采用拉索模數(shù)伸縮縫的連續(xù)梁橋地震響應(yīng)

郭軍軍，黨新志，袁萬城，徐 變

(1.同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200092；2.江西省交通設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司， 江西 南昌 330002)

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采用拉索模數(shù)伸縮縫的連續(xù)梁橋地震響應(yīng)

郭軍軍1，黨新志1，袁萬城1，徐 變2

(1.同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200092；2.江西省交通設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司， 江西 南昌 330002)

針對多跨連續(xù)梁橋在地震作用下發(fā)生的落梁和碰撞等震害，采用了拉索模數(shù)伸縮縫限位裝置。對拉索模數(shù)伸縮縫的工作原理及其有限元模擬進(jìn)行了簡單的介紹；以一座典型的三聯(lián)連續(xù)梁橋?yàn)楸尘?，建立了該橋有限元模型；分析了不同場地、烈度條件下該橋3種體系的地震響應(yīng)：聯(lián)間相對位移、墩梁相對位移和墩底剪力。結(jié)果表明：在不同場地、烈度下，拉索模數(shù)伸縮縫能有效限制聯(lián)間梁體的相對位移，避免碰撞發(fā)生；同時，將拉索模數(shù)伸縮縫與拉索支座結(jié)合的體系不僅能夠限制聯(lián)間和墩梁相對位移，而且使地震力在各個墩的分布更加均勻，真正實(shí)現(xiàn)了力與位移的完美協(xié)調(diào)。

拉索模數(shù)伸縮縫； 不同場地、烈度； 連續(xù)梁橋； 地震響應(yīng).

近二十年來發(fā)生的幾次大地震使橋梁結(jié)構(gòu)遭到了嚴(yán)重破壞，大量震害分析表明：在地震作用下，由于相鄰聯(lián)間動力特性差異及行波效應(yīng)影響等，會引起相鄰梁體的非一致振動，從而導(dǎo)致落梁、碰撞以及支座、伸縮縫的破壞。1989年美國洛馬·普里埃塔地震(Loma Prieta Earthquake，M7.0)中[1],舊金山—奧克蘭海灣大橋引橋中的一跨由于相鄰橋墩間相對位移超過了設(shè)計(jì)值而引起連接螺栓剪斷，且梁體與墩之間的支承面過于狹窄，從而導(dǎo)致了落梁發(fā)生。2008年汶川地震中廟子坪大橋的引橋第5跨(從主橋計(jì)算)發(fā)生落梁震害[1]，震害分析發(fā)現(xiàn)廟子坪大橋引橋采用板式橡膠支座，梁體與支座、支座與墊石之間無任何連接，在強(qiáng)震作用下，梁體與支座墊石間相對位移超過支座墊石支承寬度，從而導(dǎo)致落梁震害發(fā)生。

基于對梁體碰撞和落梁等震害的反思，國內(nèi)外學(xué)者對此展開了廣泛而深入的研究。

Jankowski等[2,3]對多跨連續(xù)梁橋相鄰聯(lián)由于行波效應(yīng)引發(fā)的碰撞進(jìn)行了研究，結(jié)果表明不同間隙下的碰撞效應(yīng)相差很大，在間隙中放置橡膠緩沖器及用拉索將相鄰聯(lián)連接起來可有效降低地震下梁體的碰撞震害。DesRoches[4]提出了基于線性模型的鉸限位器，考慮了相鄰框架之間不同步的動力特性，并采用超過26條不同地震動記錄進(jìn)行參數(shù)分析，結(jié)果表明該鉸限位器具有很好的限位能力。

國內(nèi)學(xué)者張華、李建中等[5]提出了不同伸縮縫位置處相應(yīng)的纜索限位器設(shè)計(jì)方法，根據(jù)位置不同將拉索限位器分為3類并采用三種不同的簡化分析模型進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明該限位器能夠有效防止落梁，但同時會增加過渡墩的墩底內(nèi)力。朱文正、劉健新[6]闡述了各國對防落梁裝置的規(guī)定，并對國內(nèi)防落梁系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用提出了建議。

然而各國學(xué)者的研究大多集中在連接裝置的設(shè)計(jì)荷載以及不同連接裝置的抗震效果對比上。雖然考慮了相鄰聯(lián)之間的碰撞，但由于碰撞問題的復(fù)雜性，連接裝置的剛度取值一直沒有定論。且在考慮梁體碰撞時，認(rèn)為伸縮縫已發(fā)生破壞。本文在以上研究的基礎(chǔ)上，以一座常見的三聯(lián)連續(xù)梁橋?yàn)榛A(chǔ)，建立了該橋3種體系下的三維有限元模型。研究不同場地、設(shè)防烈度條件下該橋3種體系的地震響應(yīng)。

1 拉索模數(shù)伸縮縫

1.1 工作原理

拉索模數(shù)伸縮縫是在傳統(tǒng)模數(shù)伸縮縫裝置的基礎(chǔ)上，用貫穿的拉索組件將支承箱體與支承橫梁連接起來(圖1)。拉索給以一定的自由程，以滿足正常使用狀況下溫度變化、車輛沖擊等對伸縮位移的要求。

圖1 拉索模數(shù)伸縮縫示意

拉索模數(shù)伸縮縫的工作原理為：當(dāng)相鄰聯(lián)的梁體相互靠近，且梁體之間的相對位移超過拉索自由程，拉索被拉緊進(jìn)而阻止梁體的進(jìn)一步靠近，從而避免了相鄰聯(lián)的碰撞；當(dāng)相鄰聯(lián)的梁體互相遠(yuǎn)離，且梁體之間的相對位移超過拉索自由程，拉索開始發(fā)揮作用，限制梁間位移的進(jìn)一步擴(kuò)大，從而防止落梁震害發(fā)生。相較于傳統(tǒng)限位裝置，拉索模數(shù)伸縮縫巧妙地將伸縮縫與限位功能結(jié)合起來，簡化了限位裝置設(shè)置的工序，且地震作用下，能有效地防止碰撞和落梁等震害的發(fā)生。

1.2 有限元模擬

對于拉索模數(shù)伸縮縫裝置，其有限元模擬圖式見圖2。其中Dg為梁段初始間距；D0為拉索的自由程；Kr為拉索受拉時的剛度。

圖2 拉索模數(shù)伸縮縫有限元模擬

當(dāng)聯(lián)間相對位移超過拉索自由程時，拉索開始發(fā)揮作用，其非線性力-位移的關(guān)系為：

式中:F為拉索分擔(dān)的地震力；拉索自由程D0在本文中取為5 cm；L0為地震作用下拉索伸縮縫處相鄰梁體之間的相對位移。采用SAP2000連接單元中的多段線彈性模擬拉索的本構(gòu)關(guān)系，如圖3所示。當(dāng)相對位移L0小于自由程D0時，伸縮縫處于自由活動狀態(tài)，拉索不發(fā)揮作用；當(dāng)相對位移L0大于自由程D0時，拉索進(jìn)入工作狀態(tài)，限制伸縮縫的活動。

圖3 拉索恢復(fù)力模型

2 分析模型的建立

2.1 模型概況

某三聯(lián)連續(xù)梁橋(115 + 110+ 115 m)，設(shè)計(jì)荷載等級為公路二級，場地類別為3類，抗震設(shè)防烈度為8度。以此背景建立其SAP2000有限元模型，如圖4。上部結(jié)構(gòu)為等截面預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，梁高2 m，橋面寬26 m。鋼筋混凝土蓋梁，蓋梁高1.5 m，寬1.8 m。橋墩為雙柱框架墩，橋墩直徑1.5 m，不考慮橋臺的作用，方形承臺下設(shè)雙排鉆孔灌注樁，樁徑1.2 m。土層自上而下依次為粉質(zhì)粘土、全風(fēng)化花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖及中風(fēng)化花崗巖。P2、P5、P8為固定墩，其余墩為活動墩，設(shè)置四氟滑板式支座。聯(lián)與聯(lián)之間設(shè)置拉索模數(shù)伸縮縫。

圖4 全橋有限元模型

在該三維動力有限元模型中，梁與墩采用空間梁單元模擬(假定橋墩處于彈性狀態(tài))，盆式支座采用非線性連接單元模擬。按照J(rèn)TG D63-2007《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》，確定各層土厚度、樁計(jì)算寬度、地基土比例系數(shù)、各土層中點(diǎn)距地面的距離，計(jì)算得出樁基土彈簧6個方向剛度取值來模擬樁-土間的相互作用。

2.2 地震動輸入

根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》[7]中4種不同場地?cái)M合4條反應(yīng)譜曲線，如圖5。特征周期分別為0.35、0.45、0.65、0.9 s。然后根據(jù)4條反應(yīng)譜擬合4條時程曲線作為地震動輸入，時長均為30 s。為分析不同場地、設(shè)防烈度條件下拉索模數(shù)伸縮縫的地震響應(yīng)，將4條人工地震波最大幅值分別調(diào)為0.2g、0.4g、0.6g、0.8g。根據(jù)以往震害調(diào)查，梁體的碰撞、落梁大多發(fā)生在順橋向，故本文只考慮順橋向的輸入。

圖5 4種場地下反應(yīng)譜曲線

2.3 分析工況

為了分析拉索模數(shù)伸縮縫在不同場地、設(shè)防烈度下的地震響應(yīng)情況，分別建立了3種體系：體系1(無拉索模數(shù)伸縮縫，且支座采用普通盆式支座)、體系2(有拉索模數(shù)伸縮縫且支座采用拉索盆式支座)和體系3(有拉索模數(shù)伸縮縫，但支座采用普通盆式支座)。分析在4類場地條件下，加速度峰值為0.2g、0.4g、0.6g和0.8g時，各體系下橋梁的地震響應(yīng)(聯(lián)間相對位移、墩梁相對位移、墩底剪力)。本文不考慮聯(lián)間碰撞效應(yīng)。

體系1：過渡墩采用承載力為6000 kN盆式支座，中墩采用承載力為15500 kN盆式支座；其中P2、P5、P8為固定墩，其它為活動墩。

體系2：支座采用拉索支座[8～10](如圖6所示，拉索支座由盆式支座和拉索兩部分組成，其中K1為盆式支座的初始剛度；Fs為臨界摩擦力；μs為臨界滑動位移；K2為拉索剛度；μ0為彈性拉索的松弛度。)，本文中μs=0.003 m，μ0=0.15 m。對于承載力6000 kN支座，K1=4×104kN/m，K2=4.87×104kN/m；對于承載力為15500 kN支座，K1=1.03×105kN/m，K2=1.26×105kN/m。拉索模數(shù)伸縮縫自由程D0=0.05 m，拉索的剛度Kr=2×106kN/m。在體系2下，所有墩都采用活動支座。

體系3：伸縮縫處加入拉索模數(shù)伸縮縫，其特性值與體系二一致；支座采用體系一中的普通盆式支座。

圖6 拉索支座的恢復(fù)力模型

3 拉索模數(shù)伸縮縫參數(shù)分析

3.1 拉索伸縮縫的設(shè)置

通過對國內(nèi)類似連續(xù)梁橋伸縮縫的分析，本文選擇伸縮縫間隙為10 cm，即認(rèn)為相鄰聯(lián)間相對位移超過10 cm時就發(fā)生梁體碰撞，拉索失效。為了分析方便，本文假定伸縮縫其他部位不先于拉索破壞。通過不斷的試算，本文拉索自由程取為5 cm，滿足正常使用狀況下，溫變、行車等的要求。

3.2 聯(lián)間相對位移分析

考慮到地震動的隨機(jī)性，本文對不同場地、設(shè)防烈度下有、無拉索時相鄰聯(lián)間的相對位移進(jìn)行了分析研究。相鄰聯(lián)間相對位移減少量是衡量拉索限位效果的直觀指標(biāo)之一。如圖7、8所示，相鄰聯(lián)之間的間隙為10 cm,體系1與體系2、3相比，隨著地震動峰值加速度的增加，最大聯(lián)間相對位移幾乎成線性增加；而在體系2和體系3中，最大聯(lián)間相對位移都被限制在10 cm以內(nèi)，且其值隨地震動峰值加速度變化很小；1、4場地條件下，不同體系的最大聯(lián)間相對位移變化規(guī)律與2、3場地類似，限于篇幅不一一列出。這是由于設(shè)置了拉索模數(shù)伸縮縫后，當(dāng)聯(lián)間相對位移超過拉索自由程后，拉索開始發(fā)揮作用，且其剛度相對較大，能夠在變形較小的情況下實(shí)現(xiàn)限位。從圖7、8可以看出，體系2和體系3的最大聯(lián)間相對位移都控制在10 cm以內(nèi)，都能夠?qū)崿F(xiàn)限位從而避免梁體碰撞的發(fā)生。

圖7 場地2：不同體系下最大聯(lián)間相對位移

圖8 場地3：不同體系下最大聯(lián)間相對位移

3.3 墩梁相對位移分析

墩梁相對位移也是抗震設(shè)計(jì)中必須考慮的一個參數(shù)，過大的墩梁相對位移往往引發(fā)落梁震害的發(fā)生。圖9～12為不同體系下地震動峰值加速度與墩梁相對位移最大值關(guān)系圖，從圖中可以看出，體系1下，墩梁最大相對位移隨地震動峰值加速度的增加而增加；而對體系2和體系3，在場地1、2下，對應(yīng)的墩梁最大相對位移相差不大，而在場地4下，體系3在峰值加速度為0.8g時的墩梁最大相對位移為0.689 m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對應(yīng)體系2的0.249 m。這是由于體系2采用了拉索支座，也就是墩梁相對位移超過15 cm后，拉索支座中的拉索開始發(fā)揮作用，從而能夠?qū)⒍樟鹤畲笙鄬ξ灰葡拗圃谝粋€可接受的范圍內(nèi)；而對于體系3雖然拉索模數(shù)伸縮縫的加入有效限制了聯(lián)間相對位移，但墩梁間缺少必要的限位措施，從而在地震強(qiáng)度達(dá)到一定值后，就會導(dǎo)致墩梁間相對位移激增，從而可能引發(fā)落梁。

圖9 場地1：不同體系下墩梁相對位移

圖10 場地2：不同體系下墩梁相對位移

圖11 場地3：不同體系下墩梁相對位移

圖12 場地4：不同體系下墩梁相對位移

3.4 墩底剪力分析

限位裝置的引入往往會對墩的受力帶來一定影響。如圖13～16所示是不同場地條件下，峰值加速度為0.6g下，不同體系的過渡墩與中墩的墩底剪力圖。可以看出，體系1中，固定墩的墩底剪力值大致是過渡墩的3倍；體系2中，固定墩墩底剪力值與過渡墩相差不大；體系3中，固定墩墩底剪力值約為過渡墩的2倍。這是由于在體系1下，上部結(jié)構(gòu)傳遞給活動墩的最大剪力值僅為活動支座的最大靜摩擦力，剩余的上部結(jié)構(gòu)地震力都由固定墩承擔(dān)，所以地震強(qiáng)度越大，固定墩與過渡墩的墩底剪力就會相差越大；體系2下，所有的墩都采用拉索支座，從而在地震作用下所有墩都能夠比較均勻的分擔(dān)地震力；而在體系3下，雖然將上部結(jié)構(gòu)連為一個整體，有助于地震力向各個墩傳遞，但由于固定墩的存在，在地震動較大時，固定墩與活動墩所分擔(dān)的地震力仍有較大的差別。

圖13 場地1：0.6g下不同體系墩底剪力

圖14 場地2：0.6g下不同體系墩底剪力

圖15 場地3：0.6g下不同體系墩底剪力

圖16 場地4：0.6g下不同體系墩底剪力

從上述可得，體系2不但能夠很好的限制聯(lián)間與墩梁間相對位移，而且能夠使各個墩分擔(dān)的地震力更加均勻，從而實(shí)現(xiàn)力與位移的完美協(xié)調(diào)。

4 結(jié) 論

本文引入了拉索模數(shù)伸縮縫，并對其工作原理進(jìn)行了簡單的介紹。通過一座典型的三跨連續(xù)梁橋，計(jì)算了不同場地、烈度下3種體系的地震響應(yīng)，得到以下結(jié)論：

(1)在體系2和體系3中，不同場地、烈度條件下聯(lián)間相對位移隨峰值加速度的增加線性增長，且對峰值加速度不敏感。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，最大聯(lián)間相對位移為7.9 cm，小于界限值10 cm，而沒有采用拉索模數(shù)伸縮縫的體系1，最大聯(lián)間相對位移為55.8 cm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于界限值。這說明拉索模數(shù)伸縮縫具有良好的聯(lián)間限位能力，能夠有效避免強(qiáng)震下相鄰聯(lián)的碰撞。

(2)體系2中由于采用拉索支座，從而當(dāng)墩梁間相對位移超過拉索的自由程后，能夠有效的限制墩梁間相對位移，其最大墩梁相對位移為24.9 cm；而體系3由于沒有采用拉索支座，其最大墩梁相對位移為68.9 cm。這說明采用拉索模數(shù)伸縮縫與拉索支座的結(jié)合體系能夠很好限制墩梁間相對位移。

(3)體系2由于采用拉索支座，在地震動較小時能夠使支座自由滑動，當(dāng)?shù)卣饎舆_(dá)到一定量值后，拉索開始發(fā)揮作用，各個墩的支座協(xié)同抵抗地震力，從而使得地震下各個墩均勻地承擔(dān)地震力。

(4)將拉索模數(shù)伸縮縫與拉索支座結(jié)合而成的體系2，有效地限制了聯(lián)間和墩梁間相對位移，且使得地震力在各個墩的分布更加均勻，真正實(shí)現(xiàn)了地震作用下橋梁力與位移的完美協(xié)調(diào)。

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Seismic Response of Continuous Beam Bridges with Cable-modulus Expansion Joints

GUOJun-jun1,DANGXin-zhi1,YUANWan-cheng1,XUBian2

(1.State Key Laboratory for Disaster Reduction in Civil Engineering of Tongji University，Shanghai 200092， China；2. Jiangxi Transportation Design Research Institute Co Ltd, Nanchang 330002， China)

The cable-modulus expansion joints are introduced to prevent the unseating and pounding of the adjacent girders of the multi-span continuous bridges subjected to strong earthquakes. Firstly, there is a brief introduction of the working principle and mechanical modeling of the device. Secondly, a 3D model of a triple continuous beam bridge was established. Lastly, the relative displacements and shear forces at the bottom of the piers under different site soil and seismic intensity were calculated respectively. The results present that the device can significantly reduce the relative displacement of the adjacent girders and prevent the pounding under different site soil and seismic intensity. What’s more, the cable bearing comprised of cables and normal bearing can not only limit the relative displacement, but also make the seismic forces attribute uniformly at each pier of the bridge, which can really realize the perfect coordination of force and displacement.

cable-modulus expansion joints; different site soil and seismic intensity; continuous beam bridges; seismic response.

2015-12-25

2016-02-26

郭軍軍(1989-)，男，陜西榆林人，碩士研究生，研究方向?yàn)闃蛄嚎拐?Email: 1432207guojunjun@#edu.cn)

國家自然科學(xué)基金(51478339；51278376；91315301)；江西省科技計(jì)劃項(xiàng)目(20151BBG70064)；土木工程防災(zāi)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金資助項(xiàng)目(SLDRCE14-B-14)

U442.5+5

A

2095-0985(2016)05-0044-05