层桥梁地震响应的影响，为跨断层桥梁抗震设计提供参考。

1 工程概况

敦格铁路简支梁为后张法预应力混凝土梁，桥孔跨布置采用5×32 m。该桥位于当金山山区，在阔克萨隧道与长草沟隧道之间，横跨长草沟右岸一支沟，两侧山体陡峭，地形起伏较大。

2 新型黏弹性阻尼减震器的构造及工作原理

2.1 新型黏弹性阻尼减震器的构造

新型黏弹性阻尼减震器由约束层和阻尼层组成，约束层由钢板制成，阻尼层由黏弹阻尼材料制成。为了防止约束层材料在水平剪切变形过程中发生弯曲变形，约束层为层叠状，层与层之间用较薄的钢板分开。阻尼材料可根据减震的要求来选定，并由专业的阻尼材料生产厂家提供。新型黏弹性阻尼减震器构造如图1所示。

图1 新型黏弹性阻尼减震器构造

滑块结构安装在减震器减震方向的凹槽内，盖上盖板即可构成黏弹阻尼减震器。将黏弹阻尼减震器和滑板结构分别固定在活动支座处的墩顶和梁端的下翼缘上。无地震时，活动支座带动滑板结构在减震方向做自由移动，减震器不参与工作(参见图1)；地震时，当活动支座的位移大于减震控制系统所规定的数值时，滑板中的抗剪楔块正好位于凹槽内，若楔块弹簧弹出凹槽，则滑板结构和减震器连接成一个整体，活动支座带动滑板结构向减震方向移动，构成一个完整的减震控制系统。在地震荷载作用下，当减震器做往复的剪切运动时，阻尼层中的黏弹阻尼材料在该剪切运动过程中耗散能量，从而达到减震的目的。

新型黏弹性阻尼减震器的优点在于不会影响桥梁结构的正常工作。当环境温度发生变化时，能够保证活动支座沿纵桥向的自由移动，只有发生地震时减震控制系统才对桥梁结构具有减震作用。新型黏弹性阻尼减震器已于2012年首次在武罐高速公路马河大桥安装应用。

2.2 工作原理

黏弹性阻尼器减震原理是将其设置在产生相对变形比较大的位置(如支座处、拉索)，当结构发生相对位移时，黏弹性阻尼器产生剪切滞回变形以耗散输入的能量，从而减小结构的动力响应。在运用有限元软件分析时，需要提供黏弹性阻尼器的等效刚度Kd和阻尼Cd。其计算公式[10]分别为

Kd=G1A/h

(1)

Cd=G2A/(ωh)

(2)

式中：G1，G2分别为黏弹性材料的储存模量和耗损模量；A为阻尼材料的剪切面积；ω为激励频率；h为阻尼层的厚度。

图3 断层两侧场地加速度时程曲线

装有黏弹性阻尼器的结构运动方程为

(3)

式中：M为原结构的质量矩阵；C和K分别为原结构的阻尼矩阵和刚度矩阵；Cve和Kve分别为黏弹性阻尼器的等效阻尼矩阵和等效刚度矩阵；X为体系各节点的位移矢量；F(t)为广义力矢量。

2.3 计算模型

本文基于SAP2000有限元分析软件，采用Kelvin模型建立黏弹性阻尼器的力学计算模型，分析设置黏弹性阻尼减震器后桥梁减震结构的抗震性能。力学计算模型的力-位移关系式为

(4)

式中：ud为位移;Fd为阻尼力。

3 地面运动合成

地震时，断层效应可分为方向性效应和滑冲效应，如图2所示。方向性效应会引起一个双边速度脉冲，滑冲效应会引起一个单向速度脉冲。方向性效应在垂直于断层的分量上以大幅值、长周期、持时长的强速度脉冲为主要特征；滑冲效应在平行于断层的分量上以强速度脉冲为主要特征，滑冲效应是由断层两侧的错动引起的，主要表现为位移时程的突然升高或降低，然后形成地面永久位移。一般情况下，方向性效应和滑冲效应几乎同时发生，所以应同时予以考虑。

图2 断层类型和主要特征

根据速度脉冲地震记录可知，速度脉冲的频率是<1 Hz(周期>1 s)的低频部分，而高频部分(周期<1 s)等效的脉冲加速度谱与实际地震记录不符。因此，在模拟跨断层地震动时，应将低频部分和高频部分分别模拟，然后将二者进行叠加合成含有多种频率成分且能够反应跨断层效应的地震波。方向性效应脉冲采用方向性脉冲模型[11]进行模拟；滑冲性效应脉冲采用滑冲脉冲模型[12]进行模拟。

高频部分的模拟与远场地震动高频部分的模拟类似。根据潜在的矩震级和场地条件，按照文献[13]提出的方法模拟>1 Hz频率成分的加速度时程，即在任意时刻将高频时程与低频时程叠加，生成方向性效应脉冲响应和滑冲效应脉冲响应，再合成断层两侧垂直断层与平行断层的模拟时程曲线，如图3—图5所示。

图4 断层两侧场地速度时程曲线

图5 断层两侧场地位移时程曲线

由图3—图5可知，断层两侧垂直断层方向加速度、速度和位移时程曲线相似，加速度在20～25 s时达到峰值，速度和位移均在20 s时达到峰值，且加速度、速度和位移的方向基本一致。而断层两侧场地平行断层方向加速度、速度和位移时程曲线仅峰值位置相似，加速度、速度和位移方向相反。

综上可知，断层左右侧垂直断层方向的加速度、速度和位移时程曲线与断层左右侧平行断层方向的加速度、速度和位移时程曲线均存在一定的差异，故地震响应也不一样。

4 跨断层桥梁减震分析

4.1 模型建立与地震动输入

采用SAP2000有限元软件建立球型支座和球型支座+新型黏弹性阻尼减震器2种模型，分析安装阻尼减震器前后对结构地震响应的影响。梁和桥墩均采用线性梁单元模拟，球型支座采用非线性连接单元模拟，黏弹性阻尼减震器顺桥向布置在墩梁之间，采用Hook单元模拟。敦格铁路简支梁桥断层处有限元模型见图6。计算时考虑相邻跨的影响及碰撞作用，不考虑桩土相互作用，即墩底固结。结合黏弹阻尼减震器的室内试验，根据式(1)和式(2)计算得到黏弹性阻尼减震器的滞回参数，见表1。

图6 敦格铁路简支梁桥断层处有限元模型

表1 黏弹性阻尼器的滞回参数

断裂带垂直跨过简支梁桥第3跨，断层左侧为1#墩，断层右侧为2#墩。根据断层两侧地震动特性，在施加地震作用时，平行断层方向的地震动采用非一致激励的形式输入，将合成位移时程分量作为断层两侧桥墩的地震动输入；垂直断层方向由于断层两侧桥墩的地震激励相同，所以采用一致激励的形式输入。

4.2 减震效果分析

根据震后调查结果可知，在地震作用下固定墩(1#—4#墩)主要承受上部结构传来的荷载，固定墩和固定支座会发生较大破坏。因此，应在固定墩上顺桥向安装黏弹性阻尼减震装置。对减震前后桥梁的动力特性进行计算，结果见表2。可知，增设黏弹性阻尼减震器后桥梁结构的周期变长。

表2 减震前后桥梁结构动力特性对比 s

本文通过减震率来反应黏弹性阻尼减震器的减震效果，减震前后不同地震作用下桥墩位移及剪力见表3。可知，设置了黏弹性阻尼减震器后，桥梁墩顶的位移和剪力的减震率显著下降，减震效果非常好；方向性效应的减震效果大于滑冲效应的效果。说明该黏弹性阻尼减震器能有效减轻跨活动断层铁路桥梁的地震响应。

表3 减震前后不同地震作用下桥墩位移及剪力

5 结论

1)桥梁结构安装新型黏弹性阻尼减震器后，结构周期延长，减小了结构的地震响应。

2)新型黏弹性阻尼减震器有效减小了桥梁的墩顶位移和墩底剪力，可以防止落梁的发生及桥墩的剪切破坏。

3)新型黏弹性阻尼减震器对方向性效应的影响明显大于对滑冲效应的影响，主要是由于方向性效应里的高阶成分被减震装置消耗了。在进行抗震设计时，可以对减震器进行参数优化或采取其他设防措施减小滑冲效应对结构的影响。

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