石 巖， 秦洪果

(1.石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院，河北石家莊050043;2.中交遠(yuǎn)洲交通科技集團(tuán)有限公司，河北石家莊050051)

0 引言

地震作用下，橋梁的相鄰結(jié)構(gòu)(或相鄰橋梁)之間可能會(huì)發(fā)生碰撞，主要表現(xiàn)為縱向伸縮縫處相鄰梁體間的碰撞、上部結(jié)構(gòu)與橋臺(tái)間的碰撞、梁體與橋墩(臺(tái))擋塊間橫向碰撞以及鄰近橋梁間的碰撞。眾多研究認(rèn)為結(jié)構(gòu)的碰撞是影響結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)和結(jié)構(gòu)抗震性能的一個(gè)重要因素，許多橋梁結(jié)構(gòu)地震震害表明:橋梁連接構(gòu)造處的碰撞是引起結(jié)構(gòu)破壞的主要原因之一［1］。國內(nèi)城市高架橋通常在蓋梁兩側(cè)設(shè)置用于限位和防落梁的橫向擋塊，為適應(yīng)材料因溫度等因素的變化而產(chǎn)生的伸縮變形對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，通常在梁體與擋塊之間留有一定間隙。在強(qiáng)震作用下橋梁上、下部結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生不同相振動(dòng)，當(dāng)墩梁相對(duì)位移超過橫向初始間隙時(shí)，梁體與擋塊即發(fā)生碰撞。Shervin Maleki［2-3］研究認(rèn)為初始間隙導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)表現(xiàn)為非線性，忽略該間隙可能會(huì)導(dǎo)致非常不保守甚至錯(cuò)誤的結(jié)果。汶川大地震中，橋梁結(jié)構(gòu)橫向抗震擋塊遭到嚴(yán)重破壞［4-5］，其中部分是由于梁體與其發(fā)生碰撞而引起。目前，我國規(guī)范僅對(duì)擋塊進(jìn)行構(gòu)造設(shè)計(jì)，對(duì)其強(qiáng)度、剛度及其與梁體間距等均未得到足夠的重視。國內(nèi)外學(xué)者［2-3，6-7］分別建立考慮初始間隙的橫向碰撞模型進(jìn)行了地震響應(yīng)研究，結(jié)果表明橫向間隙處的碰撞對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震性能有很大影響，但以上研究皆基于對(duì)心碰撞，沒有考慮橋梁上部結(jié)構(gòu)的質(zhì)心與擋塊質(zhì)心的豎向間距，即橫向間隙處的碰撞實(shí)際是一種偏心碰撞。為此，根據(jù)我國城市高架簡(jiǎn)支梁橋的特點(diǎn)，建立了考慮上部結(jié)構(gòu)與擋塊間偏心距、支座非線性的橫向單墩碰撞模型，分析了初始間隙及其大小對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)橫向地震響應(yīng)的影響，并評(píng)估了在梁體與擋塊間設(shè)置橡膠緩沖墊時(shí)的防撞效果。

1 分析模型

分析的橋梁為某城市高架橋中的1跨30 m簡(jiǎn)支T梁橋，上部結(jié)構(gòu)寬7.96 m，橫斷面由四片T梁組成，橋墩為直徑1.5 m的圓柱形墩;上部結(jié)構(gòu)總質(zhì)量為283.475 t，蓋梁質(zhì)量40.09 t。全橋共設(shè)8塊圓板式橡膠支座，尺寸為325 mm×88 mm，單個(gè)支座的水平剛度為1.3×103kN/m。蓋梁兩端均設(shè)置了鋼筋混凝土抗震擋塊，擋塊長(zhǎng)×寬×高為200 cm×30 cm×50 cm。地震響應(yīng)分析時(shí)將結(jié)構(gòu)體系簡(jiǎn)化為圖1所示的單墩橫向偏心碰撞模型，其中，m為上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量，e=1.2 m為梁體與抗震擋塊間偏心距，c為結(jié)構(gòu)碰撞阻尼，k為碰撞剛度(取5×106kN/m)，ΔG為初始間隙，墩身高度為5 m;為了考慮板式橡膠支座與墩頂和梁底接觸面之間產(chǎn)生的滑動(dòng)，采用雙線性模式來模擬支座的力學(xué)特性［8］，其水平方向的恢復(fù)力模型如圖2所示。假設(shè)橋梁位于地震烈度9度區(qū)，選取表1中的10條地震波，應(yīng)用結(jié)構(gòu)分析軟件SAP2000將每條地震波的加速度峰值調(diào)整為0.4 g，沿結(jié)構(gòu)橫向輸入;橋墩采用彈塑性梁柱單元模擬，支座采用非線性Wen連接模擬，上部結(jié)構(gòu)的質(zhì)量采用堆積集中質(zhì)量代表;假定不考慮擋塊與蓋梁的屈服和破壞，混凝土結(jié)構(gòu)的阻尼比取5%，并采用瑞利阻尼;碰撞單元采用非線性間隙單元模擬，其非線性力-位移關(guān)系為:f=其中，Δd為地震作用下梁體與擋塊間的橫向相對(duì)位移。

圖1 單墩橫向偏心碰撞模型

圖2 板式橡膠支座水平恢復(fù)力

表1 選用的地震波

2 橫向間隙對(duì)地震響應(yīng)的影響

間隙處的碰撞是一種非常復(fù)雜的非線性運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)在相鄰構(gòu)件的相對(duì)靠近位移超過初始間距時(shí)，碰撞單元被瞬時(shí)激活，結(jié)構(gòu)體系中隨之加入了碰撞剛度和阻尼，直至碰撞分離。在結(jié)構(gòu)動(dòng)力計(jì)算過程中，結(jié)構(gòu)體系的狀態(tài)不斷在改變，結(jié)構(gòu)特性也隨著運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化而調(diào)整。為了分析橫向間隙處偏心碰撞對(duì)地震響應(yīng)的影響，采用圖1所示的動(dòng)力分析模型進(jìn)行非線性時(shí)程分析，得到如圖3所示的橋墩地震需求比(墩底最大剪力需求比Vp/Vn、墩底最大彎矩需求比Mp/Mn、墩頂位移峰值需求比dp/dn)，其中下標(biāo)p和n分別表示考慮偏心碰撞效應(yīng)和不考慮偏心碰撞效應(yīng)的墩底最大地震需求。

由圖3可以看出，在強(qiáng)震作用下，橋梁上下部結(jié)構(gòu)的不同相振動(dòng)導(dǎo)致橫向間隙處發(fā)生偏心碰撞，產(chǎn)生很大的撞擊力，受該撞擊力的影響，橋墩的地震需求(墩底剪力、墩底彎矩、墩頂位移)成倍的增大，降低了結(jié)構(gòu)的抗震性能，若忽略將非常不保守。

3 初始間隙大小對(duì)地震響應(yīng)的影響

圖3 碰撞對(duì)橋墩地震需求的影響

葉愛君［9］研究認(rèn)為橫橋向擋塊與主梁間不設(shè)空隙對(duì)橋墩的抗震是有利的，橡膠擋塊的設(shè)置能有效地減少橋墩的受力;文獻(xiàn)［6］、文獻(xiàn)［7］則認(rèn)為在碰撞效應(yīng)中初始間隙是一個(gè)不確定的影響因素。為了分析初始間隙大小對(duì)橫向地震響應(yīng)的影響，通過改變橫向間隙的初始值，得到4條常見Ⅱ類場(chǎng)地波作用下最大撞擊力和墩底最大剪力隨初始間隙的變化關(guān)系，如圖4所示。圖5(a)、(b)分別是地震波Ⅰ-1作用下初始間隙為1 cm、5 cm與9 cm、12 cm時(shí)的碰撞力時(shí)程曲線，圖6為不同場(chǎng)地地震波作用下的梁體位移峰值隨間隙變化的統(tǒng)計(jì)圖。

圖4 初始間隙大小對(duì)地震反應(yīng)的影響

圖5 不同初始間隙下的碰撞力時(shí)程

由圖4可知，隨著初始間隙的增大最大碰撞力和墩底最大剪力的變化沒有明顯的規(guī)律，可見橫向初始間隙對(duì)結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響具有不確定性，與文獻(xiàn)［6］、文獻(xiàn)［7］關(guān)于對(duì)心碰撞的研究結(jié)論一致。由圖5可以看出，隨著初始間隙的增大，擋塊與梁體發(fā)生的碰撞次數(shù)明顯減少，碰撞作用時(shí)間明顯縮短，這對(duì)結(jié)構(gòu)本身來說是有利的。但是，隨著初始間隙的增大，梁體位移峰值也明顯增加，如圖6所示。梁體位移過大必然導(dǎo)致橋梁產(chǎn)生橫向扭曲錯(cuò)位，也可能使支座失效，進(jìn)一步引發(fā)橫向落梁等更嚴(yán)重的破壞形式。長(zhǎng)期以來，橋梁支座的震害極為普遍，歷來被認(rèn)為是橋梁整體抗震性能上的一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)［10］。為了避免發(fā)生過大的梁體位移和墩梁相對(duì)位移，保證支座在允許的變形范圍內(nèi)工作，可設(shè)置橫向擋塊、橫向限位器或減震裝置等，并尋找到一個(gè)適合的初始間隙和碰撞剛度，試圖達(dá)到既能限位又能減小碰撞力和減少碰撞次數(shù)的效果。同濟(jì)大學(xué)范立礎(chǔ)院士、胡世德教授等［11］設(shè)計(jì)了橡膠減震擋塊，其實(shí)現(xiàn)方法是將其粘在原鋼筋混凝土擋塊上，使地震引起的蓋梁水平振動(dòng)對(duì)梁體撞擊力成為軟撞擊，并被擋塊吸收和耗散掉，大大減小了撞擊力。更值得一提的是，范院士及其團(tuán)隊(duì)將該項(xiàng)技術(shù)以及高墩和非規(guī)則橋梁抗震設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用于四川雅瀘高速公路上30余座橋梁，這些橋梁在2008年的汶川大地震中完好無損［12］。

圖6 初始間隙大小對(duì)梁體位移峰值的影響

4 橡膠緩沖墊的防撞效果分析

倘若為了抵御碰撞的影響，而單純采用提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的措施，會(huì)造成材料的極大浪費(fèi)和設(shè)計(jì)上的困難;若為了減輕或避免結(jié)構(gòu)間的碰撞，而加大抗震擋塊與梁之間的初始間隙，將減弱了抗震擋塊的橫向限位作用，可能引發(fā)更嚴(yán)重的破壞。比較可行的方法是通過降低碰撞產(chǎn)生的沖擊力，使得碰撞對(duì)結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響較小，通常在擋塊靠近梁體一側(cè)安裝緩沖裝置來減輕碰撞［11，13］。日本學(xué)者Kazuhiko等［14］研究發(fā)現(xiàn)，橡膠緩沖墊的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系如圖7所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:100 mm厚250 mm×150 mm矩形橡膠墊的剛度為ks1=6.25 MN/m。

圖7 橡膠緩沖墊的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

采用圖1所示的偏心碰撞模型，在每個(gè)擋塊內(nèi)側(cè)各安裝10個(gè)橡膠緩沖墊進(jìn)行時(shí)程分析。圖8反映了橡膠緩沖墊的防撞效果，即設(shè)置防撞措施和無防撞措施的地震響應(yīng)量之比。

圖8 橡膠緩沖墊的防撞效果

從圖8可以看出，在擋塊內(nèi)側(cè)安裝橡膠緩沖墊時(shí)，其防撞效果與輸入地震波的特性有關(guān);橡膠緩沖墊可以大幅減小上部結(jié)構(gòu)與擋塊之間的碰撞力，平均可減小50%左右;同時(shí)可以適當(dāng)減小墩頂位移、墩底剪力和彎矩，平均可減小20%左右。

5 結(jié)論

(1)城市高架簡(jiǎn)支梁橋橫向間隙處的偏心碰撞放大了橋墩的地震需求，降低了結(jié)構(gòu)的抗震性能，若忽略將非常不保守。

(2)橫向間隙大小對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響具有不確定性，增大初始間隙可明顯減少碰撞次數(shù)、縮短碰撞時(shí)間，但同時(shí)也降低了擋塊的橫向限位和防落梁效果，提高了對(duì)支座抗震能力的考驗(yàn)。

(3)通過在擋塊與梁體間安裝橡膠緩沖墊，可以大幅減小橫向間隙處的碰撞力，也可適當(dāng)減小橋墩的地震響應(yīng)，達(dá)到減輕碰撞的目的。

［1］王軍文，李建中，范立礎(chǔ).橋梁結(jié)構(gòu)地震碰撞效應(yīng)及防落梁措施研究現(xiàn)狀［J］.公路交通科技，2007，25(4):71-75.

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