公路橋梁橫向防落梁設(shè)施抗震性能評價

劉齡嘉，邵 妍，賀拴海

(1.長安大學(xué)橋梁與隧道陜西省重點實驗室，陜西西安710064;2.西安市市政設(shè)施管理局，陜西西安710016)

0 引言

建國以來陜西境內(nèi)未發(fā)生過6級以上地震，近十年來對陜西省影響比較大的是2008年四川省汶川5.12大地震及其余震.5.12汶川地震使陜西省受影響的公路47條、橋梁338座，橋梁主要病害為梁體縱、橫向移位、伸縮縫損壞、支座變形和鋼盆斷裂、擋塊開裂、露筋、混凝土脫落、損壞等［1］.地震波的空間變化以及行波效應(yīng)會引起橋梁擋塊和主梁間不同相運動，導(dǎo)致二者間產(chǎn)生碰撞，物體在碰撞過程中，因為各自出現(xiàn)了形變而產(chǎn)生的彈力即為碰撞力［2］.筆者在分析前人研究［3-9］的基礎(chǔ)上，運用ANSYS結(jié)構(gòu)軟件對裝配式T梁、空心板梁和小箱梁在不同等級橫向地震荷載作用下所受最大撞擊力進(jìn)行分析計算，并對鋼筋混凝土擋塊進(jìn)行模擬分析，由此對其實際抗震能力進(jìn)行評價.

1 結(jié)構(gòu)動力分析

1.1 橫向限位裝置的非線性有限元分析

根據(jù)我國裝配式混凝土簡支梁常用的T梁、空心板梁和小箱梁作為研究對象，利用ANSYS結(jié)構(gòu)軟件建立一跨簡支梁橋空間三維有限元模型［2-4］，其中上部主梁結(jié)構(gòu)、蓋梁和墩樁均采用beam4單元模擬，二期恒載質(zhì)量用mass21單元模擬，橡膠支座用combin14單元模擬，擋塊與主梁之間的連接用combin40單元模擬.梁與蓋梁通過支座單元進(jìn)行連接，約束樁底單元節(jié)點的所有自由度，樁-土-結(jié)構(gòu)作用采用link10單元模擬.

1.2 地震波激勵的選擇

根據(jù)我國《公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則》［10］，選用EL-Centro波和Hollywood Storage P.E波作為地震響應(yīng)分析的地震波.由于這些波加速度峰值較大，波頻范圍較寬，因此被工程界廣泛利用.選取其相應(yīng)20 s，時間間隔為0.02 s，共1 000個時間點.并將 amax調(diào)幅到 amax=0.05 g、0.10 g、0.20 g、0.30 g、0.40 g進(jìn)行分析.地震波波形如圖1所示.

圖1 計算選用地震波Fig.1 Choose seism ic calculation

1.3 有限元分析模型

(1)無間隙模型.橫向限位裝置與主梁間沒有間隙，二者原則上緊貼在一起.由于支座等外部原因的影響，發(fā)生地震時二者相當(dāng)于一個整體，基本一起同步運動.

(2)間隙有限元模型.間隙設(shè)置為非線性碰撞單元，碰撞單元屬于狀態(tài)非線性單元，其運動過程可分為兩種:①結(jié)構(gòu)在碰撞點的相對位移未超過初始間距，此時接觸單元不起作用;②結(jié)構(gòu)在碰撞點的相對位移有超過初始間距的趨勢時，修改結(jié)構(gòu)特性，在接觸點加入彈簧—阻尼器直至接觸分離.

在ANSYS中選用Combin40單元，在工程中可用摩擦問題及碰撞問題模擬.Combin40單元由彈簧單元、阻尼單元、滑移單元、間隔單元和質(zhì)量組成，如圖2所示.通過設(shè)置阻尼和間隔為零，可以使單元只具備彈簧-滑移功能，這樣單元的恢復(fù)力模型就為兩折線模型，如圖3所示.圖中:K1為初始剛度，K2為碰撞接觸剛度.

圖2 Combin40單元Fig.2 Combin40 unit

擋塊與主梁間因地震產(chǎn)生的碰撞力為

圖3 Combin40單元的恢復(fù)力模型Fig.3 The restoring forcemodel of Combin40 unit

式中:d0為初始間隙;Xs為地震力作用下主梁與擋塊的相對位移.

1.4 擋塊地震響應(yīng)分析

對標(biāo)準(zhǔn)圖中跨徑為20 m的空心板、T梁和小箱梁進(jìn)行分析.在加速度峰值為0.05 g、0.10 g、0.20 g、0.30 g、0.40 g，梁與擋塊間間隙為 30 mm，阻尼為c=2×107N·s/m，間隙接觸剛度(即恢復(fù)力模型中的K2)為結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，此時，k1=3×105N·m-1，k2=3×106N·m-1，k3=3 ×107N·m-1，k4=3 ×108N·m-1，k5=3 ×109N·m-1，k6=3×1010N·m-1(k1～k6的值根據(jù)擋塊與主梁間常見填充物剛度范圍選取).擋塊所受最大碰撞力［1］如圖4，5所示.圖4為20 m簡支T梁擋塊間隙變剛度最大碰撞力(c=2×107N·s/m).圖5為20 m簡支空心板梁擋塊間隙變剛度最大碰撞力(c=2×107N·s/m).

圖5 擋塊在Hollywood Storage P.E波下所受最大撞擊力Fig.5 Stop in Hollywood Storage P.E wave under themaximum im pact force

2 鋼筋混凝土擋塊模擬分析

依據(jù)擋塊的實際使用情況、使用尺寸及受力特點，對擋塊進(jìn)行單獨受力分析，擋塊混凝土采用C30，縱向長均為1.20 m，橫截面及配筋圖如圖6所示，縱向采用 HRB335的 φ20、φ25鋼筋、箍筋為R235的φ8鋼筋.計算中采用混凝土開裂應(yīng)變?yōu)?7με，R235鋼筋屈服為1 119 με，HRB335鋼筋屈服為1 675με.應(yīng)用ANSYS結(jié)構(gòu)軟件進(jìn)行建模，其中混凝土單元用Solid65單元模擬，鋼筋用link8單元模擬，采用鋼筋與混凝土分離的建模方式，擋塊與蓋梁接觸截面采用固結(jié).

圖6 擋塊橫截面圖Fig.6 Figure block in cross section

經(jīng)計算分析，擋塊混凝土開裂破壞時受力特性見表1所示.擋塊破壞狀態(tài)見圖7、擋塊荷載與變形關(guān)系見圖8所示.

表1 混凝土開裂破壞時擋塊受力特性Tab.1 Stop for concrete cracking destruction mechanical characteristics

由圖8分析可知:①3種形式擋塊中小箱梁對應(yīng)的擋塊較其他兩種能承受更大的碰撞力.②擋塊變形均由下向上逐漸增大，其最大位置均位于擋塊頂部.③擋塊最早的開裂位置均位于擋塊與蓋梁相交處.④3種形式擋塊荷載與變形均遵循鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)則，小箱梁對應(yīng)的擋塊形式收斂性能更為突出.

3 抗震性能評價

(1)3種截面形式簡支梁，其擋塊所承受的最大碰撞力均隨地震動加速度峰值的增大而增大，基本呈線性增加.

(2)若梁的橫向不設(shè)限位擋塊，為防止地震中橫向落梁發(fā)生，抗震等級越高，梁端與墩臺頂帽端部需預(yù)留的橫向距離越大.

(3)擋塊所受最大碰撞力均隨接觸剛度的減小而減小，接觸阻尼越大，減小的效果越顯著.

(4)在現(xiàn)行設(shè)計中擋塊與梁之間一般采用兩種方式設(shè)計，其一是擋塊與梁之間留有10～50 mm間隙，中間大部分填塞橡膠塊(相當(dāng)于間隙剛度k=3×108N·m-1)、個別填塞木塊(相當(dāng)于間隙剛度k=3×109N·m-1)，空心板梁和T梁多采用這種方法設(shè)計;其二是擋塊與梁之間密貼(相當(dāng)于間隙剛度k=3×1010N·m-1)，部分小箱梁采用這種方法設(shè)計.筆者分析可知，這兩種設(shè)計方式在抗震設(shè)防烈度≥6度時擋塊均已破壞，可見目前所采用的鋼筋混凝土擋塊抗震性能很低.

4 結(jié)論

擋塊與梁間填塞剛度較大的物質(zhì)不能起到防撞效果;若填塞剛度較小的物質(zhì)，在運營時梁體又易產(chǎn)生橫向移動.擋塊與梁間填塞橡膠塊時應(yīng)增大支座阻尼或結(jié)構(gòu)阻尼，既限制梁體在運營中的橫向移動又減小擋塊在地震中的破壞.由于現(xiàn)行設(shè)計的蓋梁端部鋼筋混凝土擋塊抗震性能很低，建議采用大阻尼抗震型支座以減小橫向撞擊力，或采用其他防落梁設(shè)施取代鋼筋混凝土擋塊.

［1］ 邵妍.橋梁橫向限位裝置抗震性能評價［D］.西安:長安大學(xué)公路學(xué)院，2010.

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［10］重慶交通科研設(shè)計院.JTG/TB02-01—2008，公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則［S］.北京:人民交通出版社.