隔震橋梁橫橋向擋塊設(shè)計(jì)研究

朱文正， 徐忠根

(廣州大學(xué) 土木工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

結(jié)構(gòu)的碰撞問題被認(rèn)為是影響結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)和結(jié)構(gòu)抗震性能的一個(gè)重要因素［1］。橋梁地震震害表明:橫橋向碰撞引起的擋塊剪斷、剪裂破壞是地震中橋梁最為普遍的破壞形式［2］?？拐饟鯄K是改善橋梁橫向抗震性能、防止落梁的重要限位措施?，F(xiàn)行規(guī)范的抗震擋塊設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想是強(qiáng)力阻止落梁，擋塊越強(qiáng)越好［3，4］，在設(shè)計(jì)中通常是套用通用圖，不對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行分析計(jì)算。但橋梁震害調(diào)查結(jié)果表明，抗震擋塊參與了橋梁的地震響應(yīng)，改變了結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，尤其是對(duì)橋墩的內(nèi)力分布和橫向變形影響顯著［5］。Shervin Maleki［6，7］對(duì)簡(jiǎn)支梁橋上部結(jié)構(gòu)與橫向約束擋塊間碰撞效應(yīng)進(jìn)行了研究，分析表明碰撞剛度、初始間隙和結(jié)構(gòu)周期影響很大，若忽略碰撞效應(yīng)，將會(huì)低估擋塊及下部結(jié)構(gòu)的地震需求，在抗震設(shè)計(jì)中造成不安全的結(jié)果。因此在地震反應(yīng)分析中，有必要考慮擋塊對(duì)橋梁動(dòng)力響應(yīng)的影響。

本文在一座隔震橋梁設(shè)計(jì)時(shí)考慮了抗震擋塊對(duì)橫橋向地震性能的影響，首先介紹了該隔震橋梁的隔震設(shè)計(jì)情況，并對(duì)抗震擋塊的設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了說明;然后建立隔震橋梁的動(dòng)力計(jì)算模型，考慮梁體與擋塊的碰撞效應(yīng)，通過多條地震波輸入的非線性時(shí)程分析研究了在設(shè)防烈度地震作用下設(shè)置和不設(shè)置緩沖裝置兩種情況下的擋塊最大變形和最大撞擊力，探討了擋塊設(shè)計(jì)方法的可行性。

1 橋梁概述

該橋設(shè)計(jì)行車速度為30 km/h，荷載等級(jí)為公路II級(jí)，場(chǎng)地類別為II類，抗震設(shè)防烈度為8度。主橋采用兩跨55 m獨(dú)塔懸索結(jié)構(gòu)，引橋采用兩跨25 m裝配式預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支箱梁，梁高1.4 m，寬21 m，在橋墩處采用連結(jié)措施由簡(jiǎn)支變?yōu)檫B續(xù)，上鋪10 cm厚C40混凝土找平層。引橋下部結(jié)構(gòu)采用雙柱式橋墩，鋼筋混凝土蓋梁，蓋梁高1.6 m，寬1.8 m。橋墩直徑為1.6 m，樁徑為1.8 m，樁間設(shè)置系梁。橋臺(tái)為一字型橋臺(tái)，采用雙排樁基礎(chǔ)，樁徑為1.2 m，橋梁立面、平面如圖1所示。

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計(jì)過程中，首先應(yīng)根據(jù)橋梁上部結(jié)構(gòu)的重量和作用在結(jié)構(gòu)上的荷載來確定每個(gè)支座所承擔(dān)的豎向軸力。另外，支座還需要有足夠的初始剛度和屈服強(qiáng)度以避免在正常使用荷載下(如風(fēng)、汽車制動(dòng)力等)結(jié)構(gòu)發(fā)生屈服和有害振動(dòng)等。根據(jù)橋梁計(jì)算分析結(jié)果，隔震設(shè)計(jì)在橋梁每個(gè)橋墩(臺(tái))上分別布置3個(gè)隔震支座，具體布置如圖2所示，所采用隔震支座的性能參數(shù)見表 1［8］。

圖1 大橋立面、平面圖/cm

表1 橡膠隔震支座參數(shù)

2 擋塊設(shè)計(jì)

根據(jù)橋梁防落梁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，擋塊在基本烈度地震發(fā)生時(shí)應(yīng)該保持完好狀態(tài)［9］。由于地震作用是一種隨機(jī)性很強(qiáng)的沖擊荷載，一般不能確定其普遍的荷載形式和持續(xù)時(shí)間，為工程安全和計(jì)算方便，通常其動(dòng)力放大系數(shù)可近似取為2，因而擋塊的屈服荷載取2倍于基本烈度的水平地震力，即:

式中，F(xiàn)為擋塊的設(shè)計(jì)屈服強(qiáng)度;Kh為場(chǎng)地基本烈度對(duì)應(yīng)的水平地震系數(shù);G為支座反力。

圖2 引橋隔震支座平面布置/m

因?yàn)樵摌蛱幱?度設(shè)防區(qū)域，其基本烈度水平地震系數(shù)為0.2［3］，根據(jù)該橋上部結(jié)構(gòu)的構(gòu)造情況，計(jì)算得擋塊設(shè)計(jì)屈服強(qiáng)度為1500 kN。

3 計(jì)算模型

為驗(yàn)算擋塊設(shè)計(jì)方法的適用性，本文采用非線性動(dòng)力時(shí)程分析方法對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。分析時(shí)采用結(jié)構(gòu)分析軟件Midas/civil 2006進(jìn)行模型計(jì)算，計(jì)算模型(圖3)中的梁體和橋墩均采用線單元模擬，橋臺(tái)采用空間板殼單元，支座采用Link單元模擬，支座采用粘滯阻尼單元模擬，梁體碰撞及擋塊采用Gap單元模擬，不考慮樁土相互作用，在墩底固結(jié)。圖4為單墩橫向碰撞模型圖。

圖3 橋梁計(jì)算模型

圖4 橋墩橫向碰撞模型

碰撞現(xiàn)象是一種狀態(tài)非線性過程。分析時(shí)將結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過程分為兩種狀態(tài):(1)結(jié)構(gòu)在碰撞點(diǎn)的相對(duì)位移沒有超過初始間距，這時(shí)接觸單元不起作用;(2)當(dāng)結(jié)構(gòu)在碰撞點(diǎn)的相對(duì)位移有超越初始間距的趨勢(shì)時(shí)，修改結(jié)構(gòu)特性，在接觸點(diǎn)加入彈簧和阻尼器，直到碰撞分離。

圖5 非線性接觸單元

為了模擬梁體與擋塊間可能發(fā)生的碰撞，采用圖5所示的非線性力-位移關(guān)系模擬接觸單元，即不考慮碰撞過程中能量損失。當(dāng)擋塊前設(shè)置緩沖裝置時(shí)，恢復(fù)力模型見圖5。圖5中d1為初始間距，d2為緩沖裝置的允許變形量;當(dāng)無緩沖裝置時(shí)，恢復(fù)力模型為圖5中去掉K1的部分。則設(shè)置緩沖裝置時(shí)的單元力與位移關(guān)系為:

式中:d1為緩沖裝置與梁的間隙;d2為緩沖裝置的允許變形量;k1和k2分別為d1和d2的接觸剛度;x為地震作用下梁體與擋塊的相對(duì)位移。

接觸單元?jiǎng)偠萲2的取值由于缺乏試驗(yàn)依據(jù)，考慮彎曲剛度和剪切變形的影響，并參考文獻(xiàn)［5］的試驗(yàn)研究結(jié)果，擋塊的碰撞剛度取2×106kN/m，破壞荷載為1500 kN;設(shè)置橡膠緩沖墊的剛度k1為5×104kN/m，其數(shù)值等于橡膠墊的彈性模量。

4 時(shí)程分析法計(jì)算分析

4.1 地震動(dòng)輸入

由于地震具有強(qiáng)烈的隨機(jī)性，即便是同次地震在同一場(chǎng)地上得到的地震記錄也不盡相同，另外，結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)隨輸入地震波的不同而具有很大差異。因此，要保證時(shí)程分析結(jié)果的合理性，必須合理選擇輸入地震波。目前，抗震設(shè)計(jì)中有關(guān)地震動(dòng)加速度時(shí)程的選擇主要有直接利用強(qiáng)震記錄、采用人工地震加速度時(shí)程和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)化地震加速度時(shí)程。

本文選取表2中的8條地震波沿橫橋向輸入，因?yàn)闃蛄何挥诘卣鹆叶?度區(qū)，故將每條地震波的加速度峰值調(diào)整到0.2g。分析時(shí)梁體與擋塊間初始間隙取為0.05 m，緩沖裝置的厚度為0.03 m。

表2 地震波參數(shù)

4.2 計(jì)算結(jié)果分析

采用時(shí)程分析法，4#橋墩處梁體與擋塊最大相對(duì)位移、擋塊最大變形以及最大碰撞力計(jì)算結(jié)果見表3。在表2中1#地震波(1940 EL Centro，S00E)輸入條件下，4#墩處梁體與擋塊相對(duì)位移時(shí)程曲線如圖6所示。由圖6和表3可知，緩沖裝置有效減小了梁體與擋塊之間的最大相對(duì)位移;在擋塊前不設(shè)置緩沖裝置時(shí)，碰撞力大多超出了擋塊的屈服強(qiáng)度，而在設(shè)置緩沖裝置時(shí)，碰撞力均未超出擋塊屈服強(qiáng)度限值。

由文獻(xiàn)［10］知，碰撞力的大小與碰撞剛度關(guān)系密切，且剛度在104kN/m量級(jí)時(shí)效果最好，與本文計(jì)算結(jié)果基本符合。但因?yàn)閾鯄K剛度的選取尚缺少足夠的試驗(yàn)依據(jù)，所以需要在其前面設(shè)置緩沖裝置以減小碰撞力，從而達(dá)到保護(hù)擋塊的目的。

圖6 4#墩處梁體與擋塊相對(duì)位移時(shí)程曲線

表3 4#墩擋塊最大碰撞力計(jì)算結(jié)果

5 結(jié)語

本文介紹了穗威大橋引橋的隔震設(shè)計(jì)情況，著重分析了橫橋向擋塊的設(shè)計(jì)思想和方法，并建立隔震橋梁的動(dòng)力分析模型，對(duì)擋塊設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行了多條地震波的時(shí)程分析計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明該設(shè)計(jì)方法是合適的，可以保證擋塊在基本烈度地震條件下的完好狀態(tài)，但需要在擋塊前面設(shè)置適當(dāng)?shù)木彌_裝置。由于目前試驗(yàn)和測(cè)試手段的限制，碰撞剛度和屈服強(qiáng)度等計(jì)算參數(shù)的取值缺乏試驗(yàn)依據(jù)，有待繼續(xù)研究。

［1］Priestley M J N，Seible F，Galvi G M.Seismic Design and Ret Rof It of Bridges［M］.New York:John Wiley ＆ Sons，Inc.，1996.

［2］莊衛(wèi)林，劉振宇，蔣勁松.汶川大地震公路橋梁震害分析及對(duì)策［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009，28(7):1377-1387.

［3］JTG/T B02-01-2008，橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則［S］.

［4］劉健新，趙國(guó)輝，李加武.汶川地震及中國(guó)公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的變遷［J］.交通科學(xué)與工程，2009，25(1):21-25.

［5］KC Chang，K.Y Kuo，K Y Liu，and C.H Lu.On Seismic Retrofit Strategies of Highway Bridges-Experiences Learned from Chi-chi Earthquake［C］∥13th World Conference on Earthquake Engineering，Vancouver，B.C.，Canada August 1-6，2004.Paper No.639.

［6］Shervin Maleki.Effect of side retainers on seismic response of bridges with elastomeric bearings［J］.Journal of Bridge Engineering，2004，9(1):95-100.

［7］Shervin Maleki.Seismic modeling of skewed bridges with elastomeric bearings and side retainers［J］.Journal of Bridge Engineering，2005，10(4):442-449.

［8］朱文正，徐 麗，孫 卓.四川汶川穗威大橋引橋減震隔震設(shè)計(jì)［J］，廣州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2010，9(5):27-31.

［9］朱文正，劉健新.公路橋梁連梁裝置研究［J］，公路交通科技，2009，26(4):68-72.

［10］鄧育林，彭天波，李建中.地震作用下橋梁結(jié)構(gòu)橫向碰撞模型及參數(shù)分析［J］，振動(dòng)與沖擊，2007，26(9):104-107.