X形鋼擋塊橫向約束程度對(duì)公路橋梁抗震性能的影響

王秋懿 譚文明 馬明娟

X形鋼擋塊橫向約束程度對(duì)公路橋梁抗震性能的影響

王秋懿 譚文明*馬明娟

（云南功東高速建設(shè)指揮部，昆明 654100）

為了探究X形鋼擋塊橫向約束程度對(duì)公路橋梁抗震性能的影響，對(duì)某實(shí)際大跨連續(xù)公路橋梁分別在無(wú)擋塊約束、擋塊彈塑性約束以及完全固接約束工況下的結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)進(jìn)行了彈塑性時(shí)程分析。分析結(jié)果表明：隨著橫向擋塊約束程度的增加，結(jié)構(gòu)各關(guān)鍵截面內(nèi)力增加，支座位移減??；合理考慮X形鋼墊塊的彈塑性約束作用能夠使結(jié)構(gòu)橫向地震響應(yīng)分布更加均勻，提升結(jié)構(gòu)整體耗能能力。

X形鋼擋塊， 公路橋梁， 彈塑性時(shí)程分析， 抗震性能

0 引 言

我國(guó)公路橋梁多采用擱置型橡膠支座，在橫向地震作用下，支座位置處產(chǎn)生滑移會(huì)導(dǎo)致主梁與橫向擋塊之間產(chǎn)生較大的相互作用力［1］。盡管合理的相互作用力可以防止主梁脫落，但過(guò)強(qiáng)的橫向約束可能會(huì)增大結(jié)構(gòu)底部的地震作用，造成設(shè)計(jì)的不安全。此外，我國(guó)現(xiàn)行的橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中缺乏橫向擋塊的力學(xué)性能設(shè)計(jì)，更缺少相關(guān)考慮擋塊影響的抗震設(shè)計(jì)要求，這對(duì)公路橋梁的抗震設(shè)計(jì)帶來(lái)了一定的潛在隱患［2］。

現(xiàn)使用普遍的橫向擋塊主要分為鋼筋混凝土擋塊與鋼擋塊兩種。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，鋼筋混凝土擋塊的力學(xué)性能主要受縱筋配筋率及位置［3-4］、拉結(jié)鋼筋位置［5-6］以及混凝土強(qiáng)度［7］等參數(shù)影響，且主要發(fā)生剪切或彎曲破壞。鋼擋塊形式多樣，主要包括X形鋼擋塊、H形鋼擋塊以及工字鋼擋塊等，且主要發(fā)生鋼材屈服的破壞模式［8］。由于混凝土裂縫的開(kāi)展與鋼筋的屈服，鋼筋混凝土擋塊屈服后常呈現(xiàn)剛度退化的特征，而鋼擋塊則充分發(fā)揮了鋼材的塑性特征，其耗能能力更優(yōu)，且屈服后延性較好。

合理考慮延性擋塊的約束作用對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)具有重要意義。莊鑫等［9］對(duì)某采用種X形鋼擋塊梁式橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行了彈性反應(yīng)譜分析與彈塑性時(shí)程分析，研究結(jié)果表明，與完全固結(jié)或無(wú)擋塊約束的分析結(jié)果相比，X形鋼擋塊使橋梁的橫向地震作用分布更加合理，且隨X形鋼擋塊剛度增加，結(jié)構(gòu)墩底內(nèi)力響應(yīng)增大；王克海等［10］結(jié)合汶川地震中不同橋梁的抗震表現(xiàn)提出，通過(guò)使橋梁內(nèi)外擋塊優(yōu)先屈服能夠耗散大量的地震能量，以此可實(shí)現(xiàn)“多道設(shè)防，分級(jí)耗能”的抗震理念；項(xiàng)乃亮等［11］分別對(duì)采用摩擦性擋塊與常規(guī)混凝土擋塊的某橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了抗震對(duì)比分析，分析結(jié)果表明，通過(guò)發(fā)揮摩擦擋塊優(yōu)異的耗能能力，結(jié)構(gòu)的抗震性能得到了明顯的提升，但過(guò)強(qiáng)的擋塊約束會(huì)增大下部結(jié)構(gòu)的地震荷載。

本文旨在探討X形鋼擋塊橫向約束程度對(duì)公路橋梁橫向抗震性能的影響，分別對(duì)無(wú)擋塊橫向約束、有X形鋼擋塊約束與完全固接約束的某橋梁案例進(jìn)行了彈塑性時(shí)程分析，對(duì)比了三種約束情況下的地震響應(yīng)，相關(guān)結(jié)果可為公路橋梁工程的抗震設(shè)計(jì)提供一定參考。

1 橋梁案例簡(jiǎn)介

某兩聯(lián)大跨連續(xù)橋立面圖如圖1（a）所示，其跨徑布置為（3×25+4×25） m，采用混凝土T型連續(xù)梁，梁高1.7 m；橋墩采用雙柱式橋墩，墩柱直徑1.8 m，墩下樁徑2 m；采用高阻尼橡膠支座，每個(gè)橋臺(tái)及橋墩處均采用5個(gè)HDR（I）-d570×217-G1.0圓形高阻尼隔震橡膠支座，高阻尼橡膠支座的屈前剛度為52 350 kN（每個(gè)支座為10 470 kN/m，共5個(gè)支座），屈服力y為615 kN（每個(gè)支座123 kN，共5個(gè)支座）；橋梁截面細(xì)部構(gòu)造如圖1（b）所示。

2 分析模型

采用SAP2000有限元分析軟件，建立動(dòng)力空間計(jì)算模型（圖2）。計(jì)算模型以順橋向?yàn)檩S，橫橋向?yàn)檩S，豎向?yàn)檩S。主梁、墩柱均采用空間梁?jiǎn)卧M，單樁上每隔1 m施加一個(gè)土彈簧考慮樁土共同作用，彈簧剛度根據(jù)土層性質(zhì)根據(jù)m法確定。

在彈塑性時(shí)程分析當(dāng)中，采用非線性彈簧單元模擬高阻尼橡膠支座與擋塊。高阻尼橡膠支座的彈塑性力學(xué)模型如圖3所示，其屈服承載力、初始剛度、屈服后剛度均按照《公路橋梁高阻尼隔震橡膠支座》（JT/T 842—2012）［12］取值。X形鋼擋塊的彈塑性力學(xué)模型如圖3所示，其屈服力取相應(yīng)恒載反力的8%，每墩取320 kN，屈服位移為0.02 m，屈服前后剛度比為0.03。

3 地震荷載與工況條件

3.1　地震荷載

該橋梁所處地區(qū)地震動(dòng)加速度為0.4，屬于地震烈度9度區(qū)，按《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T B02-01—2008）［13］中的規(guī)定劃分為A類橋梁。圖4與圖5分別給出了當(dāng)?shù)卦馐蹺1（50年超越概率10%，考慮結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)0.5）或E2（50年超越概率2.5%）地震作用時(shí)的地震動(dòng)加速度時(shí)程曲線，分析最終結(jié)果取每組三條地震動(dòng)加速度輸入結(jié)果包絡(luò)值。

3.2　工況條件

本文分別設(shè)計(jì)了三種工況，具體為：

（1） 工況1假設(shè)混凝土擋塊足夠弱，不考慮混凝土擋塊的橫向約束效應(yīng)，考慮板式橡膠支座、滑板支座與梁底支間的滑動(dòng)效應(yīng)；

（2） 工況2在工況1基礎(chǔ)上，考慮X形鋼擋塊的彈塑性約束作用；

（3） 工況3在工況1的基礎(chǔ)上，認(rèn)為擋塊約束為完全固接。

主橋相應(yīng)的性能目標(biāo)確定為：遭受E1地震作用時(shí)，主橋橋墩、過(guò)渡墩以及各橋墩樁基礎(chǔ)基本不發(fā)生損傷或不需要修復(fù)可繼續(xù)使用；遭受E2地震作用時(shí)，應(yīng)保證不致倒塌或產(chǎn)生嚴(yán)重結(jié)構(gòu)損傷，經(jīng)加固修復(fù)后仍可繼續(xù)使用。

4 分析結(jié)果

4.1　E1地震作用

在E1橫向地震作用輸入下，各橋墩關(guān)鍵截面地震響應(yīng)見(jiàn)圖6（a）～6（b），樁基礎(chǔ)最不利單樁地震響應(yīng)見(jiàn)圖6（c），及支座位移情況如圖6（d）。

4.2　E2地震作用

在E2橫向地震作用輸入下，各橋墩關(guān)鍵截面地震響應(yīng)見(jiàn)圖7（a）、（b），樁基礎(chǔ)最不利單樁地震響應(yīng)見(jiàn)圖7（c），及支座位移情況見(jiàn)圖7（d）。

圖7　E2橫向地震作用下分析結(jié)果

由圖6與圖7可知，在遭受相當(dāng)于基本烈度的E1橫向地震荷載或相當(dāng)于罕遇烈度的E2橫向地震荷載時(shí)，與不考慮X形鋼擋塊約束的工況1相比，考慮X形鋼檔塊彈塑性約束工況2模型各支座位移有一定的減小，且各橋墩關(guān)鍵截面及樁基最不利截面處各內(nèi)力值均有所增大；考慮橫向固接的工況3模型與工況2模型相比較，各橋墩關(guān)鍵截面內(nèi)力及單樁的最不利反力均有大幅增加。這是因?yàn)殡S著橫向約束的增強(qiáng)，結(jié)構(gòu)整體剛度上升，結(jié)構(gòu)底部所受地震荷載增加。此外，相較于工況1模型，工況2模型各橋墩內(nèi)力分布更加均勻，且在保持內(nèi)力增長(zhǎng)幅度不大的同時(shí)支座處仍具有一定的位移，這反映了X形鋼擋塊的存在能夠使結(jié)構(gòu)橫向地震響應(yīng)分布更加合理，且對(duì)結(jié)構(gòu)整體耗能能力有一定提升作用。

5 結(jié) 論

本文分別對(duì)無(wú)擋塊橫向約束、有X形鋼擋塊約束與完全固接約束的某橋梁案例進(jìn)行了彈塑性時(shí)程分析，對(duì)比了三種約束條件下結(jié)構(gòu)的抗震性能，主要結(jié)論如下：

（1） 隨著模型中考慮X形鋼擋塊約束程度的增加，結(jié)構(gòu)各關(guān)鍵截面內(nèi)力增加，支座位移減小。

（2） 采用X形鋼擋塊橫向約束能夠使結(jié)構(gòu)橫向地震響應(yīng)分布更加合理，有助于避免結(jié)構(gòu)薄弱區(qū)域的產(chǎn)生。

（3） 擋塊約束為完全固接約束相比較，通過(guò)引入X形鋼擋塊，利用X形鋼擋塊的彈塑性變形，可以減小橋墩所受地震力。

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Influence of the Lateral Restraint Degree of X-Shaped Steel Block on the Seismic Performance of Highway Bridge

WANGQiuyi TANWenming*MAMingjuan

（Yunnan Gongdong Expressway Construction Headquarter， Kunming 654100， China）

To evaluate the influence of the lateral restraint degree of X-shaped steel block on the seismic performance of highway bridge， the elasto-plastic time history analysis was carried out on the seismic response of a real long-span continuous highway bridge under the conditions of no restraint， elasto-plastic restraint and fully fixed restraint，respectively.The results show that the structure internal forces increase and the support displacement decrease when strengthening the restraint degree of the steel block. By considering the elasto-plastic restraint of the X-shaped steel block， the lateral seismic response distribution of the structure become more uniform， and the energy dissipation capacity of the structure is improved.

X-shaped steel block， highway bridge， elasto-plastic time history analysis， seismic performance

2021-08-11

王秋懿，男，正高級(jí)工程師，主要研究領(lǐng)域?yàn)闃蛄菏┕づc設(shè)計(jì)。E-mail： 951549901@qq.com

聯(lián)系作者：譚文明，男，高級(jí)工程師，主要研究領(lǐng)域?yàn)闃蛄悍较?。E-mail： 55534555@qq.com