王建國，袁萬城，高康，黨新志

(同濟大學 土木工程防災國家重點實驗室，上海 200092)

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地震序列下拉索模數(shù)伸縮縫聯(lián)間限位分析

王建國，袁萬城，高康，黨新志

(同濟大學 土木工程防災國家重點實驗室，上海 200092)

摘要：主震作用下橋梁結(jié)構(gòu)可能已發(fā)生聯(lián)間相對變位，強余震作用將進一步加劇橋梁上部結(jié)構(gòu)的碰撞或落梁災害，以某連續(xù)梁橋為例進行地震序列分析，并對比有無拉索模數(shù)伸縮縫兩種情況下的地震響應，結(jié)果表明：拉索模數(shù)伸縮縫能夠有效限制主余震各階段聯(lián)間相對位移，對避免主震后產(chǎn)生聯(lián)間殘余位移的橋梁結(jié)構(gòu)在強余震作用下發(fā)生碰撞、落梁具有重要意義；同時，拉索模數(shù)伸縮縫使橋梁各聯(lián)間協(xié)同作用，從而墩梁相對位移得到相應的控制，橋墩受力亦有所改善。

關(guān)鍵詞：地震序列；拉索模數(shù)伸縮縫；聯(lián)間位移

地震是一種時間和空間上具有叢集效應的不確定性作用，主震發(fā)生后往往伴隨著余震的發(fā)生，通常情況下主震震級越高其余震震級亦越高，對結(jié)構(gòu)的破壞作用亦越大。余震作用下的橋梁可能為主震后帶有損傷和殘余位移的結(jié)構(gòu)，其發(fā)生將進一步加劇橋梁結(jié)構(gòu)的震害程度，甚至成為導致結(jié)構(gòu)破壞的決定性因素[1]。

Raghunandan等[2]、Amadio等[3]、Lee等[4]、Hatzigeorgiou等[5]分析地震序列下結(jié)構(gòu)的響應，發(fā)現(xiàn)考慮主震影響的余震作用的響應明顯大于不考慮主震時的情況。在過去的震害記錄中，不乏余震中毀壞的工程結(jié)構(gòu)：1976年唐山大地震中，灤河大橋在7.8級的主震中并未倒塌，而是在15 h后7.1級的強余震中橋墩折斷、橋梁落架、倒塌；1952年，Bakersfield城毀于主震發(fā)生1個月后5.8級的強余震中[6-7]。

橋梁上部結(jié)構(gòu)的破壞形式主要包括落梁和碰撞[7]，強余震作用在主震后存在殘余位移的橋梁結(jié)構(gòu)上，其上部結(jié)構(gòu)進一步破壞的可能性顯著增加。針對上部結(jié)構(gòu)的落梁問題，黃小國等[8]對比了美國和日本防落梁裝置的效果；張煜敏等[9]分析了連梁裝置的防落梁效果，發(fā)現(xiàn)連梁裝置可有效的限制墩、梁的相對位移以及聯(lián)間相對位移[10]，然而連梁裝置不能避免聯(lián)間相向位移以防止碰撞。針對上部結(jié)構(gòu)的碰撞破壞，王軍文等[11]對連續(xù)梁橋地震作用下的碰撞反應參數(shù)進行了分析，Bi[12-13]分析了橡膠阻尼的防碰撞效果以及碰撞對橋梁結(jié)構(gòu)的影響，指出碰撞作用危害嚴重應避免，此外，現(xiàn)今各國學者就碰撞對橋梁的影響看法也不統(tǒng)一。袁萬城提出了一種拉索模數(shù)伸縮縫裝置[14]，該裝置既可以限制聯(lián)間相對位移避免落梁，又可以限制梁間相向位移避免上部結(jié)構(gòu)的碰撞。

1拉索模數(shù)伸縮縫工作原理

拉索模數(shù)伸縮縫將傳統(tǒng)模數(shù)伸縮縫(圖1)兩端的支撐箱體與支撐橫梁用貫穿的拉索連在一起，根據(jù)設計需要給出拉索自由程并對稱固定在兩邊的支撐箱體，如圖2 中(a)、(b)、(c)所示。在強震作用下，支承箱體(縱向位移箱)、支承橫梁之間相對位移得到有效的限制，避免前后梁體相互碰撞，消耗強震能量，有效控制落梁與梁體碰撞損壞[14]。當聯(lián)間相對位移小于拉索自由程時(圖2(d)中g(shù)p)，拉索不起作用；當聯(lián)間相對位移大于拉索自由程時，拉索開始發(fā)揮作用，其剛度為K，拉索模數(shù)伸縮縫的本構(gòu)模型如圖2(d)所示。

圖1　模數(shù)伸縮縫Fig.1　Cross-section view of the modular expansion

圖2　拉索模數(shù)伸縮縫構(gòu)造及其本構(gòu)關(guān)系Fig.2　Schematic diagram of symmetrical cable-sliding expansion joints and force-displacement

2地震序列的選取

通常落梁、碰撞多發(fā)生在縱橋向，本文僅就縱橋向地震響應進行分析。計算時通過將主、余震經(jīng)剪波處理為一條加速度時程波，在生成主余震的地震波時，以相鄰主、余震之間間隔100 s[17]來模擬實際地震中主余震之間時間間隔，100 s無加速度的間隔，足以使結(jié)構(gòu)在前一個地震中停止振動。

圖3　地震序列加速度時程Fig.3　Time history of seismic

地震序列主震g余震gCHI-CHI0.4430.254MK1800.440.178Northridge0.4720.475

3實例分析

以某三聯(lián)多跨連續(xù)梁橋為例進行地震序列下拉索模數(shù)伸縮縫聯(lián)間限位分析，該連續(xù)梁橋上部為寬26 m的預應力箱梁結(jié)構(gòu)；下部采用不等高雙柱式框架墩，P4～P7墩高18.8 m，其余墩高10 m，基礎為方形承臺下布置鉆孔灌注樁。支座采用普通板式橡膠支座，考慮支座的非線性影響。利用SAP2000建立三維有限元分析模型，如圖4所示。主梁、橋墩采用框架單元模擬；承臺底樁土作用采用6彈簧模擬，彈簧剛度由“m”法確定；支座采用理想彈塑性(Plastic Wen)單元模擬，支座參數(shù)根據(jù)《公路橋梁抗震設計細則》(JTG/TB02—01—2008)確定，其中，邊界墩與過渡墩屈服力(P1、P4、P7、P10)為500 kN，中間墩屈服力為1 000 kN；伸縮縫采用具有圖2(d)本構(gòu)的Multi linear單元模擬。

通常伸縮縫本身具有伸長和壓縮長度，本文中不考慮溫度和車輛沖擊效應，主要討論地震作用下拉索模數(shù)伸縮縫的聯(lián)間限位效果，通過對中國多數(shù)中等跨徑橋梁伸縮縫分析，最終選擇伸縮縫10 cm作為分析參考，即認為聯(lián)間相向位移超過10 cm時發(fā)生碰撞。本文不考慮構(gòu)造或錨栓失效影響，并根據(jù)文獻[18]關(guān)于拉索伸縮縫拉索自由程的設置原則取拉索自由程為5 cm，剛度為k=2×104kN/m。

圖4　橋梁有限元模型Fig.4　Finite-element modal of

4地震響應分析

通過對比地震序列下有、無拉索模數(shù)伸縮縫的地震響應，分析拉索模數(shù)伸縮縫的限位效果。為表達方便，記設置拉索模數(shù)伸縮縫的體系為Y，反之則為N。由于本文選取模型為對稱結(jié)構(gòu)，所以只就第一聯(lián)與第二聯(lián)間的響應進行分析。此外，圖5、圖7中對地震序列中主、余震的位移峰值進行了標注。

4.1聯(lián)間相對位移

由圖5可知：地震序列作用下聯(lián)間相對位移圍繞某振動平衡位置進行往復變化。未設置拉索模數(shù)伸縮縫情況下聯(lián)間相對位移最大值超過伸縮縫的允許位移量(10 cm)，發(fā)生了碰撞；使用拉索模數(shù)伸縮縫之后，聯(lián)間相對位移最大值控制在了拉索自由程5 cm附近，有效地避免了碰撞的發(fā)生。當聯(lián)間相對位移超過拉索自由程之后，各主梁共同運動，聯(lián)間的相向運動相互抵消，傳至支座頂部的力減小，支座與主梁間的滑動位移量減小，最終在主震發(fā)生后，聯(lián)間相對位移的殘余值(振動平衡位置的變化)明顯降低，對避免強余震作用下的碰撞具有重要的意義。

圖5(a)中，主震發(fā)生后，聯(lián)間已存在殘余位移，余震作用在主震后變位的結(jié)構(gòu)上，拉索模數(shù)伸縮縫使聯(lián)間相對位移仍然限制在自由程5 cm附近，而未采用拉索模數(shù)伸縮縫時，余震作用下聯(lián)間最大相對位移達到10 cm，造成聯(lián)間碰撞。拉索模數(shù)伸縮縫降低了主震作用后存在殘余變位的結(jié)構(gòu)在余震作用下進一步發(fā)生碰撞的可能性。

圖5　地震序列作用下聯(lián)間相對位移時程Fig.5　Time history of displacement between girders with the excitation of seismic

4.2墩梁相對位移

強震作用下，拉索模數(shù)伸縮縫將各聯(lián)主梁聯(lián)系在一起，共同承受強地震序列作用，由圖6可知：除P5、P6墩梁相對位移峰值(即12#、14#支座變形量)略有增大外，其余各墩的墩梁相對位移均有不同程度的減小。其中CHI-CHI地震作用下，有、無拉索模數(shù)伸縮縫兩種情況第一聯(lián)與墩P4間最大位移分別為10、15 cm(如圖7(a)中的1#、2#點所示)，拉索模數(shù)伸縮縫使墩梁相對位移降低30%。

圖6　地震序列作用下墩梁相對位移峰值Fig.6　Peak displacement between girder and piers with the excitation of seismic sequence

由圖7可知：無論是否應用拉索模數(shù)伸縮縫，墩梁相對位移在整個地震序列過程中都表現(xiàn)出圍繞某一振動平衡位置往復振動。設置拉索模數(shù)伸縮縫后，墩梁相對位移明顯小于未使用拉索模數(shù)伸縮縫時的情況；并且主震后，設置拉索模數(shù)伸縮縫時墩梁間殘余位移明顯小于未設置拉索模數(shù)伸縮縫情況。

圖7　地震序列作用下第一聯(lián)與P4墩相對位移時程Fig.7　Time history of displacement between girder1 and pier4 with the excitation of seismic

4.3墩底剪力

由于上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的慣性力達到了支座的摩擦屈服力，導致上部結(jié)構(gòu)傳遞到墩底的剪力達到最大值，除過渡墩之外的各墩底剪力峰值差別較小。拉索模數(shù)伸縮縫將各聯(lián)主梁連為一體，使得各聯(lián)之間的相對運動相互抵消從而減小過渡墩的剪力峰值，由圖8可知，采用拉索模數(shù)伸縮縫之后，過渡墩(P4、P7)的剪力峰值明顯降低。在本文中地震序列作用下拉索受力最大值未超過4 100 kN(如表2所示)，通過拉索模數(shù)伸縮縫作用實現(xiàn)了力與位移的更為合理的平衡狀態(tài)。

表2　地震序列下拉索軸力峰值

圖8　地震序列下墩底剪力峰值Fig.8　The peak shear force at bottom pier with the excitation of seismic

5結(jié)論

以某連續(xù)梁橋為例進行了有、無拉索模數(shù)伸縮縫兩種情況下的地震序列分析，并通過考慮支座摩擦屈服效應模擬了墩梁之間相對滑移，進而得到了聯(lián)間殘余位移。對比兩種情況下的動力響應后得出如下結(jié)論：

1)在整個地震序列過程中，拉索模數(shù)伸縮縫使得聯(lián)間相對位移得到有效的控制，避免了聯(lián)間碰撞；墩梁間相對位移減小，從而降低發(fā)生落梁災害的可能性。

2)余震作用在主震后存在殘余變位的橋梁結(jié)構(gòu)上，將加劇橋梁結(jié)構(gòu)的震害，拉索模數(shù)伸縮縫使聯(lián)間殘余位移顯著減小，從而避免余震作用下橋梁進一步發(fā)生碰撞的可能性。

3)強震作用下，拉索伸縮縫將各聯(lián)主梁聯(lián)系在一起共同運動，各支座協(xié)同作用，傳遞到墩底的剪力得到更為合理分配。

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(編輯胡玲)

CMEJs’ effect in limiting relative displacement between girders with excitation of seismic sequence

Wang Jianguo, Yuan Wancheng, Gao Kang, Dang Xinzhi

(State Key Laboratory for Disaster Reduction in Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, P.R. China)

Abstract:Residual displacement between girders would have occurred after the main shock. And it would get further destroy (like pounding and unseating) with the excitation of aftershocks. Conclusions draw from the comparation on the response of continuous bridge with or without Cable-sliding expansion joints (CMEJs) under the excitation of seismic sequence. Relative displacement between girders gets effective restrained during the whole seismic process with the CMEJs which get great meaning for avoiding pounding and unseating. With the contribution of the CMEJs, all the girders work together causing the relative displacement between girder and the pile decreased. And the pier force also gets optimized.

Keywords:Seismic sequence; Cable-sliding modular expansion joints (CMEJs); relative displacement between girders

doi:10.11835/j.issn.1674-4764.2016.03.005

收稿日期：2015-12-24

基金項目：國家自然科學基金(51478339、51278376、91315301)；土木工程防災國家重點實驗室基金(SLDRCE14—B—14)；江西省科技計劃(20151BBG70064)

作者簡介：王建國(1993-)，男，主要從事橋梁抗震研究，(E-mail)wjgnky@163.com。

Foundation item：National Natural Science Foundation of China(No.51478339,51278376, 91315301); Foundation of State Key Laboratory for Disaster Reduction in Civil Engineering(No.SLDRCE14-B-14); Foundation of Scientific Project for Jiangxi Province(No.20151BBG70064)

中圖分類號：U442.5;TU375

文獻標志碼：A

文章編號：1674-4764(2016)03-0035-06

袁萬城(通信作者)，男，教授，博士生導師，博士，(E-mail)yuan@#edu.cn。

Received:2015-12-24

Author brief：Wang Jianguo(1993-)，main interest: aseismic of bridges，(E-mail)wjgnky@163.com.

Yuan Wancheng(corresponding author)，professor,doctor supervisor,(E-mail)yuan@#edu.cn.