鐘聞華，游 新

(青海省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，西寧 810008)

簡(jiǎn)支梁橋是我國(guó)橋梁建設(shè)中使用最廣泛的橋型，其設(shè)計(jì)構(gòu)造上一般采用板式橡膠支座作為支承，在橫橋向設(shè)置混凝土擋塊。在抗震設(shè)計(jì)理念上，簡(jiǎn)支梁橋仍采用延性抗震設(shè)計(jì)方法，通過(guò)引入能力保護(hù)設(shè)計(jì)原則、延性構(gòu)造細(xì)節(jié)和抗震措施來(lái)確保結(jié)構(gòu)遭遇地震時(shí)滿足設(shè)防目標(biāo)要求[1]。然而，在近期發(fā)生的地震中，采用板式橡膠支座的簡(jiǎn)支梁橋震害主要表現(xiàn)為主梁移位、支座剪切變形或滑移、擋塊剪切破壞，而橋墩破壞率較低[2-3]。這種震害表現(xiàn)跟預(yù)期結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)稍有差別，這引起了學(xué)者的廣泛關(guān)注。

對(duì)于板式橡膠支座的力學(xué)特性，李沖等[4]探討了不同壓應(yīng)力下單面錨固板式橡膠支座的摩擦滑移、剛度及滯回耗能特性；李瑞[5]對(duì)不同錨固條件下板式橡膠支座進(jìn)行了試驗(yàn)，研究了3種不同連接方式的支座在不同加載工況下的本構(gòu)關(guān)系；項(xiàng)乃亮等[6]對(duì)單面錨固形式支座與鋼板間的滑動(dòng)摩擦效應(yīng)進(jìn)行了足尺試驗(yàn)研究，并提出了力學(xué)模型。對(duì)于橫向混凝土擋塊，在近年來(lái)地震中，混凝土擋塊起到了較好的限位作用，且損傷比較普遍，各國(guó)學(xué)者對(duì)混凝土擋塊進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究。Megally等[7-8]最早對(duì)混凝土擋塊進(jìn)行了試驗(yàn)研究，重新校核了已有擋塊能力設(shè)計(jì)公式的有效性及提供可用于準(zhǔn)確計(jì)算擋塊能力的數(shù)值模型；汶川地震后，徐略勤等[9-11]基于混凝土擋塊試驗(yàn)研究結(jié)果，提出了修正的滑移剛體模型，并設(shè)計(jì)了可保證損傷僅局限于擋塊處而蓋梁與臺(tái)帽基本完好的新型擋塊；鄭萬(wàn)山等[12]對(duì)5個(gè)擋塊進(jìn)行了試驗(yàn)，提出了擋塊抗震能力計(jì)算公式，研究成果可為擋塊精細(xì)化設(shè)計(jì)計(jì)算提供理論依據(jù)。然而在改進(jìn)采用板式橡膠支座簡(jiǎn)支梁橋的抗震設(shè)計(jì)方法和量化抗震構(gòu)造設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)上還需進(jìn)一步研究。

本文以一典型的3跨板式橡膠支座的簡(jiǎn)支梁橋?yàn)檠芯繉?duì)象，采用增量動(dòng)力分析方法，對(duì)不同水平地震作用下結(jié)構(gòu)構(gòu)件損傷順序和損傷狀態(tài)進(jìn)行分析，揭示簡(jiǎn)支梁橋地震損傷過(guò)程，并探討相關(guān)重要因素的影響，以期為簡(jiǎn)支梁橋的抗震設(shè)計(jì)方法改進(jìn)及抗震構(gòu)造措施設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程背景及有限元建模

1.1 工程概況

選取1座單跨跨徑為30 m的3跨簡(jiǎn)支梁橋進(jìn)行分析。主梁由4片高1.5 m的小箱梁組成，每片主梁兩端由2個(gè)板式橡膠支座支承。橋墩為圓形雙柱式橋墩，單柱直徑1.6 m，墩高8 m，間距6.8 m。橋墩縱筋為32根直徑28 mm的HRB400鋼筋。蓋梁長(zhǎng)10.8 m，寬1.8 m，高1.5 m。在墩臺(tái)橫橋向設(shè)置混凝土擋塊，初始間距2 cm。主梁采用C50混凝土，橋墩采用C30混凝土。橋址為Ⅱ類場(chǎng)地，抗震設(shè)防烈度為Ⅶ級(jí)。

1.2 有限元模型建立

采用OpenSees建立全橋有限元模型，如圖1所示，橋梁支座、鋼筋混凝土擋塊、橋臺(tái)和梁間縫單元等關(guān)鍵構(gòu)件的本構(gòu)模型如圖2所示。采用三維彈性梁?jiǎn)卧獊?lái)模擬主梁和蓋梁，采用平滑動(dòng)支座單元(flatSliderBearing)來(lái)模擬板式橡膠支座，如圖2(a)所示，支座摩擦系數(shù)μ取0.20，屈服力Fd=μN(yùn)(N為支座豎向反力，kN)。為考慮主梁與鋼筋混凝土擋塊間的碰撞作用，在OpenSees中可采用一縫(Gap)單元與鋼筋混凝土擋塊模型串聯(lián)，其中鋼筋混凝土擋塊模型參考湯虎等[13]建議的鋼筋混凝土擋塊簡(jiǎn)化滯回模型，該模型建議采用2個(gè)并聯(lián)的滯回材料模型來(lái)分別模擬混凝土和鋼筋的貢獻(xiàn)，鋼筋混凝土擋塊的簡(jiǎn)化滯回模型如圖2(b)所示，模型關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算值如表1所示。對(duì)于橋臺(tái)，可將一彈塑性材料屬性賦予給一零長(zhǎng)度(ZeroLength)單元，并通過(guò)串聯(lián)一個(gè)縫(Gap)單元來(lái)考慮主梁與橋臺(tái)間的碰撞，如圖2(c)所示，彈塑性材料力學(xué)參數(shù)參考Caltrans[14]，其中，剛度Kabut=1.26×106kN/m，屈服力Fy=1 674 kN。主梁間的碰撞采用剛度較大的縫(Gap)單元來(lái)模擬，如圖2(d)所示，剛度值Kg可取1×107kN/m。不考慮樁-土相互作用，墩底固結(jié)。

根據(jù)場(chǎng)地類別，建立目標(biāo)譜[15]，生成3條人工地震波，其對(duì)應(yīng)的反應(yīng)譜、均值譜及目標(biāo)譜如圖3所示。均值譜與目標(biāo)譜相匹配，并沿縱橋向和橫橋向分別輸入，最終結(jié)果取3條地震波分析結(jié)果的最大值。本文采用增量動(dòng)力分析方法，將3條地震波的峰值加速度由0.1g逐漸增加到0.8g。

(a) 三維視圖

表1 工程案例橋梁鋼筋混凝土擋塊模型關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算值

圖3 分析用地震動(dòng)反應(yīng)譜和目標(biāo)譜

2 簡(jiǎn)支梁橋地震損傷過(guò)程分析

2.1 主要構(gòu)件損傷狀態(tài)及指標(biāo)

將橋梁各主要構(gòu)件損傷狀態(tài)劃分為5級(jí)，即無(wú)損傷、輕微損傷、中等損傷、嚴(yán)重?fù)p傷及完全破壞。其中，以支座位移[16]、擋塊頂部位移[13]及橋墩曲率來(lái)分別建立支座、擋塊及橋墩的損傷指標(biāo)；對(duì)于橋臺(tái)，其損傷狀態(tài)參考文獻(xiàn)[17]建立，具體信息如表2所示。

2.2 橫橋向損傷

1) 支座及擋塊位移

將生成的3條地震動(dòng)沿橫橋向分別輸入，最終結(jié)果取3條地震波分析結(jié)果的最大值。P1號(hào)橋墩處支座在不同峰值地震加速度時(shí)的最大橫向位移值如圖4所示。由圖4可以看出，支座在 0.3g時(shí)超過(guò)了臨界滑移值，說(shuō)明支座開(kāi)始滑動(dòng)，發(fā)生了輕微損傷。地震峰值加速度(PGA)達(dá)到0.4g時(shí)，支座發(fā)生中等損傷。當(dāng)PGA為0.5g時(shí)，支座位移達(dá)到118.6 cm，此時(shí)支座出現(xiàn)了部分出現(xiàn)脫空，支座進(jìn)入嚴(yán)重?fù)p傷狀態(tài)。當(dāng)PGA達(dá)到0.7g時(shí)，支座發(fā)生完全破壞，支座將可能出現(xiàn)完全脫落。

表2 主要受力構(gòu)件損傷狀態(tài)及指標(biāo)

圖4 支座與擋塊位移響應(yīng)

由圖4還可以看出，由于擋塊與主梁初始間距較小，在 0.1g時(shí)，主梁與擋塊發(fā)生碰撞，且隨后擋塊便進(jìn)入輕微損傷狀態(tài)。在PGA為0.4g時(shí)，擋塊位移為79.2 mm，即發(fā)生了嚴(yán)重?fù)p傷。在PGA為0.7g時(shí)，擋塊完全破壞，失去了限位作用。

2) 橋墩響應(yīng)

不同PGA時(shí),P1-1號(hào)橋墩墩底曲率如圖5所示。由圖5可以看出，在PGA小于0.3g時(shí)，墩底曲率小于1.30×10-31/m，橋墩未發(fā)生損傷。PGA達(dá)到0.3g后，橋墩發(fā)生輕微損傷，橋墩墩身出現(xiàn)明顯裂縫，且部分鋼筋開(kāi)始屈服。在PGA達(dá)到0.5g后，橋墩進(jìn)入中等損傷，局部混凝土保護(hù)層出現(xiàn)壓碎和剝落，塑性鉸基本形成。但此后墩底曲率增加幅值較小，且未有破壞狀態(tài)改變。

圖5 橋墩橫向曲率變化

2.3 縱橋向損傷

1) 支座及橋臺(tái)位移

1號(hào)橋墩處支座在不同峰值地震加速度時(shí)的最大縱向位移值如圖6所示。由圖6可以看出，支座在 0.2g時(shí)超過(guò)了臨界滑移值，支座發(fā)生滑動(dòng)，進(jìn)入輕微損傷狀態(tài)。在PGA到0.3g時(shí)，支座發(fā)生中等損傷；在PGA達(dá)到0.7g時(shí)，支座位移為120.5 mm，支座進(jìn)入嚴(yán)重?fù)p傷狀態(tài)。直到PGA達(dá)到0.8g，支座縱向位移也未超過(guò)174 mm，未進(jìn)入嚴(yán)重?fù)p傷狀態(tài)。其主要原因是縱橋向相鄰跨和橋臺(tái)之間起到了相互限位的作用。

圖6 支座縱橋向位移

由圖6還可以看出，在0.3g時(shí)，主梁與橋臺(tái)發(fā)生了碰撞，且在PGA為0.4g時(shí)，橋臺(tái)位移為15.67 mm，橋臺(tái)發(fā)生屈服，進(jìn)入了輕微損傷狀態(tài)。直到PGA為0.8g，橋臺(tái)最大位移為51.5 mm，橋臺(tái)剛進(jìn)入中等損傷狀態(tài)。

2) 橋墩響應(yīng)

不同PGA時(shí)，P1-1號(hào)橋墩墩底縱橋向曲率如圖7所示。由圖7可以看出，在PGA小于0.3g時(shí)，墩底曲率小于1.30×10-31/m，橋墩未發(fā)生損傷。在PGA達(dá)到0.3g后，橋墩發(fā)生輕微損傷，橋墩墩身出現(xiàn)明顯裂縫，且部分鋼筋開(kāi)始屈服。在PGA達(dá)到0.4g后，橋墩進(jìn)入中等損傷，局部混凝土保護(hù)層出現(xiàn)壓碎和剝落，塑性鉸基本形成。直到PGA為0.8g時(shí)，橋墩未進(jìn)入嚴(yán)重?fù)p傷狀態(tài)。

圖7 橋墩縱向曲率變化

2.4 簡(jiǎn)支梁橋損傷模式

根據(jù)上述構(gòu)件損傷狀態(tài)分析可知，支座與橫橋向擋塊是最先發(fā)生損傷而且是損失最嚴(yán)重的構(gòu)件，而橋墩損傷相對(duì)較輕，橋臺(tái)最遲發(fā)生損傷且損傷最輕。主要是因?yàn)榘迨较鹉z支座通常是活動(dòng)式的，沒(méi)有施加錨固措施，地震作用下易發(fā)生剪切變形及滑移，帶動(dòng)了主梁移位，導(dǎo)致主梁與擋塊及橋臺(tái)發(fā)生碰撞，同時(shí)滑移起到一定的隔震作用，減輕了橋墩所受的地震力。簡(jiǎn)支梁橋損傷過(guò)程及損傷狀態(tài)與近年來(lái)我國(guó)地震中采用板式橡膠支座的簡(jiǎn)支梁橋?qū)嶋H震害相近。

3 簡(jiǎn)支梁橋地震損傷影響因素分析

3.1 結(jié)構(gòu)型式

為分析不同結(jié)構(gòu)型式下結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，將簡(jiǎn)支梁橋研究對(duì)象改為相同條件的3×30 m的連續(xù)梁橋，并對(duì)2種橋型在縱橫橋向地震響應(yīng)進(jìn)行對(duì)比分析。2種結(jié)構(gòu)橋墩墩底曲率對(duì)比如圖8所示。由圖8可以看出，2種結(jié)構(gòu)橋墩損傷情況相似，發(fā)生損傷的狀態(tài)一樣，在PGA達(dá)到0.8g也僅處于中等損傷。

圖8 墩底曲率對(duì)比

2種結(jié)構(gòu)橋臺(tái)位移對(duì)比如圖9所示。由圖9可以看出，連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)的橋臺(tái)位移要明顯大于簡(jiǎn)支梁橋，主因是連續(xù)梁橋上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量大，產(chǎn)生的碰撞作用就更大。因此，對(duì)于采用板式橡膠支座的連續(xù)梁橋，更需要設(shè)置縱向限位。在主梁縱向碰撞方面，簡(jiǎn)支梁橋要優(yōu)于連續(xù)梁橋，但簡(jiǎn)支梁橋也需在伸縮縫處增加緩撞裝置。

3.2 支座摩擦系數(shù)

板式橡膠支座作為連接上下部結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵構(gòu)件，其摩擦特性對(duì)上下部結(jié)構(gòu)影響較大，對(duì)比分析了不同摩擦系數(shù)對(duì)支座位移及橋墩曲率的影響，如圖10、圖11所示。但限于篇幅，此處僅列出橫橋向響應(yīng)對(duì)比情況。由圖10可以看出，支座摩擦系數(shù)對(duì)橋墩地震響應(yīng)影響較大，墩底曲率隨著摩擦系數(shù)增加而增大，且PGA越大差值越大。由圖11可以看出，在PGA小于0.3g時(shí)，支座僅發(fā)生剪切變形，位移值相差較小。而隨著PGA增大，支座摩擦系數(shù)對(duì)支座位移影響增大，且有摩擦系數(shù)越大支座位移相對(duì)較小的趨勢(shì)。因此，支座摩擦系數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)上下部結(jié)構(gòu)影響較大，在采用板式橡膠支座的橋梁中可通過(guò)有效的措施來(lái)選擇合理的支座摩擦系數(shù)。

圖9 橋臺(tái)位移對(duì)比

圖10 摩擦系數(shù)對(duì)墩底曲率的影響

圖11 摩擦系數(shù)對(duì)支座位移的影響

4 結(jié)論

本文采用IDA分析方法分析了不同水平地震作用下簡(jiǎn)支梁橋主要受力構(gòu)件的地震響應(yīng)，并討論了相關(guān)影響因素，主要結(jié)論如下：

1) 增量動(dòng)力分析結(jié)果表明，板式橡膠支座和擋塊是簡(jiǎn)支梁橋中最易損部位，但同時(shí)也起到結(jié)構(gòu)地震保護(hù)的作用，下部結(jié)構(gòu)損傷較輕，分析過(guò)程較好揭示了地震中簡(jiǎn)支梁橋地震損傷過(guò)程。

2) 從抗震角度來(lái)看，相同條件下簡(jiǎn)支梁橋主梁縱向碰撞作用小于連續(xù)梁橋，但由于簡(jiǎn)支梁橋的橋面不連續(xù)性，需考慮增加梁間的防撞措施。

3) 支座摩擦系數(shù)對(duì)橋梁上下部結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)影響較大。隨著支座摩擦系數(shù)增加，橋墩地震響應(yīng)會(huì)增大，而支座位移會(huì)有減小。因此，可通過(guò)設(shè)計(jì)合理的支座摩擦系數(shù)來(lái)使結(jié)構(gòu)損傷整體較小。