強(qiáng)震下斜交橋地震反應(yīng)與減隔震性能分析

石 巖,裴銀海,張展宏,趙昊淼,朱明德

(蘭州理工大學(xué) 土木工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730050)

0 引言

斜交橋以其能適應(yīng)地形地物的限制和改善道路線性等特點(diǎn),在高等級(jí)公路、城市道路和立交樞紐中得到了廣泛應(yīng)用[1]。由于斜交橋主梁平面的不規(guī)則性以及支承非對(duì)稱的特點(diǎn),當(dāng)發(fā)生地震時(shí),斜交橋常常遭受破壞,在歷次發(fā)生的大地震中,不乏斜交橋遭受破壞的例子,如Foothill Boulevard立交橋橋墩嚴(yán)重破壞和Gavin峽谷立交橋主梁落梁[2-3],以及我國2008年汶川地震后,都汶2級(jí)公路中77.8%的斜交橋遭受了嚴(yán)重的破壞,而正交橋遭受中等破壞所占的比重僅有39.5%[4]。因此,斜交橋的抗震研究一直備受關(guān)注[5-9]。

為了揭示斜交橋的震害機(jī)理,國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)斜交橋做了大量的研究：盧明奇等[10]把不同斜度的斜交橋梁作為研究對(duì)象,深入探究其在地震時(shí)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng),認(rèn)為產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)位移現(xiàn)象的主要原因是主梁與橋臺(tái)之間存在一定的碰撞;王軍文等[11]對(duì)三跨斜交橋的橋面旋轉(zhuǎn)機(jī)理以及斜度與橋面旋轉(zhuǎn)之間的關(guān)系進(jìn)行了深入探究,發(fā)現(xiàn)橋面旋轉(zhuǎn)主要是縱向碰撞導(dǎo)致的,而對(duì)于橫向碰撞而言,則對(duì)橋面旋轉(zhuǎn)有一定的抑制作用;WANG等[12]研究了在遠(yuǎn)場和近斷層地震動(dòng)作用下,地震動(dòng)入射角對(duì)采用屈曲約束支撐加固的斜交橋地震反應(yīng)的影響,發(fā)現(xiàn)斜交橋梁對(duì)入射角的敏感性較低,且屈曲約束支撐能進(jìn)一步降低地震動(dòng)入射效應(yīng);沈賢等[13]通過研究板式橡膠支座的摩擦滑移效應(yīng)與支座的動(dòng)摩擦系數(shù)、局部脫空等參數(shù)對(duì)斜交橋地震反應(yīng)的影響,得到了考慮摩擦滑移會(huì)導(dǎo)致斜交橋橋面位移和轉(zhuǎn)角增大、支座剪切剛度增大可以減小橋面位移和轉(zhuǎn)角等結(jié)論;MALLICK等[14]探討了雙向地震動(dòng)作用下考慮非線性土結(jié)構(gòu)相互作用時(shí),斜交角對(duì)整個(gè)橋梁系統(tǒng)地震反應(yīng)的影響,認(rèn)為在地震作用下橋面系的旋轉(zhuǎn)會(huì)導(dǎo)致主梁發(fā)生較大位移,且橋墩的剪力和彎矩對(duì)斜度的影響敏感,斜度會(huì)同時(shí)增大橋墩剪力和彎矩的需求。雖然斜交橋的震害機(jī)理已得到廣泛關(guān)注,但對(duì)斜交橋的減隔震措施以及減隔震技術(shù)對(duì)斜交橋地震反應(yīng)的影響等問題的研究尚缺乏。

由于減隔震技術(shù)可以有效降低地震對(duì)結(jié)構(gòu)造成的損傷,故在橋梁和建筑結(jié)構(gòu)中得以廣泛應(yīng)用[15]。鉛芯橡膠支座支座(LRB)是常見的隔震裝置之一,因其良好的隔震性能,許多學(xué)者將其應(yīng)用在橋梁抗震研究中。其中：陳水生等[16]研究了LRB參數(shù)選擇和硬化比對(duì)斜拉橋地震響應(yīng)的影響,結(jié)果表明采用單指標(biāo)分析可以有效選擇LRB參數(shù),支座硬化比對(duì)斜拉橋地震響應(yīng)的影響較小;YI等[17]對(duì)采用LRB隔震的兩跨簡支梁橋模型進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)LRB可以有效保護(hù)簡支梁橋;陳之健等[18]將由上部荷載引起的支座反力作為LRB選擇的考慮因素,得到了連續(xù)梁橋LRB豎向承載力與支座反力的最佳比例。

此外,我國的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)雖已取得長足進(jìn)步,但還存在較大發(fā)展空間,特別是西部地區(qū),這些區(qū)域板塊構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈,致使近年來發(fā)生的破壞性地震主要集中在此,再加上斷層帶廣泛分布,工程結(jié)構(gòu)臨近斷層甚至于跨斷層問題突出,近兩年發(fā)生在青海的瑪多地震和門源地震就是典型例子[19-20]。尤其是：瑪多地震中的野馬灘大橋和門源地震中的硫磺溝大橋都采用了隔震橡膠支座,但在強(qiáng)烈的近斷層地震動(dòng)下發(fā)生了落梁、梁板傾斜等嚴(yán)重破壞,所引發(fā)的抗震問題值得深思。為深入研究強(qiáng)震下斜交橋的地震反應(yīng)和LRB對(duì)斜交橋減隔震性能的影響,以一座4跨斜交連續(xù)梁橋?yàn)檠芯繉?duì)象,選擇具有不同脈沖特性的近斷層地震動(dòng)作為輸入地震動(dòng),同時(shí)選擇一遠(yuǎn)斷層地震動(dòng)作為對(duì)比,通過動(dòng)力時(shí)程分析計(jì)算傳統(tǒng)非隔震斜交橋和全橋采用LRB的隔震斜交橋的地震反應(yīng)以及損傷狀況。

1 橋梁分析模型及地震動(dòng)的選擇

1.1 橋梁概況與分析模型

本文的研究對(duì)象為一座4×25 m的斜交連續(xù)梁橋,如圖1所示。該橋上部結(jié)構(gòu)由4片等截面小箱梁拼接而成,下部結(jié)構(gòu)選用雙柱式排架墩的結(jié)構(gòu)形式,核心混凝土和保護(hù)層混凝土均采用C30混凝土,縱筋和箍筋均采用HRB335型鋼筋。上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)由4個(gè)支座進(jìn)行連接,橋墩采用直徑1.5 m的圓形截面,設(shè)置8 m和12 m兩種不同的高度,其中兩邊墩高度相等均為8 m。

圖1 橋梁結(jié)構(gòu)總體布置圖(單位：m)Fig. 1 Longitudinal and transverse view of the bridge(Unit：m)

利用OpenSees程序創(chuàng)建與研究對(duì)象對(duì)應(yīng)的有限元?jiǎng)恿Ψ治瞿Ｐ?如圖2所示。橋梁上部結(jié)構(gòu)的4片小箱梁均通過Elastic-Beam Column單元進(jìn)行模擬,各箱梁之間通過長為5m的剛性橫梁模擬連接成整體。模型支座部分,板式橡膠支座和鉛芯橡膠支座分別通過Flat Slider Bearing單元和Elastomeric-Bearing Plasticity單元進(jìn)行模擬。下部結(jié)構(gòu)的橋墩通過纖維模型的Disp Beam-Column單元進(jìn)行模擬?；炷梁弯摻罘謩e采用concrete04材料和steel02材料模擬。主梁與橋臺(tái)的碰撞作用通過在箱梁與橋臺(tái)間設(shè)置的接觸單元來考慮[1],接觸單元通過考慮碰撞過程能量損失的Hertz-damp模型進(jìn)行模擬[21]。當(dāng)主梁與橋臺(tái)的相對(duì)位移大于設(shè)定的初始間隙0.05m時(shí),主梁將與橋臺(tái)發(fā)生碰撞。

圖2 全橋有限元模型Fig. 2 Finite-element model of the prototype bridge

擋塊的力學(xué)模型參考SILVA等[22]的研究成果,參數(shù)值設(shè)置見表1。建模時(shí)通過3個(gè)非線性彈簧對(duì)擋塊進(jìn)行模擬,其中：2個(gè)并聯(lián)的非線性彈簧1和非線性彈簧2通過Hysteretic材料模型,分別對(duì)鋼筋和混凝土的剪力分配項(xiàng)進(jìn)行模擬;非線性彈簧3通過Elastic-Perfectly Plastic Gap Material材料模型和Two Node Link單元對(duì)主梁與擋塊的間隙進(jìn)行模擬。非線性彈簧1、非線性彈簧2和非線性彈簧3串聯(lián)并連接主梁和剛性梁,實(shí)現(xiàn)對(duì)主梁與擋塊之間的橫向碰撞作用的研究。全橋的阻尼通過阻尼比為5%的Rayleigh阻尼進(jìn)行模擬。此外,模型不考慮橋梁結(jié)構(gòu)樁-土相互作用和橋臺(tái)背后填土作用。

表1 鋼筋混凝土擋塊的力學(xué)模型參數(shù)值Table 1 Parameter values of mechanical model of reinforced concrete shear keys

1.2 地震動(dòng)的選取與輸入

為了研究強(qiáng)震作用下的斜交橋地震反應(yīng)特點(diǎn),本文選取了廣泛使用的10組遠(yuǎn)場強(qiáng)地震動(dòng)記錄和27組近斷層脈沖地震動(dòng)記錄[23-24]。近斷層地震動(dòng)根據(jù)脈沖特性分為3類：向前方向性效應(yīng)、滑沖效應(yīng)以及無速度脈沖效應(yīng)。計(jì)算全部4類地震動(dòng)的平均放大系數(shù)譜,如圖3所示。每組地震動(dòng)記錄均由2組不同的水平分量組成,將其中峰值加速度較大的分量的PGA按一定比例調(diào)整為0.4 g后沿著縱橋向輸入;而峰值加速度較小的分量則根據(jù)相應(yīng)的比例進(jìn)行調(diào)幅后沿著橫橋向輸入。

圖3 4類地震動(dòng)的放大系數(shù)譜 Fig.3 Normalizedresponsespectrums of4typesofgroundmotions表2 鉛芯橡膠支座的力學(xué)參數(shù)Table2 Mechanicalparametersoflead-rubberbearings支座位置橋臺(tái)1/3#墩2#墩型號(hào)Y4Q420Y4Q470Y4Q471屈服前剛度/(kN·m-1)8200810010600屈服后剛度/(kN·m-1)130013001700屈服力/kN618181支座高度/mm133128128

2 斜交橋的地震反應(yīng)與損傷分析

為了研究隔震與非隔震斜交連續(xù)梁橋在地震作用下反應(yīng)的差異,建立了2種不同的模型和工況。工況1：在1#橋墩處設(shè)置固定支座,其余橋墩和橋臺(tái)處設(shè)置板式橡膠支座的非隔震橋梁;工況2：全部橋墩和橋臺(tái)處都設(shè)置鉛芯橡膠支座(LRB)的隔震橋梁。鉛芯橡膠支座的設(shè)計(jì)采用基于位移的抗震方法[25],力學(xué)參數(shù)的設(shè)置見表2。

為了研究不同斜度斜交橋在地震作用下的反應(yīng)的差異,設(shè)置了5種不同的斜度(0°、15°、30°、45°和60°)。將4類地震動(dòng)分別輸入到2種工況下5種不同斜度的斜交橋動(dòng)力分析模型后,得到相應(yīng)的斜交橋地震反應(yīng)及損傷情況。

2.1 地震反應(yīng)

2.1.1 梁體旋轉(zhuǎn)

主梁發(fā)生旋轉(zhuǎn)是斜交橋常見的地震反應(yīng)之一,為了量化這一反應(yīng)的強(qiáng)烈程度,引入了梁體旋轉(zhuǎn)度γ[1],如式(1)所示：

γ=(Δy1+Δy2)/L

(1)

式中：(Δy1+Δy2)為主梁梁體兩端橫向的相對(duì)位移之和;L為梁長;γ越大表明梁體旋轉(zhuǎn)更明顯。

4類強(qiáng)地震動(dòng)作用下2種工況的斜交橋梁體旋轉(zhuǎn)度隨斜度的變化曲線如圖4所示,可以看出：(1)隨著斜度的增加,隔震與非隔震斜交橋梁體旋轉(zhuǎn)度均呈現(xiàn)先增大后減小變化趨勢,而曲線峰值出現(xiàn)的位置不相同,隔震和非隔震橋梁分別在斜度為45°和30°時(shí)旋轉(zhuǎn)度最大;(2)梁體的旋轉(zhuǎn)度在4類地震動(dòng)作用下的響應(yīng)大小存在明顯的差異,在具有滑沖效應(yīng)的近斷層地震動(dòng)作用下最大,而在無脈沖效應(yīng)的近斷層地震動(dòng)作用下最小并且基本不隨斜度變化,可見滑沖效應(yīng)對(duì)斜度極其敏感,其主要原因是無論是隔震還是非隔震斜交橋的周期都大于1.1s,而從圖3可以看出當(dāng)周期大于1.1s后滑沖效應(yīng)的放大系數(shù)最大從而對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)具有更大的破壞力;(3)采用鉛芯橡膠支座的隔震斜交橋的梁體旋轉(zhuǎn)度明顯小于非隔震斜交橋的梁體旋轉(zhuǎn)度。

圖4 4類地震動(dòng)下2種工況梁體旋轉(zhuǎn)度與斜度關(guān)系Fig. 4 Relationship between rotation and slope of skew bridge under 4 types of ground motions

2.1.2 碰撞效應(yīng)

為了研究橋臺(tái)的損傷與斜度之間的關(guān)系,計(jì)算得到了4類地震動(dòng)作用下2種工況橋臺(tái)銳角和鈍角處縱向最大碰撞力隨斜度的變化曲線,如圖5所示。

圖5 4類地震動(dòng)下縱向最大碰撞力與斜度的關(guān)系Fig. 5 Relationship between maximum longitudinal impact force and slope under 4 types of ground motions

可以看出：(1)非隔震與LRB隔震斜交橋橋臺(tái)處的碰撞力總體上都與斜度負(fù)相關(guān);(2)橋臺(tái)鈍角處的碰撞力普遍大于銳角處;(3)在具有滑沖效應(yīng)的近斷層地震動(dòng)作用下斜交橋縱向碰撞力最大,而在無脈沖效應(yīng)的近斷層地震動(dòng)作用下最小;(4)采用LRB隔震的斜交橋在橋臺(tái)處的縱向碰撞力比非隔震斜交橋大,主要原因是隔震斜交橋沒有固定墩的約束,而LRB對(duì)主梁位移的約束能力有限,從而導(dǎo)致主梁與橋臺(tái)發(fā)生更劇烈的碰撞。所以,減隔震設(shè)計(jì)要求在主梁與橋臺(tái)間設(shè)置足夠的初始間隙以滿足其位移需求,使減隔震裝置的作用得到充分發(fā)揮。

2.2 地震損傷分析

2.2.1 橋墩損傷

HWANG等[26]把無量綱的橋墩位移延性系數(shù)比μd作為評(píng)價(jià)指標(biāo),用μd=1.0、1.20、1.76和4.76將橋梁震后損傷依次劃分為無損傷、輕微損傷、中等損傷、嚴(yán)重?fù)p傷和完全損傷狀態(tài)。

4類地震動(dòng)作用下2種工況固定墩(1#橋墩)的位移延性系數(shù)隨斜度增加的變化曲線如圖6所示,可以發(fā)現(xiàn)：(1)不同類型地震動(dòng)作用下,LRB隔震與非隔震斜交橋固定墩的位移延性系數(shù)總體上都與斜度正相關(guān),其中在具有滑沖效應(yīng)的脈沖型近斷層地震動(dòng)作用下,位移延性系數(shù)受斜度的影響程度大于其他3類地震動(dòng);(2)橋墩位移延性系數(shù)在具有滑沖效應(yīng)的近斷層地震動(dòng)作用下最大,而在無速度脈沖效應(yīng)的近場地震動(dòng)作用下最小,主要原因是脈沖型近斷層地震動(dòng)對(duì)中長周期結(jié)構(gòu)的破壞作用更強(qiáng);(3)在相同地震動(dòng)作用下,非隔震斜交橋的橋墩損傷較隔震橋梁更加嚴(yán)重,非隔震斜交橋的損傷狀態(tài)均處在嚴(yán)重?fù)p傷以上,而隔震斜交橋在除具有滑沖效應(yīng)的地震動(dòng)作用外,橋墩的損傷狀態(tài)均在嚴(yán)重?fù)p傷以下,結(jié)果表明LRB可以起到較好的減隔震作用。

圖6 不同地震動(dòng)下1#橋墩的位移延性系數(shù)與斜度關(guān)系Fig. 6 Relationship between displacement ductility coefficient and slope of 1# pier under 4 types of ground motions

為了研究鉛芯橡膠支座的減震效果,將減震率作為評(píng)價(jià)指標(biāo),其定義為非隔震與隔震斜交橋的地震響應(yīng)的差值與非隔震斜交橋地震響應(yīng)的比值,其中地震響應(yīng)選取固定墩(1#橋墩)的墩頂位移。

將4類地震動(dòng)的2組分量分別沿縱橋向和橫橋向輸入,得到地震動(dòng)作用下隔震斜交橋減震率與斜度的關(guān)系曲線,如圖7所示?？梢缘贸觯?1)采用LRB進(jìn)行隔震后,固定墩處的地震響應(yīng)得到了顯著降低,縱橋向和橫橋向的減震率均在50%以上;(2)除具有滑沖效應(yīng)的近斷層地震動(dòng)外,其他3類地震動(dòng)作用下的減震率都處于較高水平,主要原因是LRB的滯回耗能能力在具有短時(shí)和大脈沖特點(diǎn)的滑沖效應(yīng)地震動(dòng)作用下無法得到有效發(fā)揮;(3)除具有滑沖效應(yīng)的近斷層地震動(dòng)外,其他3類地震動(dòng)作用下的斜交橋縱橋向的減震率與斜度呈正相關(guān)性,而橫橋向的減震率則與斜度呈負(fù)相關(guān)性。綜上所述,設(shè)置鉛芯橡膠支座可以明顯降低強(qiáng)地震動(dòng)作用下斜交橋固定墩的墩頂位移響應(yīng),提高了斜交橋的抗震性能。

圖7 不同類型地震動(dòng)下減震率與斜度關(guān)系Fig. 7 Relationship between damping rate and slope under 4 types of ground motions

2.2.2 擋塊損傷

為了衡量擋塊的損傷情況,將擋塊頂部位移Δ作為損傷評(píng)價(jià)指標(biāo),并參考SILVA等[22]和徐略勤等[27]采用的擋塊力學(xué)簡化模型和試驗(yàn)研究成果,將擋塊的損傷狀況劃分為不同等級(jí),見表3。表中：Δ表示擋塊實(shí)際位移,ΔII至ΔV以及ΔF表示擋塊簡化滯回模型中拐點(diǎn)2至5的位移值,具體數(shù)值見表1。

表3 鋼筋混凝土擋塊的損傷狀態(tài)劃分[28]Table 3 Classification of damage state of RC shear keys

由于地震作用下兩端橋臺(tái)處的擋塊受損程度相近,且都比橋墩處擋塊受損嚴(yán)重,所以僅將左端橋臺(tái)處的擋塊作為研究對(duì)象。輸入4類地震動(dòng)作用后,得到兩種工況下不同斜度的斜交橋左端橋臺(tái)處擋塊的損傷狀態(tài),見表4。

表4 斜交橋橋臺(tái)處擋塊的損傷狀態(tài)Table 4 Damage state of the shear keys of the skew bridge abutments

(2)括號(hào)外表示傳統(tǒng)非隔震橋梁(工況1),括號(hào)內(nèi)表示LRB隔震橋梁(工況2)。

可以看出：(1)擋塊在脈沖型近斷層地震動(dòng)作用下的損傷相較于無脈沖和遠(yuǎn)場地震動(dòng)更加嚴(yán)重,主梁銳角處擋塊甚至?xí)_(dá)到完全損傷狀態(tài);(2)隔震斜交橋橋臺(tái)擋塊的損傷程度相較于非隔震斜交橋更加嚴(yán)重,主要原因是鉛芯橡膠支座通過位移進(jìn)行耗能,導(dǎo)致主梁產(chǎn)生較大位移并與擋塊發(fā)生碰撞。所以,梁體與兩側(cè)擋塊之間應(yīng)設(shè)置足夠的間隙,以減輕橋梁橫橋向的碰撞以及導(dǎo)致的擋塊損傷,避免減隔震橋梁在地震作用下發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞。

3 結(jié)論

本文基于OpenSees平臺(tái)建立了多個(gè)不同斜度的非隔震斜交連續(xù)梁橋和采用LRB隔震的斜交連續(xù)梁橋模型,輸入遠(yuǎn)場強(qiáng)地震動(dòng)和3類近斷層地震動(dòng),計(jì)算地震反應(yīng)和損傷狀態(tài),研究了強(qiáng)震作用下斜交連續(xù)梁橋地震反應(yīng)的特點(diǎn)和LRB對(duì)斜交連續(xù)梁橋減隔震性能的影響,得到以下結(jié)論：

1)隨著斜度的增加,斜交連續(xù)梁橋梁體旋轉(zhuǎn)度均呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢;4類地震動(dòng)作用下的梁體旋轉(zhuǎn)度大小存在明顯差異,在具有滑沖效應(yīng)的近斷層地震動(dòng)作用下最大,而在無脈沖效應(yīng)的近斷層地震動(dòng)作用下最小且基本不隨斜度變化;采用LRB隔震后斜交橋梁體旋轉(zhuǎn)度明顯減小。

2)斜交橋橋臺(tái)處的縱向碰撞力總體上與斜度負(fù)相關(guān),橋臺(tái)鈍角處的碰撞力普遍大于銳角處;碰撞力在具有滑沖效應(yīng)的近斷層地震動(dòng)作用時(shí)最大,在無脈沖效應(yīng)的近斷層地震動(dòng)作用時(shí)最小;采用LRB隔震后會(huì)增大斜交橋橋臺(tái)處的碰撞力。

3)斜交橋固定墩的位移延性系數(shù)總體都與斜度正相關(guān),同時(shí)位移延性系數(shù)在具有滑沖效應(yīng)的脈沖型近斷層地震動(dòng)作用下最大;采用LRB進(jìn)行隔震可使橋墩位移削減50%以上,有效降低固定墩的損傷;但近斷層脈沖型地震動(dòng)作用下的地震反應(yīng)相較無速度脈沖效應(yīng)和遠(yuǎn)場地震動(dòng)明顯強(qiáng)烈,尤其是在具有滑沖效應(yīng)的近斷層地震動(dòng)作用下,LRB隔震橋梁的墩柱仍會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p傷,且斜交橋斜度較大時(shí)橫橋向的破壞更為突出。

4)擋塊在具有滑沖效應(yīng)的脈沖型近斷層地震動(dòng)作用下?lián)p傷最嚴(yán)重,達(dá)到完全損傷狀態(tài);采用LRB隔震會(huì)加劇斜交橋擋塊的損傷,為使LRB隔震斜交橋達(dá)到預(yù)期隔震效果,應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)氐卣痫L(fēng)險(xiǎn)等級(jí)和設(shè)計(jì)位移留出足夠的初始間隙。