基于不同擋塊分析模型的連續(xù)梁橋橫向抗震性能研究

摘要：以西南地區(qū)高速公路中一聯(lián)連續(xù)梁為依托建立有限元模型，分別設(shè)置不同的擋塊數(shù)學(xué)分析模型進行橫向非線性時程分析，對比橋梁的地震響應(yīng)研究蓋梁擋塊的抗震性能。分析表明：地震發(fā)生時，擋塊的設(shè)置能夠一定程度上限制墩梁之間相對位移，但會使下部結(jié)構(gòu)抗震需求變大。在地震力相對小時，設(shè)置擋塊的不同分析模型時橋梁的橫向地震響應(yīng)相差不多；當(dāng)?shù)卣鹆ψ銐虼髸r，考慮擋塊損傷模型分析橋梁的橫向抗震性能更為合理。

關(guān)鍵詞：橫向碰撞"時程分析"擋塊模型"地震響應(yīng)

Research"on"Lateral"Seismic"Performance"of"Continuous"Beam"Bridges"Based"on

Different"Block"Analysis"Models

SUN"Bingcan""WANG"Mingshuan

Zhengzhou"Metal"Products"Research"Institute"Co.，"Ltd.，"Sinosteel"Group"Co.，"Ltd.，

Zhengzhou，"He’nan"Province，"450000"China

Abstract："A"finite"element"model"is"established"based"on"anbsp;continuous"beam"of"a"highway"in"the"southwest"region"of"China."Different"mathematical"analysis"models"are"set"up"for"lateral"nonlinear"time-history"analysis，"and"the"seismic"response"of"the"bridge"is"compared"to"study"the"seismic"performance"of"the"cover"beam"blocks."Analysis"shows："when"an"earthquake"occurs，"the"setting"of"blocks"can"to"some"extent"limit"the"relative"displacement"between"piers"and"beams，"but"it"will"increase"the"seismic"demand"of"the"lower"structure."When"the"seismic"force"is"relatively"small，"the"lateral"seismic"response"of"the"bridge"does"not"differ"much"when"different"analysis"models"with"blocking"blocks"are"set;"When"the"seismic"force"is"strong"enough，"it"is"more"reasonable"to"consider"the"damage"model"of"the"retaining"block"to"analyze"the"lateral"seismic"performance"of"the"bridge.

Key"Words："Lateral"collision;"Time-history"analysis;"Block"model;"Seismic"response

地震導(dǎo)致橋梁擋塊破壞[1]普遍比較嚴重，其中，橋梁主梁和蓋梁擋塊的橫向碰撞問題，以及碰撞所導(dǎo)致的下部結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)被普遍認為是影響橋梁的橫向抗震的重要因素。在對碰撞研究過程中，眾多學(xué)者有不同的分析和研究進展。石巖等人[2]對正斜交簡支梁橋、連續(xù)梁橋與非規(guī)則梁橋、斜交橋、高速鐵路梁橋的橫向碰撞體積限位裝置的研究進展進行了總結(jié)，其中提到利用減隔震技術(shù)是解決橋梁抗震的新思路。

在對蓋梁擋塊本身的抗震性能研究中，眾多學(xué)者研究出了許多新型擋塊。顧鑫等人[3]基于蜂窩結(jié)構(gòu)面并結(jié)合保險絲理念研究出蜂窩芯型擋塊，與混凝土擋塊相比，蜂窩擋塊有延性變形能力、耗地震能量能力強的特點。董俊等人[4]在典型連續(xù)梁橋關(guān)鍵構(gòu)件的地震易損性分析中，研究了鋼筋混凝土名義強度和初始間隙對橋梁各關(guān)鍵構(gòu)件地震易損性的影響規(guī)律，提出了高烈度區(qū)典型公路連續(xù)梁橋鋼筋混凝土擋塊合理設(shè)計參數(shù)取值范圍。王秋懿等人[5]等在X形鋼擋塊的研究中表明，合理設(shè)置橫向約束程度使結(jié)構(gòu)橫向地震響應(yīng)分布均勻，且結(jié)構(gòu)各關(guān)鍵截面內(nèi)力隨著擋塊約束程度增加而增加。

1""有限元模擬與地震動輸入

本文選取西南地區(qū)某高速公路中的一聯(lián)為研究對象，建立三維空間有限元分析模型，研究比較不同受力模型擋塊的橫向抗震性能。該橋梁整體施工為簡支變連續(xù)施工，橋跨為4×30"m，上部結(jié)構(gòu)為預(yù)制小箱梁，下部結(jié)構(gòu)為鉆孔灌注樁，橋梁支座為板式橡膠支座?？紤]橡膠支座的滑動[6]特性，擋塊施工時，與蓋梁整體澆筑，為鋼筋混凝土擋塊，擋塊模擬做法是在主梁兩側(cè)處向下延伸鋼臂與蓋梁向上延伸鋼臂之間用單元連接，采用有限元軟件進行模擬（如圖1所示）。

選取之前發(fā)生的地震記錄（如表1所示），輸入所選地震波的作用時程和頻譜特性，對每一條地震記錄按照比例進行縮放或擴大，截取前30"s后，對所選的地震波加速度峰值進行調(diào)幅橫向輸入，分別設(shè)置為0.2"g和0.8"g，同時對5條地震記錄的橋梁地震響應(yīng)的平均值結(jié)果進行統(tǒng)計。

2""不同擋塊分析模型的地震響應(yīng)對比

將擋塊和蓋梁之間的初始間隙設(shè)置為60"mm，分別設(shè)置4種工況來研究擋塊的抗震效果，以及對比不同擋塊的受力模型橋梁的抗震性能。本次以2#墩處的地震響應(yīng)進行對比分析。

工況一：主梁與蓋梁之間不設(shè)置擋塊。

工況二：主梁和擋塊之間使用線彈性模型，主梁與蓋梁之間彈簧剛度為2.6×105"kN/m。

工況三：主梁和擋塊之間使用彈塑性模型，主梁與蓋梁之間彈簧剛度為2.6×105"kN/m，在擋塊位移為2.6"mm時，彈簧剛度折減為0。

工況四：主梁和擋塊之間使用多線段自定義模型，主梁和蓋梁之間用2個多線段的彈簧單元，分別代表鋼筋和混凝土的貢獻。

從擋塊與蓋梁在地震作用下的碰撞力時程分析（如圖2所示）中可以看出，在0～30"s內(nèi)沒有碰撞力產(chǎn)生，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時，主梁橫向移動的范圍還處于初始間隙范圍內(nèi)，隨著地震力繼續(xù)作用，在第6"s時，主梁和蓋梁之間發(fā)生瞬時碰撞。

對比工況一和工況二的地震響應(yīng)（如圖3所示），可以明顯看出，沒有擋塊設(shè)置時，地震力作用上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)之間剛度不一致，對于地震的響應(yīng)不一致，上、下部結(jié)構(gòu)的相對位移越來越大，設(shè)置擋塊限制了主梁的過大位移，說明擋塊的設(shè)置能夠減少墩梁相對位移，在一定程度上能夠阻止落梁震害發(fā)生。通過橋墩地震響應(yīng)來看，有擋塊設(shè)置的橋墩的墩底剪力比無擋塊的大，說明在地震時，有擋塊的上、下部結(jié)構(gòu)碰撞中，碰撞的地震能量會通過擋塊傳遞給下部結(jié)構(gòu)橋墩，會使下部結(jié)構(gòu)地震需求量變大。

從不同地震力下?lián)鯄K滯回曲線（如圖4所示）對比來看，地震力小時，主梁與擋塊碰撞后，擋塊產(chǎn)生變形，3種擋塊模型滯回曲線一致。當(dāng)?shù)卣鹆Υ髸r，3種工況一致保持彈性，工況二擋塊變形最大位移達到一定位移后沒有持續(xù)增加，工況三擋塊位移和滯回退化模型擋塊隨著地震作用擋塊變形都越來越大，工況四擋塊位移更大，可以看出，當(dāng)?shù)卣鹉芰恳欢ǖ那闆r下，有剛度折減特性的擋塊變形更大，同時力與位移曲線的包絡(luò)面積更大，說明能消耗的地震能量更多。

地震力增加時，墩梁相對位移時程曲線（如圖5所示）中，工況三、工況四的墩梁相對位移比完全彈性模型墩梁相對位移大。工況二擋塊沒有屈服階段，力與位移一直保持一定的剛度，過程中類似彈簧，地震力增加，擋塊一直保持恒定剛度，墩梁相對位移一直比較小，沒有持續(xù)增加。有剛度退化的模型，對比工況二，另外兩種模型擋塊所能抵抗地震的能力就會降低，但隨著地震力作用，擋塊變形就會越來越大，再加上主梁與橋墩剛度不一致，主梁與橋墩之間的相對位移會越來越大。

從墩梁地震響應(yīng)（如圖6所示）來看，地震力小時，無論是墩梁相對位移，還是下部結(jié)構(gòu)墩的地震響應(yīng)，時程曲線都是一致的。隨著地震力的增加，有剛度退化的工況三、工況四橋墩的地震響應(yīng)明顯小于工況二，表明有剛度折減的擋塊能夠消耗一部分地震能量。

3""結(jié)語

地震時擋塊的設(shè)置能夠有效控制墩梁之間產(chǎn)生過大相對位移，但是，上、下部結(jié)構(gòu)碰撞上部結(jié)構(gòu)的地震能量會通過擋塊傳遞給下部結(jié)構(gòu)，同樣會使下部結(jié)構(gòu)地震需求變大。地震力相對小時，擋塊不同分析模型抗震效果無過多差異，且下部結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)相差不多，在設(shè)計施工時，擋塊可僅作構(gòu)造設(shè)施考慮；當(dāng)?shù)卣鹆ο鄬Υ髸r，研究地震的橫向抗震性能時，考慮擋塊剛度折減更接近實際情況。

參考文獻

[1]"唐偉健，王東升，張蒙，等.橋梁震害的歷史回顧（下）"[J]."地震工程與工程振動，2021，41（5）："90-105

[2]"石巖，王軍文，秦洪果，等.橋梁橫向地震碰撞響應(yīng)研究進展[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2012，25（1）：20-24.

[3]"顧鑫，常軍.蜂窩芯型擋塊的設(shè)計及抗震性能研究[J].噪聲與振動控制，2023，43（6）：270-274，294.

[4]"董俊，文娟娟，楊轉(zhuǎn)運.高烈度區(qū)典型連續(xù)梁橋限位擋塊設(shè)計參數(shù)研究[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報，2022，19"（12）："3678-3692.

[5]"王秋懿，譚文明，馬明娟.X形鋼擋塊橫向約束程度對公路橋梁抗震性能的影響[J].結(jié)構(gòu)工程師，2022，38（4）："90-95.

[6]"蘇俊，葛雄，魏征，等.地震作用下簡支板梁橋橫向滑移效應(yīng)分析[J].公路工程，2021，46（3）：39-44，117.