基于新型黏彈性阻尼減震器的跨斷層鐵路橋梁減震分析

王東昀

(蘭州鐵道設計院有限公司，甘肅 蘭州 730000)

在臺灣集集地震、土耳其Kocaeli地震和Duzce地震及汶川地震中,多座橋梁結構因跨越斷裂帶而出現嚴重破壞甚至全橋坍塌的現象[1-2]。因此，國內外的抗震設計規范提出在橋梁選線時盡可能避免通過斷裂帶或選擇在斷裂帶最窄的地方通過，若必須通過則橋梁結構應采用墩高較低、跨徑較小、容易搶修的簡支梁橋[3]。然而對于一些大型工程，有時需要毗鄰或跨越斷層。橋梁減震技術通過安裝合理的耗能裝置延長橋梁結構的周期或消耗地震能力，以達到減小橋梁結構地震響應的目的[4-6]。目前，對于跨斷層橋梁的減震研究正處于初始階段，僅有少量的國內外學者進行了研究。GOEL等[7]提出在橋臺處設置一種剪力鍵來提高跨斷層區域橋梁的抗震性能，研究表明該結構可以有效減小跨斷層橋梁的損傷。PARK等[8]對土耳其地震中Bolu 1號橋進行了分析，發現斷層兩側錯動形成的永久位移導致橋梁保護系統失效是該橋坍塌的直接原因。惠迎新等[9]通過研究國內外跨斷層橋梁的震害特征，提出斷層形成的相對位移是導致橋梁發生支座失效、墩柱損毀、落梁的主要原因。楊懷宇等[10]指出實際工程中需要考慮落梁和梁體碰撞的措施。上述研究主要是從跨斷層橋梁的地震響應和震害特征進行分析，但未對抗震設防措施進行研究，規范中也僅僅指出可以采用耗能減震裝置進行防御，但未進行量化。

本文基于功能分離的設計理念，提出一種新型黏彈性阻尼減震器。以敦格(敦煌—格爾木)鐵路一座跨走滑斷層鐵路簡支梁橋為例，采用人工合成的地面運動時程曲線，通過非線性時程分析方法研究新型黏彈性阻尼減震器對跨斷層橋梁地震響應的影響，為跨斷層橋梁抗震設計提供參考。

1 工程概況

敦格鐵路簡支梁為后張法預應力混凝土梁，橋孔跨布置采用5×32 m。該橋位于當金山山區，在闊克薩隧道與長草溝隧道之間，橫跨長草溝右岸一支溝，兩側山體陡峭，地形起伏較大。

2 新型黏彈性阻尼減震器的構造及工作原理

2.1 新型黏彈性阻尼減震器的構造

新型黏彈性阻尼減震器由約束層和阻尼層組成，約束層由鋼板制成，阻尼層由黏彈阻尼材料制成。為了防止約束層材料在水平剪切變形過程中發生彎曲變形，約束層為層疊狀，層與層之間用較薄的鋼板分開。阻尼材料可根據減震的要求來選定，并由專業的阻尼材料生產廠家提供。新型黏彈性阻尼減震器構造如圖1所示。

圖1 新型黏彈性阻尼減震器構造

滑塊結構安裝在減震器減震方向的凹槽內，蓋上蓋板即可構成黏彈阻尼減震器。將黏彈阻尼減震器和滑板結構分別固定在活動支座處的墩頂和梁端的下翼緣上。無地震時，活動支座帶動滑板結構在減震方向做自由移動，減震器不參與工作(參見圖1)；地震時，當活動支座的位移大于減震控制系統所規定的數值時，滑板中的抗剪楔塊正好位于凹槽內，若楔塊彈簧彈出凹槽，則滑板結構和減震器連接成一個整體，活動支座帶動滑板結構向減震方向移動，構成一個完整的減震控制系統。在地震荷載作用下，當減震器做往復的剪切運動時，阻尼層中的黏彈阻尼材料在該剪切運動過程中耗散能量，從而達到減震的目的。

新型黏彈性阻尼減震器的優點在于不會影響橋梁結構的正常工作。當環境溫度發生變化時，能夠保證活動支座沿縱橋向的自由移動，只有發生地震時減震控制系統才對橋梁結構具有減震作用。新型黏彈性阻尼減震器已于2012年首次在武罐高速公路馬河大橋安裝應用。

2.2 工作原理

黏彈性阻尼器減震原理是將其設置在產生相對變形比較大的位置(如支座處、拉索)，當結構發生相對位移時，黏彈性阻尼器產生剪切滯回變形以耗散輸入的能量，從而減小結構的動力響應。在運用有限元軟件分析時，需要提供黏彈性阻尼器的等效剛度Kd和阻尼Cd。其計算公式[10]分別為

Kd=G1A/h

(1)

Cd=G2A/(ωh)

(2)

式中：G1，G2分別為黏彈性材料的儲存模量和耗損模量；A為阻尼材料的剪切面積；ω為激勵頻率；h為阻尼層的厚度。

圖3 斷層兩側場地加速度時程曲線

裝有黏彈性阻尼器的結構運動方程為

(3)

式中：M為原結構的質量矩陣；C和K分別為原結構的阻尼矩陣和剛度矩陣；Cve和Kve分別為黏彈性阻尼器的等效阻尼矩陣和等效剛度矩陣；X為體系各節點的位移矢量；F(t)為廣義力矢量。

2.3 計算模型

本文基于SAP2000有限元分析軟件，采用Kelvin模型建立黏彈性阻尼器的力學計算模型，分析設置黏彈性阻尼減震器后橋梁減震結構的抗震性能。力學計算模型的力-位移關系式為

(4)

式中：ud為位移;Fd為阻尼力。

3 地面運動合成

地震時，斷層效應可分為方向性效應和滑沖效應，如圖2所示。方向性效應會引起一個雙邊速度脈沖，滑沖效應會引起一個單向速度脈沖。方向性效應在垂直于斷層的分量上以大幅值、長周期、持時長的強速度脈沖為主要特征；滑沖效應在平行于斷層的分量上以強速度脈沖為主要特征，滑沖效應是由斷層兩側的錯動引起的，主要表現為位移時程的突然升高或降低，然后形成地面永久位移。一般情況下，方向性效應和滑沖效應幾乎同時發生，所以應同時予以考慮。

圖2 斷層類型和主要特征

根據速度脈沖地震記錄可知，速度脈沖的頻率是<1 Hz(周期>1 s)的低頻部分，而高頻部分(周期<1 s)等效的脈沖加速度譜與實際地震記錄不符。因此，在模擬跨斷層地震動時，應將低頻部分和高頻部分分別模擬，然后將二者進行疊加合成含有多種頻率成分且能夠反應跨斷層效應的地震波。方向性效應脈沖采用方向性脈沖模型[11]進行模擬；滑沖性效應脈沖采用滑沖脈沖模型[12]進行模擬。

高頻部分的模擬與遠場地震動高頻部分的模擬類似。根據潛在的矩震級和場地條件，按照文獻[13]提出的方法模擬>1 Hz頻率成分的加速度時程，即在任意時刻將高頻時程與低頻時程疊加，生成方向性效應脈沖響應和滑沖效應脈沖響應，再合成斷層兩側垂直斷層與平行斷層的模擬時程曲線，如圖3—圖5所示。

圖4 斷層兩側場地速度時程曲線

圖5 斷層兩側場地位移時程曲線

由圖3—圖5可知，斷層兩側垂直斷層方向加速度、速度和位移時程曲線相似，加速度在20～25 s時達到峰值，速度和位移均在20 s時達到峰值，且加速度、速度和位移的方向基本一致。而斷層兩側場地平行斷層方向加速度、速度和位移時程曲線僅峰值位置相似，加速度、速度和位移方向相反。

綜上可知，斷層左右側垂直斷層方向的加速度、速度和位移時程曲線與斷層左右側平行斷層方向的加速度、速度和位移時程曲線均存在一定的差異，故地震響應也不一樣。

4 跨斷層橋梁減震分析

4.1 模型建立與地震動輸入

采用SAP2000有限元軟件建立球型支座和球型支座+新型黏彈性阻尼減震器2種模型，分析安裝阻尼減震器前后對結構地震響應的影響。梁和橋墩均采用線性梁單元模擬，球型支座采用非線性連接單元模擬，黏彈性阻尼減震器順橋向布置在墩梁之間，采用Hook單元模擬。敦格鐵路簡支梁橋斷層處有限元模型見圖6。計算時考慮相鄰跨的影響及碰撞作用，不考慮樁土相互作用，即墩底固結。結合黏彈阻尼減震器的室內試驗，根據式(1)和式(2)計算得到黏彈性阻尼減震器的滯回參數，見表1。

圖6 敦格鐵路簡支梁橋斷層處有限元模型

表1 黏彈性阻尼器的滯回參數

斷裂帶垂直跨過簡支梁橋第3跨，斷層左側為1#墩，斷層右側為2#墩。根據斷層兩側地震動特性，在施加地震作用時，平行斷層方向的地震動采用非一致激勵的形式輸入，將合成位移時程分量作為斷層兩側橋墩的地震動輸入；垂直斷層方向由于斷層兩側橋墩的地震激勵相同，所以采用一致激勵的形式輸入。

4.2 減震效果分析

根據震后調查結果可知，在地震作用下固定墩(1#—4#墩)主要承受上部結構傳來的荷載，固定墩和固定支座會發生較大破壞。因此，應在固定墩上順橋向安裝黏彈性阻尼減震裝置。對減震前后橋梁的動力特性進行計算，結果見表2。可知，增設黏彈性阻尼減震器后橋梁結構的周期變長。

表2 減震前后橋梁結構動力特性對比 s

本文通過減震率來反應黏彈性阻尼減震器的減震效果，減震前后不同地震作用下橋墩位移及剪力見表3。可知，設置了黏彈性阻尼減震器后，橋梁墩頂的位移和剪力的減震率顯著下降，減震效果非常好；方向性效應的減震效果大于滑沖效應的效果。說明該黏彈性阻尼減震器能有效減輕跨活動斷層鐵路橋梁的地震響應。

表3 減震前后不同地震作用下橋墩位移及剪力

5 結論

1)橋梁結構安裝新型黏彈性阻尼減震器后，結構周期延長，減小了結構的地震響應。

2)新型黏彈性阻尼減震器有效減小了橋梁的墩頂位移和墩底剪力，可以防止落梁的發生及橋墩的剪切破壞。

3)新型黏彈性阻尼減震器對方向性效應的影響明顯大于對滑沖效應的影響，主要是由于方向性效應里的高階成分被減震裝置消耗了。在進行抗震設計時，可以對減震器進行參數優化或采取其他設防措施減小滑沖效應對結構的影響。

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