地震作用下渡槽伸縮縫的碰撞效應及控制研究

摘 要：渡槽結構伸縮縫兩端在地震中可能發生碰撞現象，危害渡槽的安全運營，甚至導致落梁破壞，針對這一問題，文章通過建立考慮碰撞效應的渡槽動力分析模型，研究了碰撞效應對渡槽地震反應的影響，并提出了對渡槽減震半主動控制方法，研究結果表明，本項研究算法提供的半主動控制力較好的追蹤了主動最優控制力，半主動控制系統較好的減少了碰撞次數，減輕了碰撞效應的危害，提高了渡槽的抗震安全性。

關鍵詞：渡槽；地震響應；碰撞；半主動控制

引言

在水利工程建設項目中，對渡槽結構的應用較多，這種結構的屬性和特點，決定了其適合在很多水利工程項目中應用。不過這種渡槽結構交叉建筑物，容易受到不穩定的地質結構的影響，例如小級別地震、地質結構變化等。以我國貴州黔中水利樞紐工程為例，線路中有多處高墩大跨渡槽，一旦在地震中發生破壞，全線輸水將要中斷，甚至危及周邊地區，因此渡槽結構地震安全性問題應得到足夠的重視[1]。

在國內外的強烈地震中，因伸縮縫間碰撞導致的破壞屢有發生，如在美國Northridge（1994）地震中的內環5#和14#的公路連接部分，就是由于地震導致了多座橋梁同時出現了非常嚴重的伸縮縫問題，從而使得橋梁建筑遭到很大程度的破壞[2]。在日本地區，由于地震頻發，阪神在1995年的地震中，受到地震毀壞的西宮港大橋也是出現了較大的伸縮縫隙，經調查發現，橋梁連接構造處的碰撞是橋梁結構的局部損壞和落梁發生的主要原因[3]。

渡槽與橋梁在結構形式上較為相似性，區別在于渡槽上部荷載更大，在地震作用下，發生端部碰撞的可能性也是存在的，因此，有必要對地震作用下的渡槽結構碰撞效應進行研究。

本項研究在此背景下對縱向地震作用下的渡槽結構的碰撞現象展開研究，并利用磁流變阻尼器（MR）[4]對其進行半主動控制，結果表明，加入磁流變阻尼器對于渡槽的碰撞危害有明顯的減輕，對于結構的整體地震響應有較好的控制效果，對于渡槽結構的抗震設計有一定的參考價值。

1 渡槽結構動力分析模型

1.1 渡槽動力分析模型

在結構劃分上，渡槽的槽身是一種薄壁梁結構[5]，在本文研究過程中，按照其沿縱的剖析結構，在如下圖中可以看出，其單元節點設在渡槽橫向拉桿、豎向加勁肋和支座上，如圖1所示。薄壁截面的扭轉中心為圖中s點，圖中c點為形心位置，并且將該位置設為坐標的原點。

渡槽槽身的振動位移形式包括：橫截面沿圖1中x軸方向的橫向彎曲位移u、沿圖1中y軸方向的豎向彎曲位移v、沿圖1中z軸的縱向位移w、繞圖1中扭轉中心c的扭轉角ψ。薄壁梁單元設有2個節點，節點含有七個位移，分別記為ui，ui'，vi，vi'，wi，φi，φi'，在單元內部，任意節點的位移與第i個節點的位移關系如下：

4 結束語

通過上述的研究論證，我們可以得出如下幾個方面的結論：第一，設計的磁流變阻尼器在渡槽結構中，具有很好的抗震防震作用，能夠有效抑制伸縮縫，對于橋梁的保護作用非常有利；第二，在研究過程中測試的半主動控制算法，能夠更好的追蹤最優控制力，是一種比較優秀的算法工具，在計算方面，也相對簡單；第三，渡槽結構的橋梁建筑物在遇到地震作用時，其產生的較大碰撞力如果不能得到有效控制，會給橋梁造成很大程度的毀壞。而通過磁流變阻尼器，運用合理的控制措施，能夠抑制并減少碰撞發生的頻率，對于橋梁可以起到較好的保護作用。

參考文獻

[1]趙曉飛.考慮流固禍合的南水北調渡槽減振措施研究[D].大連：大連理工大學，2004.

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[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]楊孟剛.磁流變阻尼器在大跨度橋梁上的減震理論研究[D].長沙：中南大學，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.

作者簡介：張玉民（1973-），男，山東成武人，工學學士，主要從事交通土建、水工結構施工及研究。