地震作用下先簡(jiǎn)支后橋面連續(xù)梁橋支座損傷分析

劉 聰

(天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津 300051)

地震作用下先簡(jiǎn)支后橋面連續(xù)梁橋支座損傷分析

劉 聰

(天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津 300051)

先簡(jiǎn)支后橋面連續(xù)梁橋是我國(guó)當(dāng)前大量應(yīng)用的一種橋梁結(jié)構(gòu)形式?，F(xiàn)采用Sap2000有限元軟件建立了梁橋的非線性動(dòng)力模型；根據(jù)支座損傷指標(biāo)，采用IDA方法進(jìn)行梁橋支座的損傷分析。計(jì)算結(jié)果表明，連接墩支座損傷比中間墩支座損傷要大，且場(chǎng)地越軟弱越容易發(fā)生支座破壞，建議對(duì)于三四類場(chǎng)地加大支承長(zhǎng)度。

先簡(jiǎn)支后橋面連續(xù)；支座損傷；IDA；場(chǎng)地

0 引言

目前我國(guó)城市高架道路及高速公路上的橋梁結(jié)構(gòu)，20～50 m 的中等跨徑的先簡(jiǎn)支后連續(xù)梁式橋占有舉足輕重的地位。該種橋梁在汶川大地震中受到嚴(yán)重破壞，距震中較近的213國(guó)道和都汶高速上橋梁震害最為典型和嚴(yán)重。廟子坪大橋引橋采用先簡(jiǎn)支后橋面連續(xù)的結(jié)構(gòu)形式，跨度為50 m，汶川地震中由于梁、墩相對(duì)位移過大，引橋第5跨伸縮縫處墩梁相對(duì)位移大于搭接長(zhǎng)度，造成引橋落梁[1]。

我國(guó)現(xiàn)有的大約二十萬座公路橋梁有相當(dāng)部分位于地震多發(fā)地帶，嚴(yán)峻的地震形勢(shì)讓我們有理由為這些橋梁的抗震性能擔(dān)憂。地震荷載作為一種隨機(jī)荷載，具有不可預(yù)見性[2]。針對(duì)墩高10 m的典型中等跨度的橋面連續(xù)簡(jiǎn)支梁橋采用能力與需求比的方法對(duì)其支座破壞過程進(jìn)行分析，從而得出支座在不同地震強(qiáng)度下的破壞情況。這項(xiàng)工作既可服務(wù)于現(xiàn)有梁橋的抗震加固[3]，又可以為這類體系梁橋的抗震設(shè)計(jì)提供必要的參考。

1 模型的建立

選取具有代表性的某座典型先簡(jiǎn)支后橋面連續(xù)梁橋進(jìn)行支座損傷分析。橋型布置為4×25 m+4×25 m+4×25 m先簡(jiǎn)支后橋面連續(xù)，其中第二聯(lián)作為分析聯(lián)，對(duì)應(yīng)的橋墩號(hào)為4-8號(hào)，其余兩聯(lián)作為邊界聯(lián)使用，4號(hào)和8號(hào)墩為連接墩，聯(lián)與聯(lián)之間的伸縮縫采用D80伸縮縫，采用雙柱式橋墩。主梁采用小箱梁，橋?qū)?6.85 m，橋型布置如圖1所示。

圖1 典型先簡(jiǎn)支后橋面連續(xù)梁橋橋型布置圖(單位：cm)

一般情況下，在建立模型時(shí)主要考慮橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力模型能夠真實(shí)反映結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，所以，必須真實(shí)地模擬橋梁結(jié)構(gòu)的剛度和質(zhì)量以及阻尼的分布，也就是要真實(shí)描述各構(gòu)件的幾何和材料特性以及構(gòu)件的邊界連接條件。主梁的設(shè)計(jì)主要由運(yùn)營(yíng)荷載控制，地震作用下一般不發(fā)生自身震害，而抗震設(shè)計(jì)一般也希望上部結(jié)構(gòu)基本保持彈性，因此，建模分析時(shí)不采用比較復(fù)雜的三維實(shí)體單元或板單元，而是采用能夠反映上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量分布和剛度特征的簡(jiǎn)化的梁?jiǎn)卧M[2]。

通常橋墩也可以離散為空間的梁?jiǎn)卧?，只是單元的劃分要恰?dāng)，橋墩的剛度取有效剛度即橋墩截面開裂后剛度。為了考慮板式橡膠支座和梁底或者墩頂?shù)幕瑒?dòng)效應(yīng)[4]，板式橡膠支座用雙線性模擬,Fm為滑動(dòng)支座水平方向的滑動(dòng)臨界力,K為支座的初始剪切剛度，如圖2所示。將各單樁分為若干個(gè)單元，從上到下前20 m每1 m一個(gè)單元，之后每2 m一個(gè)單元，將這段樁基對(duì)應(yīng)的兩個(gè)水平方向彈簧加在該單元的中心點(diǎn)，樁底固結(jié)。

2 地震動(dòng)輸入

為了對(duì)典型梁橋進(jìn)行抗震性能評(píng)估，從太平洋地震工程中心選取二類和三類場(chǎng)地波各8條，地震波信息如表1所示。

表1 地震動(dòng)信息

3 支座損傷指標(biāo)的建立

主梁與支座間的相對(duì)位移越大，支座就越容易發(fā)生脫空，從而造成支座破壞甚至落梁。所以采用墩梁相對(duì)位移作為研究對(duì)象，考察支座在實(shí)際地震中的損傷程度。圖3為聯(lián)與聯(lián)連接處墩梁搭接構(gòu)造示意圖。

圖2 滑動(dòng)支座水平力和位移模型 圖3 墩梁縱向搭接構(gòu)造示意圖

以地震過程中墩、梁相對(duì)位移Δd作為支座的損傷指標(biāo)。如圖3所示，d1為支座一側(cè)邊緣與支承鋼板邊緣的距離，d2為支座中心線與支承鋼板邊緣的距離，d3為主梁邊緣與支座邊緣的距離，而d0為支座能承受的最大容許變形或者是橡膠支座與墩梁間無滑動(dòng)的最大變形。

(1)若地震過程中墩、梁相對(duì)位移Δd≤d0，表示支座的位移小于最大容許變形并且小于橡膠支座與墩梁間無滑動(dòng)的臨界變形。支座處于正常工作范圍內(nèi)，支座無損傷。

(2)當(dāng)主梁與橋墩產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的位移d0<Δd≤d0+d1時(shí)，表明支座產(chǎn)生了滑動(dòng)，震后支座可能殘留較大的剪切變形，定義此時(shí)支座受輕微損傷。

(3)當(dāng)主梁與橋墩相對(duì)運(yùn)動(dòng)的位移d0+d1<Δd≤d0+d2時(shí)，表明支座滑動(dòng)超過了支承鋼板邊緣，處于部分脫空狀態(tài)，定義此時(shí)支座為中等損傷。

(4)當(dāng)主梁與橋墩相對(duì)運(yùn)動(dòng)的位移Δd>d0+d2時(shí)，表明支座與支承鋼板間的支承面寬度小于支座寬度的一半，如果繼續(xù)產(chǎn)生相對(duì)位移，將對(duì)支座造成嚴(yán)重?fù)p傷，以致支座將處于完全脫空狀態(tài)，定義此時(shí)支座為嚴(yán)重?fù)p傷。

(5)當(dāng)主梁與橋墩相對(duì)運(yùn)動(dòng)的位移Δd>d0+d3時(shí)，支座完全脫空。

采用的是GYZ D400×99 mm[5]，橡膠層總厚度7.1 cm，因此橡膠支座的允許變形為7.1 cm；支座變形達(dá)到5.8 cm時(shí)，支座與主梁之間開始滑動(dòng)(不考慮橫橋向擋塊的影響)，所以d0取5.8 cm。其中橫橋向d1=10 cm，d2=30 cm，d3=50 cm；縱橋向d1=6 cm，d2=26 cm，d3=46 cm。表2為橡膠支座損傷指標(biāo)和損傷等級(jí)關(guān)系。

表2 橡膠支座損傷指標(biāo)和損傷等級(jí)關(guān)系 cm

4 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)已經(jīng)建立的模型和選取的地震波，通過增量動(dòng)力分析(簡(jiǎn)稱 IDA，Increamental Dynamic Analysis)方法[6]，分析支座的破壞。將四類場(chǎng)地的八條地震動(dòng)記錄分別調(diào)整到同一峰值加速度(PGA)，然后遞增式地調(diào)整地震峰值加速度，并針對(duì)每一強(qiáng)度的八條地震動(dòng)記錄進(jìn)行一次非線性動(dòng)力時(shí)程分析，計(jì)算結(jié)果取平均值。

由于該橋4-8號(hào)墩，墩高基本一致，所以地震響應(yīng)也比較相似，尤其是5-7號(hào)墩的響應(yīng)基本相同；只是連接墩4號(hào)和8號(hào)墩的結(jié)果同中間墩有一定的差異。因此本文中僅列出6號(hào)和8號(hào)墩的結(jié)果進(jìn)行分析，該結(jié)果已經(jīng)能夠反映整個(gè)橋的最不利結(jié)果。

4.1 二類場(chǎng)地分析結(jié)果

通過圖4，可知6號(hào)墩支座縱橋向損傷：(1)當(dāng)PGA < 0.5g時(shí)，支座無損傷；(2)當(dāng)0.5g≤PGA < 0.8g時(shí)，支座輕微損傷；(3)當(dāng)0.8g≤PGA時(shí)，支座中等損傷。

8號(hào)墩支座縱橋向損傷：(1)當(dāng)PGA < 0.4g時(shí)支座無損傷；(2)當(dāng)0.4g≤PGA < 0.8g時(shí)，支座滑動(dòng)，支座輕微損傷；(3)當(dāng)0.8g≤PGA時(shí)，支座中等損傷。

通過圖5，可知6號(hào)墩支座橫橋向損傷：(1)當(dāng)PGA < 0.3g時(shí)支座無損傷；(2)當(dāng)0.3g≤PGA < 0.7g時(shí)，支座輕微損傷；(3)當(dāng)0.7g≤PGA時(shí)，支座中等損傷。

8號(hào)墩支座橫橋向損傷和6號(hào)墩相同。

圖4 6號(hào)墩和8號(hào)墩支座縱橋向損傷 圖5 6號(hào)墩和8號(hào)墩支座橫橋向損傷

4.2 三類場(chǎng)地分析結(jié)果

通過圖6，可知6號(hào)墩支座縱橋向損傷：(1)當(dāng)PGA < 0.3g時(shí)，支座無損傷；(2)當(dāng)0.3g≤PGA < 0.4g時(shí)，支座滑動(dòng)，支座輕微損傷；(3)當(dāng)0.4g≤PGA< 0.6g時(shí)，支座中等損傷；(4)當(dāng)0.6g≤PGA< 0.9g時(shí)，支座嚴(yán)重?fù)p傷；(5)當(dāng)0.9g≤PGA時(shí)，發(fā)生落梁。

8號(hào)墩支座縱橋向損傷和6號(hào)墩相同。

通過圖7，可知6號(hào)墩支座橫橋向損傷：(1)當(dāng)PGA < 0.2g時(shí)，支座無損傷；(2)當(dāng)0.2g≤PGA < 0.4g時(shí)，支座輕微損傷；(3)當(dāng)0.4g≤PGA< 0.7g時(shí)，支座中等損傷；(4)當(dāng)0.7g≤PGA< 1.0g時(shí)，支座嚴(yán)重?fù)p傷；(5)當(dāng)1.0g≤PGA時(shí)，發(fā)生落梁。

8號(hào)墩支座橫橋向損傷和6號(hào)墩相同。

圖6 6號(hào)墩和8號(hào)墩支座縱橋向損傷 圖7 6號(hào)墩和8號(hào)墩支座橫橋向損傷

4.3 分析結(jié)果總結(jié)

墩梁相對(duì)位移正方向和負(fù)方向數(shù)據(jù)非對(duì)稱分布，體現(xiàn)了地震作用的隨機(jī)性，但是實(shí)際情況下，正方向和負(fù)方向都有可能，因此按照兩者中最大值采用。

將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行總結(jié)，得到表3?？傮w上隨著地震動(dòng)峰值加速度的增加，支座的損傷也越來越大。對(duì)于二類場(chǎng)地，首先發(fā)生的是橫橋向支座損傷，其次縱是橋向；對(duì)于三類場(chǎng)地首先發(fā)生的也是橫橋向支座損傷，其次是縱橋向；而且三類場(chǎng)地在PGA達(dá)到0.2g時(shí)已經(jīng)發(fā)生損傷，比二類場(chǎng)地要早，而且最后發(fā)生落梁破壞，不過首先發(fā)生的縱橋向的落梁破壞。其中8號(hào)支座縱橋向早于6號(hào)支座發(fā)生損傷，其他情況下兩者趨同。

表3 橋梁各構(gòu)件在不同PGA作用下?lián)p傷情況

5 結(jié)論與建議

建立典型先簡(jiǎn)支后橋面連續(xù)梁橋模型，分析其在二類和三類場(chǎng)地不同PGA作用下支座的損傷，得到以下結(jié)論：

(1)二類場(chǎng)地作用下在PGA達(dá)到1.0g時(shí)，支座產(chǎn)生中等損傷；而三類場(chǎng)地作用下PGA達(dá)到1.0g，落梁破壞?？梢娙悎?chǎng)地相對(duì)于二類場(chǎng)地要更加不利。

(2)支座橫橋向損傷要大于縱橋向損傷，但是最終落梁更容易發(fā)生在順橋向。

(3)同一聯(lián)內(nèi)，中間墩和連接墩支座的損傷在二類場(chǎng)地地震波下縱橋向有一定差別，但是差別不大。三類場(chǎng)地地震波作用下兩者基本一致。

(4)對(duì)于一二類場(chǎng)地，橋梁發(fā)生落梁破壞的可能性較小，可以采用矩形支座，防止橫橋向支座損傷過大；而對(duì)于三四類場(chǎng)地，橋梁發(fā)生落梁破壞的可能性較大，需要設(shè)置較長(zhǎng)的支撐長(zhǎng)度，防止落梁破壞。

[1]范立礎(chǔ),李建中.汶川橋梁震害分析與抗震設(shè)計(jì)對(duì)策[J].公路，2009(5)：122-128.

[2]范立礎(chǔ)．橋梁抗震[M]．上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,1997.

[3]王軍文,楊濤,艾慶華.圓柱式節(jié)段空心墩抗震加固方式研究[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2013,26(1):1-7.

[4]范立礎(chǔ),聶利英,李建中.地震作用下板式橡膠支座滑動(dòng)的動(dòng)力性能分析[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào),2003(4)：31-36.

[5]中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院.JT/T 4—2004 公路橋梁板式橡膠支座[S].北京：人民交通出版社,2004.

[6]Dimitrios Vamvatsikos C,Allin Cornell.Incremental dynamic analysis[J]. Earthquake Engineering and Structural Dynamics,2002, 31(3): 491-514.

(責(zé)任編輯 車軒玉)

Bearing Damage Process Analysis ofSimply-Supported Bridges with Continuous Slab-decks

Liu Cong

(Tianjin Municipal Engineering Design Institute,Tianjin 300051,China)

The simply-supported bridge with continuous slab-decks is widely used at present as a form of bridge structure. This paper establishes the nonlinear bridge dynamic model by Sap2000 finite element software. According to the bearing damage criterion, IDA analysis method is adopted for the bridge bearing damage process analysis. The calculation results show that the connection pier bearing damage is bigger than the middle pier bearing damage, and weaker is the site, more prone is the bridge to bearing damage. It is suggested that bearing length should be increased for bridge piers at Class Three or Four sites.

simply-supported bridges with continuous slab-decks；bearing damage criterion；IDA；site

10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2014.03.02

2013-11-29

劉聰 男 1987年出生 助理工程師

U448.21

A

2095-0373(2014)03-0008-05