行波效应下墩高对连续梁桥IFA装置减震效果的影响

张茂江 陈士通 支墨墨 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）

长联大跨度桥梁的抗震减灾已成为目前桥梁研究的热点问题。采用减隔震措施后，多个桥墩共同参与抗震，地震动的空间效应使得各桥墩的地震响应表现出明显的差异。因此，对采用减隔震措施的大跨度桥梁进行地震响应分析时应适当考虑行波效应的影响。

在大跨度桥梁行波效应方面，文献［1-4］发现行波效应对斜拉桥地震响应有重大影响，但影响程度与斜拉桥自身特性密切相关；文献［5］以某连续拱组合桥为研究对象探究了行波效应的影响，发现拱桥不同位置的地震响应随视波速的增加有较大变化；文献［6］研究了某悬索桥的地震响应，发现在行波效应下悬索桥主塔地震响应明显增大。

在大跨度桥梁减隔震方面，文献［7］以渭河特大桥主桥连续梁桥为研究对象，对采用摩擦摆支座和黏滞阻尼器共同作用的减隔震措施进行了计算分析，发现该措施能够有效提高桥梁抗震性能；文献［8］提出了一种双向滑动支座、弹塑性挡块和拉压连接装置联合作用的新型连续梁桥桥台支座布置方式，能够有效提高连续梁桥的抗震性能；文献［9］提出了一种桥梁安全带连接体系减震装置并进行了振动台试验，试验结果表明该装置能有效降低连续梁桥固定墩的地震响应；文献［10］提出了一种惯性力激活的连续梁桥用减震装置（Inertial Force Activated，IFA），发现激活该装置后能够有效地减小连续梁桥的地震响应。

目前，对IFA装置的研究仅在一致激励下进行，考虑行波效应时IFA 装置减震性能的研究尚未涉及。IFA 装置的工作原理在于激发连续梁桥活动墩的抗震潜能，墩高变化会对IFA 装置减震效果有所影响。因此，本文对行波效应下不同墩高组合的连续梁桥进行非线性时程分析，研究等高与非等高连续梁桥IFA 装置的减震效果及各桥墩地震响应分配的变化规律。

1 IFA装置

1.1 工作原理

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（图1）。桥梁正常运营时，装置未激活，水平锁杆可以自由水平运动，满足梁墩之间的相对位移需求。地震突发时，激活装置在惯性力作用下开始摆动，并带动连杆机构运动，使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，活动墩与梁体临时锁定，利用咬合传力的原理实现各墩协同受力。由IFA 装置工作原理可知，其在工作状态下具有反复锁止的特点，且在震后能够自动复位，不影响桥梁的正常运营。

图1 IFA装置

1.2 力学模型

IFA 装置的力学模型及本构关系见图2。图2（a）中，fk为装置惯性力激活阈值；fs为装置屈服时激活装置的惯性力；k1为装置屈服连接刚度；k2为装置初始连接刚度与屈服连接刚度之差；k1+k2为装置初始连接刚度；c为单元阻尼系数。图2（b）中，di为梁墩相对位移；dk和ds分别为装置激活和屈服时的梁墩相对位移；Fs为IFA 装置屈服时承受的荷载；Fd为IFA 装置在不同梁墩相对位移下所承受的荷载。

图2 IFA装置力学模型及本构关系

在激活装置惯性力达到激活阈值fk之前，装置未激活，活动墩与梁体之间能够纵向自由滑动；当激活装置惯性力达到激活阈值fk时，装置被激活，锁定装置与水平锁杆相互咬合，装置发挥锁死功能。

2 有限元模型

以一座跨径为（55+72×5+55）m的7跨预应力混凝土公路连续桥为工程背景。该桥梁体为单箱双室等截面箱梁，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12 m，纵向抗弯惯性矩2.3 m4，截面面积 8.3 m2，混凝土密度 2.5×103kg/m3，弹性模量3.45×1010N/m2。原设计4#墩为固定墩，其他墩均设纵向滑动支座。在2#，3#，5#—7#墩墩顶设IFA 装置（图3），并布设于连续梁桥各滑动墩两侧滑动支座之间，如图4所示。

图3 7跨连续梁计算简图（单位：m）

图4 IFA装置布设位置示意

利用ANSYS 建立连续梁桥有限元模型，梁、墩采用梁单元，IFA 装置采用link1 与combin40 组合单元。考虑IFA 装置的梁墩间约束细部图见图5。图中单元25，26，27，104，105及106为梁单元，单元152及153为link1单元，单元154为combin40单元。

图5 考虑IFA装置的梁墩间约束细部图

假设单元刚度（即IFA 装置初始连接刚度）k=k1+k2=1×1012N/m，不考虑装置阻尼及屈服作用，装置惯性力激活阈值定为fk=0.05 kN。选取El Centro波作为非线性时程分析时的激励波，地震波输入方向为顺桥向，地震加速度峰值调整为0.4g，分析时地震波视波速v分别取200，500，1 000 m/s。忽略碰撞产生的能量损失；计算过程中假设各桥墩均保持弹性，桥墩与地面作固接处理。为便于表述，引入减震率λ来描述安装IFA 装置减震时连续梁桥固定墩墩底剪力、弯矩以及梁端位移的变化情况［11］。

3 墩高对IFA装置减震效果的影响

3.1 等高连续梁桥

为探究行波效应下墩高变化对等高连续梁桥IFA装置减震效果的影响，不改变桥墩截面特性，构建桥墩高度H分别为12，16，19，20，22，24 m 的连续梁桥进行非线性时程分析，结果见图6。图中，λa为不同视波速下固定墩墩底剪力、弯矩及梁端位移的减震率均值。

由图6可知：

1）墩高变化对IFA 装置减震效果影响显著。H=12～16 m 时λa均在 50% 以上，而H=19～24 m 时λa较低甚至出现负值，IFA 装置不再起到降低连续梁桥地震响应的作用。这说明等高连续梁桥利用IFA装置减震可取得理想效果，但对于墩高不同的等高连续梁桥，IFA装置利用不当可能会增大连续梁桥地震响应。

图6 等高连续梁桥IFA装置减震效果变化曲线

2）墩高变化对等高连续梁桥IFA装置减震效果的影响程度与视波速v相关。v=200，500，1 000 m/s 时，墩高变化引起的λa变化幅度分别为21%，88%，99%。这说明等高连续梁桥中IFA装置减震效果受墩高变化的影响程度随视波速的增加而更加明显。

3）桥墩截面性质不变时，墩高变化导致各桥墩抗侧移刚度变化，不同墩高的等高连续梁桥利用IFA 装置减震时的减震率差异较大。这说明要取得理想的减震效果，须结合连续梁桥桥墩抗侧移刚度对IFA 装置相关参数进行设计。

为探究行波效应下等高连续梁桥各墩地震响应的分配情况，选取视波速v=500 m/s 时连续梁桥各墩墩底剪力极值进行分析，其分配情况见图7。

图7 等高连续梁桥各桥墩墩底剪力极值分配情况

由图7可知：

1）墩高较低时各墩墩底剪力极值呈边墩大、中墩小的不均匀现象，地震响应不再按各墩抗侧移刚度进行分配。说明行波效应下各墩地震响应大小与其相对位置有关。

2）各墩墩底剪力极值差异程度随墩高的增大逐渐降低，说明各桥墩地震响应之间的不均匀程度受墩高变化影响。

3.2 非等高连续梁桥

不改变桥墩截面特性，构建如表1 所示的4 种墩高组合的非等高连续梁桥进行非线性时程分析。非等高连续梁桥IFA装置减震效果变化曲线见图8。

表1 非等高连续梁桥墩高组合 m

图8 非等高连续梁桥IFA装置减震效果变化曲线

由图8可知：

1）墩高变化对IFA装置减震效果的影响程度相对较低，且λa多数大于30%。这说明利用IFA 装置可有效降低非等高连续梁桥固定墩地震响应及梁端位移。

2）视波速v一定时，λa随墩高的增大呈先降后升的变化趋势。视波速v越小，λa受墩高变化影响越明显，如v= 200 m/s 时λa变幅在 50 %左右，而v= 500，1 000 m/s时在25%左右。

3）与等高连续梁桥相比，固定墩高度相同时，非等高连续梁桥减震率均值多数情况下较大。这说明固定墩墩高相等时IFA装置在非等高连续梁桥中的减震效果更好。

为进一步了解行波效应下非等高连续梁桥各桥墩地震响应的分配情况，选取视波速v=500 m/s 时非等高连续梁桥各墩墩底剪力极值进行分析，其分配情况见图9。

图9 非等高连续梁桥各桥墩墩底剪力极值分配情况

对比图7和图9可知：

1）非等高连续梁桥墩高较低时，各墩墩底剪力极值分配呈边墩大、中墩小的不均匀现象，但造成该现象的原因与等高连续梁桥有所差异。等高连续梁桥墩底剪力极值分配不均匀是受行波效应影响的结果；非等高连续梁桥各墩墩底剪力极值受行波效应和墩高共同影响，不同的抗侧移刚度进一步加大了各墩地震响应分配的不均匀程度。

2）非等高连续梁桥墩底剪力极值不均匀程度亦随墩高增大逐渐降低，进一步说明行波效应下连续梁桥各桥墩地震响应的分配情况与墩高相关，桥墩越高，各墩间的抗侧移刚度差异越小，各墩地震响应分配亦趋于均匀。

3）与等高连续梁桥相比，当固定墩墩高为12，16 m时，非等高连续梁桥各墩墩底剪力极值均有所增大；当固定墩墩高为 20 m 时，2#，3#，6#，7#墩墩底剪力极值虽有所增大，但增大幅度明显降低，4#，5#墩剪力极值出现降低现象；当固定墩墩高为24 m 时，除2#，7#墩剪力极值仍有小幅增大外，其余桥墩剪力极值均有所降低。这说明当固定墩较高时非等高连续梁桥利用IFA装置减震可有效降低中部位置桥墩的地震响应。

3.3 等高连续梁桥IFA装置减震效果较差的原因分析

为进一步探究在墩高H为19～24 m 的等高连续梁桥中应用IFA 装置时减震效果不佳的原因，对4 种墩高的等高连续梁桥进行模态分析，得到IFA 装置激活前后连续梁桥的动力特性，见表2。EL Centro 波相对位移反应谱见图10。

表2 等高连续梁桥动力特性

由表2 和图10 可知：激活IFA 装置后连续梁桥的自振周期缩短，减少率均在58.3%～58.8%。自振周期的大幅变化使得连续梁桥在IFA装置发挥作用后远离或接近相对位移反应谱的卓越周期，导致总体地震响应发生较大变化。墩高在19～24 m 时，激活IFA 装置后连续梁桥的地震反应更加强烈。尽管IFA装置发挥作用增加了承担地震荷载的桥墩数量，但总体地震响应增幅过大，减震效果不佳。因此，利用IFA装置进行连续梁桥减震时，须结合地震波频谱特性及桥梁自振周期进行分析。

连续梁桥整体抗侧移刚度与IFA装置发挥作用后介入的滑动墩数量有关。对于IFA装置激活后桥梁自振周期接近或进入地震波卓越周期的连续梁桥，可通过改变IFA装置安装数量调整其整体抗侧移刚度。

4 结论

1）行波效应下等高连续梁桥与非等高连续梁桥利用IFA装置减震均可取得理想效果。墩高变化对该装置减震效果有影响，且对等高连续梁桥中IFA 装置减震效果的影响程度大于非等高连续梁桥。

2）行波效应下墩高变化会影响装有IFA装置的连续梁桥各桥墩地震响应的分配情况，桥墩越高，地震响应不均匀程度越低。

3）墩高为 19～24 m 时等高连续梁桥 IFA 装置利用不当会增大结构地震响应，不利于结构整体抗震性能的提高，须结合地震波频谱特性及连续梁桥振动周期对IFA装置布设方案予以调整。