汶川地震簡支梁橋橋墩及主梁震害機理分析

肖 旭 紅

(中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司，北京 100088)

0 引 言

橋梁震害機理研究是聯(lián)系震害調(diào)查和抗震對策的紐帶，是將震害調(diào)查結(jié)果轉(zhuǎn)化為實用技術(shù)的重要技術(shù)環(huán)節(jié)，是推動橋梁抗震技術(shù)進步的理論動力。開展震害機理研究不僅在理論上揭示了橋梁震害本質(zhì)，也為橋梁抗震對策提供了理論基礎(chǔ)。

簡支梁橋是公路橋梁的重要橋型，其跨度雖然不大，但量大面廣。汶川地震后不少學(xué)者對汶川地震中的簡支梁橋震害進行了研究。劉健新，等[1]介紹了映秀順河橋等簡支梁橋的震害情況，并對原因進行了初步分析，認為強梁弱柱效應(yīng)、箍筋配筋率低也是導(dǎo)致橋梁損毀的重要因素；李曙平，等[2]結(jié)合S105線的震害調(diào)查結(jié)果分析了簡支梁橋震害原因，認為橋梁的斷層距較近、支座破壞是導(dǎo)致橋梁震害的重要原因；莊衛(wèi)林，范立礎(chǔ)，等[3-4]對汶川地震中的橋梁震害進行歸納和總結(jié)，對簡支梁橋震害原因進行了定性分析，指出支座破壞是導(dǎo)致主梁移位的主要原因。李鴻晶，等[5]依據(jù)數(shù)10座橋梁的震害，歸納了汶川地震中的橋梁震害特點，但未對原因進行分析。

從上述研究可以看出，目前對簡支梁橋震害機理的研究多局限在定性研究和“簡析”的層面，缺乏必要計算和試驗驗證，使得研究結(jié)果有較大的經(jīng)驗性，不夠深入、系統(tǒng)，而且由于所依據(jù)的震害調(diào)查資料不同，對震害原因的認識也存在較大分歧。這些研究成果雖然有一定參考價值，但對橋梁抗震技術(shù)的推動作用是有限的，筆者依據(jù)文獻[6]歸納的簡支梁橋震害特點，采用振動臺試驗和數(shù)值模擬分析的方法，揭示了橋墩震害和主梁移位機理，在此基礎(chǔ)上提出了基于主梁-支座相對滑移的抗震構(gòu)造。

1 汶川地震中簡支梁橋的構(gòu)造及震害特點

汶川地震后交通部對公路橋梁震害進行了系統(tǒng)調(diào)查，共調(diào)查橋梁2 057座，其中在地震實際烈度為Ⅶ～Ⅺ度的地區(qū)的簡支梁橋共958座。調(diào)查表明，汶川地震中的簡支梁橋主梁的截面形式一般有T型梁、I型梁、空心板、實心板、小箱梁等，跨度在10～50 m間，3～5跨主梁通過橋面連續(xù)連接成一聯(lián)。支座形式主要有板式橡膠支座、墊層支座兩種，墊層支座一般用于跨度不超過10 m的小橋。

橋墩形式主要有鋼筋混凝土圓形截面排架墩、鋼筋混凝土矩形空心墩、鋼筋混凝土實心矩形墩和圬工墩4種，其中以圓形截面排架墩最為普遍，矩形截面空心墩主要用于高度超過25 m的情況，圬工墩主要用于修建年代較早的橋梁。

板式橡膠支座和橋面連續(xù)的普遍使用,是汶川地震中簡支梁橋構(gòu)造上的顯著特點。

陳樂生[6]依據(jù)地震實際烈度Ⅶ～Ⅺ區(qū)內(nèi)958座簡支梁橋震害統(tǒng)計結(jié)果，歸納出汶川地震簡支梁橋的主要震害特征為：支座震害多、橋墩震害少；主梁移位多、落梁少。統(tǒng)計表明，在實際烈度Ⅶ度及以上區(qū)域，支座的破壞率為16.6%，而橋墩破壞率僅為0.76%；主梁移位率達19.5%，但處于運營狀態(tài)的橋梁僅7跨落梁，占橋跨總數(shù)(3 298跨)的0.2%。上述特點與國內(nèi)外其他地震中簡支梁橋的表現(xiàn)明顯不同[6]。

2 板式橡膠支座的作用

支座是連接橋梁上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)的構(gòu)件，上部結(jié)構(gòu)的地震作用通過支座傳遞至橋墩，汶川地震中的簡支梁橋普遍使用板式橡膠支座，在支座構(gòu)造上與國內(nèi)外其他地震中的簡支梁橋有明顯區(qū)別[6]。要解釋主梁移位率高、橋墩破壞少的原因，需從板式橡膠支座在地震中的作用入手。

2.1 數(shù)值模擬分析

數(shù)值模擬分析選取了都汶高速公路上的6座橋梁進行動力增量分析(IDA分析)，計算中考慮了橋面連續(xù)的影響。主梁、橋墩均采用彈性梁單元模擬，板式橡膠支座采用狀態(tài)非線性彈簧單元模擬，以庫侖摩擦模型建立力-變形關(guān)系，滑動端接觸點上的臨界水平力Fcr與豎向力之間的關(guān)系可用式(1)表達，滯回模型如圖1。

Fcr=μN

(1)

式中：μ為摩擦面的摩擦系數(shù)；N為支座豎向力。

圖1 支座滯回模型Fig.1 Hysteresis loop of bearing

在進行地震非線性地震反應(yīng)分析時，任意時刻支座受到的水平力為F。當(dāng)F

計算模型在伸縮縫處考慮了主梁與橋臺、主梁與主梁間的碰撞，碰撞采用Kelvin模型模擬。Kelvin模型由一個間隙單元串聯(lián)一組并聯(lián)的彈簧單元和阻尼單元而成，彈簧剛度模擬橋梁碰撞時實際的法向接觸剛度，阻尼模擬碰撞過程中能量的損失。碰撞剛度及碰撞阻尼按文獻[7]的方法計算，這里不再贅述。碰撞間隙為伸縮縫寬度為6 cm。

地震輸入采用汶川地震綿竹清平臺三分量地震波[8]，同時考慮了水平向和豎向地震動的作用，地震動峰值加速度分別以0.1g為步長從0.1g增大至0.8g。

限于篇幅，這里僅給出了某3×(5×20 m)+6 ×20 m(模型1)和某3×(3 ×40 m)(模型2)簡支梁橋的模型如圖2。典型橋墩墩底順橋向彎矩及對應(yīng)的支座水平剪力隨地震動峰值加速度的變化情況如圖3。

圖2 計算模型示意(單位：m)

圖3 簡支梁橋墩彎矩和支座水平剪力隨加速度的變化Fig.3 Pier bend moment and bearing shear varying with PGA

由于計算模型中主梁、橋墩采用的是彈性梁單元，由線彈性理論可知，隨著地震加速度的增加，橋墩的內(nèi)力響應(yīng)應(yīng)成正比增大。但從圖3(a)、圖3(b)來看，墩底的彎矩響應(yīng)并不滿足這一規(guī)律。

橋墩的內(nèi)力響應(yīng)包括上部結(jié)構(gòu)的作用和橋墩(含蓋梁)振動兩個部分，僅就橋墩自身振動而言，理論上應(yīng)隨地震動加速度成正比增大。但主梁與橋墩是通過板式橡膠支座的摩擦力連接的，主梁振動傳遞至橋墩的水平力小于或等于支座與主梁間的摩擦力，一旦摩擦力破壞，主梁水平地震力即不再增加；從圖3(d)中給出的20、40 m跨度橋梁支座水平剪力隨地震動加速度的變化情況可以看出，在0.5～0.6g時支座摩擦力即遭到破壞，此后支座的水平剪力增加很?。粡膱D3(c)也可看出，在地震動加速度峰值為0.6g時，在進入強地震動段不久，支座即已屈服。由于支座的屈服，使得上部結(jié)構(gòu)的地震作用不能全部傳遞至橋墩，減小了橋墩的地震響應(yīng)，從而保護了橋墩。

2.2 振動臺試驗及結(jié)果分析

為進一步揭示板式橡膠支座簡支梁橋的震害機理，選取了縱向移位嚴重，橋墩震害較輕的壽江大橋為原型進行振動臺試驗。該橋結(jié)構(gòu)的震害主要集中在主梁移位，支座破壞等方面，是汶川地震中典型的橡膠支座簡支梁橋的震害。

試驗?zāi)Ｐ团c原型按照相似比原則進行縮尺，各量綱采用的相似比例如表1。根據(jù)模型比例設(shè)計了模擬上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量的質(zhì)量塊、板式橡膠支座、下部結(jié)構(gòu)支承。測試的內(nèi)容包括上部結(jié)構(gòu)位移、支座位移、傳遞至下部結(jié)構(gòu)的三向力，考察的因素包括主要為下部結(jié)構(gòu)剛度的影響。為此設(shè)計了兩個試驗?zāi)Ｐ?，模型A〔圖4(a)〕為下部結(jié)構(gòu)剛度較大的情況(無鋼立柱)、模型B〔圖4(b)〕為下部結(jié)構(gòu)剛度較小的情況(以鋼立柱模擬)。

表1 試驗?zāi)Ｐ拖嗨票?/p>

圖4 振動臺試驗?zāi)Ｐ虵ig.4 Test model of earthquake table test

模型A、B均進行了6個工況的試驗，輸入的機理為汶川地震綿竹清平臺N/S分量，采用水平輸入，加速度峰值分7級由0.3g逐步增大至1.2g，限于篇幅，在圖5、圖6僅分別給出了模型A、B在加速度峰值為1.2g時的上部質(zhì)量塊加速度時程、支座位移時程、支座剪力與位移曲線。

由圖5、圖6可以看出，地震波水平向輸入時，模型A質(zhì)量塊的最大加速度反應(yīng)僅為臺面地震波PGA的30%左右，模型B質(zhì)量塊的加速度時程也僅為臺面地震波PGA的25%左右，證實了采用橡膠支座起到了有效的隔振作用，減小了上部結(jié)構(gòu)的地震作用，從而保護了橋墩。

從圖5、圖6中還可以看出，一旦梁體與橡膠支座間產(chǎn)生滑動，梁體位移迅速增加，因此板式橡膠支座的隔震作用是以支座的破壞和主梁位移失去限制為代價的，這一點從上文中主梁移位率與支座破壞率基本相同也可得到證實。由此可以解釋為什么汶川地震中出現(xiàn)了大量的主梁移位現(xiàn)象。

圖5 模型A臺面加速度1.22 g時主要結(jié)果Fig.5 Main test result of model A when PGA is 1.22g

圖6 模型B臺面加速度1.20 g時的主要結(jié)果Fig.6 Main test result of model B when PGA is 1.20g

數(shù)值模擬和振動臺試驗的結(jié)果均表明，由于主梁與支座間產(chǎn)生了滑動，釋放了上部結(jié)構(gòu)的地震作用，減小了橋墩的地震內(nèi)力響應(yīng)，保護了橋墩，因此在汶川地震中沒有出現(xiàn)其他地震中大量橋墩破壞的現(xiàn)象。

3 主梁位移分析

主梁與支座的相對滑移雖然減小了橋墩的地震響應(yīng)，但增大墩梁相對位移，增加了落梁風(fēng)險。震害調(diào)查表明，汶川地震中并沒有出現(xiàn)大量的落梁。這一現(xiàn)象仍需從簡支梁橋的構(gòu)造進行分析。

3.1 橋面連續(xù)的影響

汶川地震前橋面連續(xù)一般僅作為減少伸縮縫、提高行車舒適性的構(gòu)造，其抗震作用并未被認識。為考察橋面連續(xù)的影響，在模型1的基礎(chǔ)上進一步構(gòu)造了各跨均設(shè)置伸縮縫的模型(模型3)，這也是國外簡支梁橋的常用形式。圖7、圖8分別給出了模型1和模型3的最大縱向墩梁相對位移。

圖7 0.7～0.8 g 時模型1墩梁相對位移Fig.7 Relative displacement between girder and pier when PGA is 0.7g to 0.8g

圖8 模型3縱向墩梁相對位移Fig.8 Longitudinal relative displacement between girder and pier of model 3

從圖7可以看出，采用橋面連續(xù)時，在伸縮縫處各聯(lián)主梁的縱向位移均有一定差異，但在一聯(lián)內(nèi)主梁的位移卻是基本相同的，這表明橋面連續(xù)將一聯(lián)內(nèi)的各跨主梁聯(lián)接為整體，在水平地震荷載作用下，各聯(lián)是整體受力的。從圖8還可看出，各跨間均設(shè)伸縮縫時，墩梁相對位移的規(guī)律與有橋面連續(xù)時明顯不同。不僅隨加速度的增加，墩梁相對位移增加很快，而且相對位移大、規(guī)律性不強，局部存在墩梁相對位移很大的橋跨。其原因在于：①伸縮縫的存在給主梁位移提供了空間，每經(jīng)過一道伸縮縫，墩梁相對位移即有較為明顯的增大；②由于伸縮縫數(shù)量多，主梁間存在復(fù)雜的碰撞過程，主梁間的碰撞也會增大墩梁相對位移。

由上述分析可以看出，橋面連續(xù)是重要的抗震措施，其作用有二：①減少了伸縮縫的數(shù)量，減小了主梁位移的空間，也減少了主梁碰撞的出現(xiàn)；②橋面連續(xù)起到了連梁裝置的作用，協(xié)調(diào)了各跨的位移，從而有效減小主梁的最大位移。連梁裝置的作用在唐山地震等其他地震中均已得到驗證[9]，也是規(guī)范中推薦采用防落梁裝置。汶川地震中簡支梁雖未主動設(shè)置連梁裝置，但客觀上，橋面連續(xù)起到了連梁裝置的作用。

3.2 橋臺的影響

從圖7、圖8還可以看出，右端主梁的縱向位移均在6 cm左右，這與伸縮縫的寬度基本相等，這表明，橋臺對主梁的縱向位移有較好的約束作用。圖9給出的模型1主梁與橋臺的碰撞力時程，由圖9可見在18～27 s間，主梁與橋臺發(fā)生了多次碰撞，并在26.54 s時產(chǎn)生最大碰撞力，達-554.3 kN，橋臺對主梁的縱向位移施加了約束，正是這一約束，有效控制了主梁的縱向位移，減小了落梁風(fēng)險。

圖9 模型1主梁與橋臺墩碰撞力時程(0.8 g)Fig.9 Time history of collision force between girder and abutment (PGA=0.8 g)

反之，若橋臺背墻破壞，將使橋臺對主梁位移的約束大為減弱，從而導(dǎo)致落梁，汶川地震中出現(xiàn)縱向落梁的橋梁多伴有橋臺破壞的情況，如虹口高原橋(圖10)、湔江河大橋[6]等。可以看出，橋臺是約束主梁縱向位移的重要部件。

圖10 虹口高原橋落梁Fig.10 Gaoyuan Bridge’s girder fell in Hongkou town

正是由于橋面連續(xù)協(xié)調(diào)了各跨主梁的位移，橋臺限制了主梁位移，汶川地震中雖然主梁移位的橋梁數(shù)量較多，但落梁的情況并不多見。

4 討 論

板式橡膠支座早在1970年就已在我國得到應(yīng)用，是目前我國簡支梁橋的主要支座形式。汶川地震中，簡支梁橋表現(xiàn)良好，統(tǒng)計表明，在Ⅶ～Ⅺ度地震烈度區(qū)內(nèi)，出現(xiàn)嚴重震害和失效的簡支梁橋共34座，占總數(shù)的3.4%。在實際烈度為Ⅶ度的區(qū)域內(nèi)，最嚴重的破壞程度為中等破壞，失效的橋梁均出現(xiàn)在Ⅹ，Ⅺ度地震烈度區(qū)，總數(shù)為5座[6]?？梢哉f，板式橡膠簡支梁的良好表現(xiàn)超出了預(yù)期。

板式橡膠支座有一定隔震作用在唐山地震時已有一定認識，但當(dāng)時認為主梁與支座間易發(fā)生滑動、過大的剪切變形易導(dǎo)致支座翻滾，增大了落梁風(fēng)險[9]。從汶川地震中簡支梁橋的表現(xiàn)和上文的分析可以看出，這一認識有一定的合理性，但卻僅注意到了支座力學(xué)特性自身的缺點，沒有認識到在地震中，簡支梁橋的主梁、橋墩、支座、橋臺、橋面連續(xù)已構(gòu)成了一個完整的抗震系統(tǒng)。支座釋放了主梁的地震作用，橋面連續(xù)協(xié)調(diào)了一聯(lián)內(nèi)的主梁位移，起到了聯(lián)梁裝置的作用，橋臺有效的約束了主梁的縱向位移；整個抗震系統(tǒng)的共同作用既減小了橋墩的地震內(nèi)力響應(yīng)又有效控制了主梁位移，減小了落梁風(fēng)險?？梢钥闯?，只要構(gòu)造合理，板式橡膠支座簡支梁橋具有良好的抗震性能。

基于支座滑移的抗震系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)的延性抗震系統(tǒng)，前者允許支座破壞以釋放上部結(jié)構(gòu)的地震作用，從而減少橋墩破壞風(fēng)險；后者不允許支座破壞，上部結(jié)構(gòu)地震作用通過支座傳遞至橋墩，允許橋墩出現(xiàn)有限破壞。只要支座破壞后主梁的位移不失去控制，不引發(fā)落梁風(fēng)險，前者在震后修復(fù)的代價顯然小于后者，而且從震害調(diào)查的結(jié)果來看，就我國常用的簡支梁構(gòu)造來說，支座的破壞條件更容易滿足。當(dāng)然基于支座滑移抗震系統(tǒng)的研究目前僅處于起步階段，僅提出了其物理模型，力學(xué)模型的建立，尤其是支座狀態(tài)非線性的模擬、梁-橋臺碰撞的模擬、主梁間碰撞的模擬是這一系統(tǒng)得以實現(xiàn)的基礎(chǔ)，支座破壞后的容許位移及限位措施、主梁防落梁措施及其計算方法也是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，這些均有待于進一步研究。

5 結(jié) 語

通過計算分析和振動臺試驗，揭示了主梁與支座間的相對滑動釋放了主梁的地震作用是汶川地震中簡支梁橋橋墩震害少的主要原因；橋面連續(xù)協(xié)調(diào)了一聯(lián)內(nèi)主梁位移，起到了聯(lián)梁裝置的作用，橋臺約束了主梁的縱向位移，是汶川地震中落梁少的主要原因。簡支梁橋的主梁、橋墩、支座、橋臺、橋面連續(xù)構(gòu)成了一個完整的抗震系統(tǒng)，彌補了板式橡膠支座對主梁位移約束過弱的缺點，在釋放主梁地震作用的同時，減小了落梁風(fēng)險，事實上形成了一種新型簡支梁橋抗震體系。

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