采用預(yù)壓限位擋塊的連續(xù)梁橋抗震性能研究

鄭萬山，謝皓宇，劉懷林 ，高文軍

(1.橋梁工程結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400067；2.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶 400067)

我國是一個(gè)多地震國家，1976年唐山地震和2008年汶川地震給我國人民生命財(cái)產(chǎn)安全及經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成重大損失。公路交通既是震后救援的主通道，也是極其重要的生命線。公路損毀使震中區(qū)與外界的交通運(yùn)輸生命線完全中斷，救援人員及物資不能及時(shí)到達(dá)，給震后應(yīng)急救援工作帶來了極大困難[1-2]。交通干線的橋梁是咽喉要道，一旦震塌或破壞，則會(huì)中斷交通，短期無法恢復(fù)，延誤生命救援時(shí)間。調(diào)研大量震害現(xiàn)象表明，橋梁遭遇強(qiáng)烈地震后主要震害為橋墩彎曲或剪切破壞、上部結(jié)構(gòu)位移過大而落梁、支座超出承載能力而破壞等[3-7]。目前，我國高烈度區(qū)的中小跨徑橋梁主要采用減隔震支座或加裝阻尼器的方式進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)[8-9]。減隔震裝置不僅利用其柔性結(jié)構(gòu)延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)周期以減小地震力，還利用它的耗能來控制因結(jié)構(gòu)周期延長(zhǎng)而引起的位移[10]。常用的減隔震裝置有鉛芯橡膠支座、高阻尼橡膠支座等，這些橡膠制品在大氣環(huán)境中易老化，其耐久性能使用壽命遠(yuǎn)低于橋梁混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命，且大量使用減隔震裝置的成本較高，對(duì)量大面廣的中小橋梁建設(shè)會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)壓力。為此，本文提出一種預(yù)壓限位擋塊與滑板支座組合的中小橋梁抗震體系，以提高橋梁減隔震耐久性能，大幅降低建設(shè)和運(yùn)營(yíng)成本。

1 預(yù)壓限位擋塊概念及計(jì)算模型

對(duì)于中小跨徑的連續(xù)梁橋，通常在交接墩頂設(shè)置聚四氟乙烯滑板支座，而在中墩墩頂設(shè)置普通板式橡膠支座。在遭遇強(qiáng)烈地震作用時(shí)，普通板式支座與梁體或墊石之間可能會(huì)產(chǎn)生滑移破壞，并因墩梁相對(duì)位移過大而失去控制，若超出預(yù)留搭接長(zhǎng)度則造成落梁破壞。為避免上部結(jié)構(gòu)落梁，在蓋梁頂布置橫橋向和順橋向的抗震擋塊來限制墩梁的相對(duì)位移。大量震害表明，單純依靠混凝土擋塊來限制墩梁相對(duì)位移較為困難，并且梁體與擋塊之間的強(qiáng)烈碰撞力會(huì)傳遞到橋墩，造成橋墩破壞。

為解決普通板式支座抗震的缺陷，將連續(xù)梁橋支座全部更換為滑板支座，并在蓋梁與梁體之間安裝預(yù)壓限位擋塊。其原理是事先對(duì)彈性體(螺旋彈簧等)施加一個(gè)預(yù)壓力Fy后固定，然后將其安裝在蓋梁與梁體之間。遭遇地震作用時(shí)，梁體的慣性會(huì)對(duì)該擋塊施加壓力，若該力小于預(yù)壓力，則墩梁之間無相對(duì)位移，可認(rèn)為墩梁固結(jié)；若該力大于預(yù)壓力，則墩梁之間會(huì)產(chǎn)生相對(duì)滑移dy，此時(shí)墩梁之間相當(dāng)于安裝一個(gè)柔性彈簧，瞬間降低橋梁水平剛度，達(dá)到減小地震響應(yīng)的目的。該擋塊的力學(xué)模型如圖1所示，在合理設(shè)置預(yù)壓力情況下，擋塊能夠控制墩梁之間的相對(duì)位移，減小橋墩地震內(nèi)力。

圖1 預(yù)壓限位擋塊力學(xué)模型

2 工程概況

以1座常見的一聯(lián)4跨40 m T梁為研究對(duì)象，其橋型布置如圖2所示。下部結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土圓形雙柱墩。1號(hào)和3號(hào)橋墩墩高10 m，2號(hào)橋墩墩高20 m，橋墩直徑2.0 m，材料為C40混凝土。上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，橫向橋設(shè)置5榀，材料為C50混凝土。每個(gè)橋墩墩頂設(shè)置10個(gè)GJZ4000×450×84板式橡膠支座，兩端橋臺(tái)各設(shè)置5個(gè)GJZF4400×450×86滑板橡膠支座。

單位：cm

3 有限元模型

橋墩和上部結(jié)構(gòu)采用梁?jiǎn)卧M，混凝土材料密度2 500 kg/m3，主梁彈性模量3.45×104MPa，橋墩彈性模量3.25×104MPa，泊松比0.2。單個(gè)普通板式橡膠支座水平剛度3.6×103kN/m，滑板支座在模型中采用釋放水平自由度模擬，即不考慮滑板支座摩擦力對(duì)抗震有利的影響因素。

因采用非線性分析，故選取3條天然地震波(El_centro波、Taft波和天津波)進(jìn)行模擬分析，地震波最大幅值統(tǒng)一調(diào)整為0.15g，模擬Ⅶ度區(qū)地震作用。調(diào)幅后的El_centro波和Taft波如圖3所示。計(jì)算結(jié)果取3條地震波最大值。由于模型為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，因此結(jié)構(gòu)阻尼比取0.05[11]。計(jì)算阻尼比采用瑞雷阻尼[12-15]，并根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)第1階和第20階自振頻率確定瑞雷阻尼系數(shù)，其計(jì)算公式如下：

(a)El_centro波

(1)

(2)

式中：ω1為橋梁結(jié)構(gòu)第1階模態(tài)圓頻率；ω2為橋梁結(jié)構(gòu)第20階模態(tài)圓頻率；ξ為橋梁結(jié)構(gòu)阻尼比；α和β為瑞利阻尼系數(shù)。

4 采用預(yù)壓限位擋塊的連續(xù)梁橋抗震性能

為了對(duì)比分析采用預(yù)壓限位擋塊后連續(xù)梁橋的抗震性能，對(duì)4種模型進(jìn)行了數(shù)值模擬。各個(gè)模型選用的支座類型和預(yù)壓限位擋塊參數(shù)見表1。限于篇幅，僅分析Taft波作用下的縱橋向減震效果，橫橋向還是采用傳統(tǒng)的混凝土擋塊來抵抗上部結(jié)構(gòu)的橫向地震響應(yīng)。

表1 分析模型參數(shù)

采用板式橡膠支座的連續(xù)梁橋在不考慮橋墩材料非線性情況下，其體系屬于線彈性結(jié)構(gòu)。模型1在Taft地震波作用下，其主梁位移和邊墩墩底彎矩如圖4所示。由圖4可知，主梁縱橋向最大地震位移為6.25 cm，邊墩墩底最大彎矩為1.69×107N·m。

(a)梁體縱向位移

采用預(yù)壓限位擋塊的連續(xù)梁橋在不考慮橋墩材料非線性情況下，其體系屬于非線彈性結(jié)構(gòu)。由于預(yù)壓限位擋塊等效水平剛度與其受力密切相關(guān)，當(dāng)其水平力小于預(yù)壓力時(shí)，其剛度較大，此時(shí)整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)的水平剛度也較大。當(dāng)遭遇的地震作用較強(qiáng)時(shí)，擋塊承受的水平力大于預(yù)壓力，擋塊剛度迅速變小，橋梁結(jié)構(gòu)的整體水平剛度也隨之變小，可有效降低地震響應(yīng)。模型2在Taft地震波作用下，其主梁位移和邊墩墩底彎矩如圖5所示。由圖5可知，主梁縱橋向最大地震位移為8.80 cm，邊墩墩底最大彎矩為1.65×106N·m。與模型1相比，其主梁縱向位移有所增大，而邊墩墩底彎矩則較大幅度降低，并且時(shí)程曲線也呈現(xiàn)不同的特點(diǎn)。

(a)主梁縱向位移

模型3、模型4在Taft波激勵(lì)下梁體縱向位移時(shí)程曲線如圖6所示。從圖5(a)、圖6可以看出，隨著預(yù)壓限位擋塊預(yù)壓力的不斷增加，橋梁梁體的縱向位移呈現(xiàn)不同頻率特性的響應(yīng)規(guī)律，模型2到模型3再到模型4響應(yīng)的頻率越來越高，能夠直觀判斷結(jié)構(gòu)的水平等效剛度也在逐漸增加。

(a)模型3

4種橋梁模型分別在3條地震波作用下的地震波最大值統(tǒng)計(jì)見表2，各模型2號(hào)墩、1號(hào)墩墩底最大地震彎矩對(duì)比如圖7所示，各模型2號(hào)墩、1號(hào)墩墩底最大地震剪力對(duì)比如圖8所示。

表2 4種橋梁模型分別在3條地震波作用下的地震波最大值

(a)1號(hào)墩

(a)1號(hào)墩

由表2和圖7、圖8可以看出，在采用預(yù)壓限位擋塊后，1號(hào)橋墩和2號(hào)橋墩的墩底地震彎矩和剪力大幅下降，其中模型2的地震內(nèi)力最小。隨著預(yù)壓限位擋塊預(yù)壓力的逐漸增大，1號(hào)和2號(hào)橋墩墩底的地震內(nèi)力(彎矩和剪力)也逐漸增大。從1號(hào)和2號(hào)橋墩地震內(nèi)力可以得出如下結(jié)論：預(yù)壓限位擋塊對(duì)不同高度橋墩均具有減震作用。

各模型梁體最大縱向位移對(duì)比如圖9所示。由圖9可以看出，除模型3的主梁縱橋向位移比模型1小外，模型2和模型4的主梁縱向位移均比模型1大。說明通過優(yōu)化預(yù)壓限位擋塊的預(yù)壓力能夠顯著減小橋梁主梁的地震位移。對(duì)于采用預(yù)壓限位擋塊的橋梁結(jié)構(gòu)，如果預(yù)壓力調(diào)整過大或者過小，則上部結(jié)構(gòu)的縱橋向位移有可能大于采用普通橡膠支座結(jié)構(gòu)的縱橋向位移。

圖9 各模型梁體最大縱向位移對(duì)比

各模型1號(hào)墩、2號(hào)墩墩頂最大縱向位移對(duì)比如圖10所示。由圖10可以看出，采用預(yù)壓限位擋塊后，1號(hào)和2號(hào)橋墩的墩頂縱向位移大幅下降，其中模型2橋墩的墩頂位移最小，其原因與前述一致。

(a)1號(hào)墩

綜上所述，隨著擋塊預(yù)壓力的增大，則橋梁的地震內(nèi)力和位移也隨著增大。這是由于安裝預(yù)壓限位擋塊橋梁結(jié)構(gòu)的水平等效剛度與預(yù)壓力直接相關(guān)，采用小的預(yù)壓力可使結(jié)構(gòu)變?nèi)?，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的自振周期，減小地震響應(yīng)。而設(shè)置較大預(yù)壓力的結(jié)構(gòu)剛度較大，隨之自振頻率也較之變大，這會(huì)增大地震響應(yīng)。

5 結(jié)論

本文針對(duì)常見的中小跨徑連續(xù)梁橋，提出一種簡(jiǎn)單有效的抗震結(jié)構(gòu)體系，即采用滑板橡膠支座和預(yù)壓限位擋塊組合的橋梁結(jié)構(gòu)體系，通過研究，主要認(rèn)識(shí)如下：

1)該體系構(gòu)造簡(jiǎn)單、耐久性強(qiáng)，并且通過合理調(diào)整擋塊參數(shù)能夠達(dá)到減小地震響應(yīng)的作用。

2)采用預(yù)壓限位擋塊和滑板橡膠支座組合減震系統(tǒng)后，通過系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化，可有效減小連續(xù)梁橋的地震位移和地震內(nèi)力，提高橋梁的抗震性能。

3)隨著預(yù)壓限位擋塊的預(yù)壓力增大，該橋梁結(jié)構(gòu)的等效水平剛度也逐漸增大，其地震響應(yīng)也會(huì)隨之增大。

4)預(yù)壓限位擋塊可采用鋼結(jié)構(gòu)制作，該結(jié)構(gòu)體系的耐久性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)橡膠減隔震支座系統(tǒng)，抗震性能的溫度穩(wěn)定性也優(yōu)于傳統(tǒng)系統(tǒng)。