王克海 張盼盼 吳 剛 魯冠亞

（交通運輸部公路科學研究院，北京 100088）

引言

合理、便捷的道路規(guī)劃可有效緩解城市交通壓力，促進城市經(jīng)濟發(fā)展。具有不同高程的相交道路之間有特設(shè)的立交橋連接了小場地間不同高程的道路（或橋梁），有效解決了城市道路建設(shè)場地受限的問題。由于立交橋或匝道橋的特殊幾何構(gòu)造，致使在地震作用下其動力特性、結(jié)構(gòu)損傷及耗能機制變得更加復雜。在近年發(fā)生的地震中，該類橋梁表現(xiàn)出較高的地震易損性，如汶川地震中的回瀾立交（孫治國等，2009）。采用合理的約束體系可有效維持結(jié)構(gòu)整體性能，使橋梁受力更加合理，以減少其在運營荷載、地震荷載等作用下的損傷。

由于匝道橋的特殊幾何構(gòu)造，其動力特性較一般規(guī)則橋梁更為復雜，一些構(gòu)件存在彎剪扭的復雜受力。Samaan等（2007）首先對一連續(xù)曲線梁橋進行動力參數(shù)分析，并由模型試驗進行校核，分析了曲率對曲線梁橋基頻的影響；Seo等（2013）建立3D曲線梁橋模型并對其進行參數(shù)敏感性分析，這些參數(shù)包括曲率半徑、跨數(shù)跨徑、地震動等。另一方面，合理支承體系應保證地震力傳至支座處時，板式橡膠支座能夠起到有效的隔震作用，減小傳至下部結(jié)構(gòu)的地震力，并通過支座自身的剪切變形或摩擦滑移來耗散部分能量。聶利英等（2006）研究了板式橡膠支座滑動對城市立交動力耦合的影響，表明支座滑動引起的大位移將引發(fā)碰撞，并進一步導致橋墩屈服或損傷。此外，不同支承約束方式對結(jié)構(gòu)的動力性能也具有較大影響。Kim等（2006）考慮了支座損傷對橋梁抗震性能的影響，對破壞后的支座建立合理的摩擦關(guān)系，并指明在抗震評價中應考慮支座損傷；黃勇等（2010）提出了板式橡膠支座、盆式橡膠支座和球形支座破壞過程恢復力模型，并對連續(xù)梁橋的抗震性能進行了分析；李沖（2015）、王克海（2014）等對考慮支座摩擦滑移的中小跨徑橋梁的抗震性能進行研究，說明了該類橋梁的性能優(yōu)勢；張菊輝等（2017）以嘉閔線匝道橋為例，針對城市高架匝道橋提出僅在矮墩上設(shè)置隔震裝置的部分隔震設(shè)計方案。

匝道橋受損的主要原因是支承體系的不合理設(shè)置引起的復雜受力問題。因此，有必要對不同約束方式下匝道橋的抗震性能進行研究，以期減小地震作用下結(jié)構(gòu)的損傷，并減少損失。本文以某匝道橋為工程背景，研究約束體系對其動力響應的影響，進而提出匝道橋的合理支承體系及有效抗震結(jié)構(gòu)體系，對于橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計、運營及抗災具有一定指導作用。

1 工程背景

1.1 有限元模型建立

以石環(huán)公路某匝道橋工程為例，其跨徑布置為3×25＋3×25＋3×25，總長225m。主梁為8.5m寬的預應力鋼筋混凝土連續(xù)箱梁，單箱單室，懸臂長2.0m，腹板跨中厚0.4m，支點位置厚0.6m，頂板厚0.22m，底板厚0.20—0.25m。橋墩采用矩形截面，尺寸為2.0m×1.2m，連接墩處為雙柱墩，尺寸為1.0m×1.6m。墩高由5.677m（1號墩）逐漸增加至10.427m（8號墩）。中墩、連接墩均采用雙支點支承，橋臺采用加大雙支點間距的方法來滿足橋梁的扭轉(zhuǎn)要求。

采用SAP2000建立三維有限元動力計算模型并進行抗震性能分析，計算模型均以0號橋臺與9號墩的連線為X軸（順橋向），橫橋向（垂直于X軸）為Y軸，豎橋向為Z軸。上部結(jié)構(gòu)、蓋梁和下部結(jié)構(gòu)采用梁單元有限元建模時應考慮支座的影響，橡膠支座采用Wen塑性單元模擬。橋梁的有限元模型如圖1所示，墩臺編號如圖2所示，其中3號墩和6號墩為交接墩。不考慮樁土相互作用對結(jié)構(gòu)的影響。

圖1 結(jié)構(gòu)動力計算有限元模型Fig.1 Finite element model of the structural dynamic analysis

1.2 設(shè)計加速度反應譜

根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計細則》（中華人民共和國交通運輸部，2008）、《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局等，2016）及工程的場地條件建立分析反應譜。為避開鋼筋、混凝土等材料非線性的影響，本文只針對El地震作用（50年超越概率10%的地震作用，相當于地震重現(xiàn)期為475年）進行分析。由此，建立了El水平設(shè)計加速度反應譜，如圖3所示，并沿縱橋向和橫橋向輸入地震動（0號橋臺與9號橋墩連線為縱橋向，其垂直方向為橫橋向）。

圖2 橋墩編號Fig.2 Number of the piers

2 支座的約束形式

根據(jù)對汶川地震中連續(xù)梁橋的震害進行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)其主要支承方式有4種（陳樂生等，2012）：①各墩為盆式橡膠支座，固定墩采用固定支座；②固定墩采用盆式橡膠支座，其余墩采用板式橡膠支座；③固定墩采用墩梁固結(jié)形式，其余墩采用板式橡膠支座或盆式橡膠支座；④各墩均采用板式橡膠支座，配以限位裝置進行限位。根據(jù)研究背景工程支承形式，建立了以下4種支承約束形式，以進行支承約束體系對結(jié)構(gòu)受力影響的分析。

約束方式1：全橋采用板式橡膠支座，其中橋臺及聯(lián)端交接墩處采用聚四氟乙烯滑板支座。

約束方式2：在跨中設(shè)立固定墩（1、4、7號墩處），采用固定盆式橡膠支座，其余墩為活動盆式橡膠支座（2、5、8號墩）和板式橡膠支座（聯(lián)端）。

約束方式3：跨中采用墩梁固結(jié)形式，橋臺和聯(lián)端采用板式橡膠支座。

約束方式4：各墩均采用盆式橡膠支座，其中曲線外側(cè)采用雙向滑動盆式橡膠支座，在一聯(lián)左側(cè)聯(lián)端內(nèi)側(cè)采用固定盆式橡膠支座，其余內(nèi)側(cè)均為單向活動盆式橡膠支座，約束徑向位移。

鑒于所分析的橋梁各聯(lián)形式相同，此處以第一聯(lián)約束方式進行說明，其余聯(lián)采用相同約束形式。各支承處的約束形式如表1所示。

圖3 水平設(shè)計加速度反應譜Fig.3 Horizontal acceleration spectrum

表1 一聯(lián)約束形式Table 1 Constrainting form

3 結(jié)果分析

3.1 不同約束方式的結(jié)構(gòu)自振特性分析

對采用不同約束方式的匝道橋的基本動力特性進行分析，得到了不同結(jié)構(gòu)的自振特性。對比各分析模型的前3階周期和振型，如表3所示。

由對比結(jié)果可知，不同約束方式的匝道橋自振特性相差較大，約束方式1未設(shè)置固定墩或固定支座，結(jié)構(gòu)剛度要小于其它約束方式，所以其1階振型的周期相對較大。而且對于這種支座布置形式，板式橡膠支座可在一定程度上起到隔震作用，并將地震力分散到各墩上，減小固定墩的地震響應。

表2 不同約束方式的匝道橋自振特性對比Table 2 Comparison of the vibration characteristics of the ramp bridge by using different constrainting forms

3.2 不同約束方式的結(jié)構(gòu)地震響應分析

為了研究不同約束方式的匝道橋的地震響應，分別對E1地震水準作用下不同結(jié)構(gòu)的抗震性能進行研究，通過對比分析橋墩墩底內(nèi)力，研究不同約束方式對匝道橋結(jié)構(gòu)地震響應的影響。

圖4（a）、（b）對比了不同約束下各聯(lián)跨中橋墩墩底的切向響應?？梢园l(fā)現(xiàn)，采用固定支座或墩梁固結(jié)約束形式的匝道橋，其對應的橋墩切向地震響應要明顯高于采用其他約束形式的橋梁。對于采用約束方式2的匝道橋，其1號墩和4號墩采用固定盆式支座，其余支承為板式支座或盆式活動支座，地震所產(chǎn)生的慣性力主要由固定支座處的橋墩承受，墩底地震響應值要明顯大于其他約束形式；對于采用約束方式3的匝道橋，全橋采用墩梁固結(jié)，產(chǎn)生地震慣性力由各橋墩共同分擔，其墩底地震響應值有所下降，但仍具有較大破壞力；而對于采用約束方式1和約束方式4的匝道橋，橋墩切向地震響應相對處于較低水平。

圖4（c）、（d）橋墩徑向地震響應具有相同規(guī)律。對于采用約束方式4的匝道橋，由于約束了其徑向自由度，其地震響應明顯增大，而采用板式橡膠支座的匝道橋，其橋墩徑向地震響應仍處于較低水平。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，采用普通橡膠支座的匝道橋，即約束方式1，其各墩地震響應明顯處于較低水平，該類型的支座對于分散地震作用可起到重要作用。

圖4 不同約束下各聯(lián)跨中橋墩墩底響應對比Fig.4 Comparison of the mid-span pier bottom response by using different constraints

對于各聯(lián)跨中采用固定支座或墩梁固結(jié)形式的橋墩墩底的切向和徑向地震響應，由于本分析模型的橋墩高度較低，結(jié)構(gòu)剛度較大，使得橋墩地震響應明顯放大，但是仍然可以發(fā)現(xiàn)，隨橋墩高墩增加，其地震響應會有一定下降。所以，對于高度較大的柔性墩可采用固定形式的支承約束，可有效控制上部結(jié)構(gòu)位移，但橋墩地震響應控制在一定范圍內(nèi)；對于墩高較矮的橋墩可采用橡膠支座來減小其地震響應。

3.3 限位措施

為了防止采用板式橡膠支座的匝道橋因其滑動而產(chǎn)生較大位移，分別從不同角度提出了幾種切實可行的有效措施：

（1）雙層抗震擋塊I（a）、（b）、（c）（王克海等，2011a，2011b，2011c）：在蓋梁外側(cè)設(shè)置雙層擋塊（內(nèi)擋塊較弱，外擋塊較強），如圖5所示（1為主梁，2為內(nèi)側(cè)擋塊，3為外側(cè)擋塊，4為蓋梁）。內(nèi)擋塊作為第1道防線首先破壞，消耗一部分地震輸入能量，向外側(cè)倒塌后，形成粗糙滑動面，在主梁滑動時繼續(xù)消耗能量；外擋塊作為最后1道防線，確保預期大震作用下主梁不發(fā)生落梁現(xiàn)象。

（2）雙層抗震擋塊II（王克海，2014）：在橋梁橫軸上沿蓋梁設(shè)置多個擋塊，各擋塊與主梁之間的距離不同，如圖6所示（d1為內(nèi)層擋塊與主梁的間隙，d2為外層擋塊與主梁的間隙）。在地震作用下，擋塊逐個或逐批被剪壞，逐步消耗地震輸入能量。

圖5 雙層抗震擋塊I示意圖Fig.5 Illustration-I of the seismic double-layer stopper

圖6 雙層抗震擋塊II示意圖Fig.6 Illustration-II of the seismic double-layer stopper

（3）墊石凹槽分級限位支座（王克海等，2014a）：在無頂?shù)卒摪宓膫鹘y(tǒng)橡膠支座底部的墊石上設(shè)置凹槽，如圖7所示（1為橡膠支座，2為墊石，3為橡膠，4為鋼板，5為凹槽）。為防止在運營荷載作用下和小震時的支座滑移，中震作用下，支座可以滑移出第1道凹槽，大震作用下，支座可以滑移出第2道凹槽，利用橡膠支座的剪切變形和摩擦滑移耗散地震能量，保證橋梁不倒塌。

圖7 墊石凹槽分級限位支座示意圖Fig.7 Illustration of the grading limit bearing with grooves on the cushion stone

為驗證以上限位措施的實際效果，利用試驗或算例進行了驗證。結(jié)果表明，雙層擋塊可在不顯著增大結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移的同時，有效減小主梁與擋塊之間的撞擊力，降低落梁風險（王克海等，2014b）；墊石凹槽分級限位支座不僅具有較好的抗震效果，且具有不易脫落、震后易于更換等優(yōu)點。因此，以上幾種限位措施也可有效限制匝道橋位移，防止落梁。

4 結(jié)語

本文通過對采用不同約束方式的匝道橋進行抗震性能分析，得出以下主要結(jié)論及建議：

（1）全橋采用板式橡膠支座的匝道橋，其基本周期最長，主要是由于板式橡膠支座具有一定的剪切變形能力，使得橋墩與支座組成的體系剛度下降，可有效緩解上結(jié)構(gòu)地震慣性力，有效保護了下部結(jié)構(gòu)，但其代價是導致梁體產(chǎn)生較大位移并存在殘余位移，需同時設(shè)置一定的限位措施。本文建議的雙層擋塊和墊石凹槽分級限位支座具有較好的限位作用，且可通過逐層碰撞損傷或摩擦滑移來耗散部分地震能量。

（2）固定支座或墩梁固結(jié)的節(jié)點形式，往往會導致對應橋墩受力明顯放大，增加下部結(jié)構(gòu)損傷概率，因此，這類約束形式不能設(shè)置在高度較矮、剛度較大的橋墩上。

（3）鑒于匝道橋結(jié)構(gòu)的幾何形式復雜，其地震響應隨曲率半徑影響較大，下一步將對不同曲率半徑的匝道橋進行約束方式的合理性及適用性分析。