梁側(cè)橫向擋塊間隙設(shè)置對橋梁結(jié)構(gòu)抗震響應(yīng)分析

張科峰

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

近幾十年來，世界范圍內(nèi)地震頻發(fā)，特別是幾次大地震均造成了重大的人員傷亡和國民經(jīng)濟(jì)損失，也對橋梁抗震設(shè)計(jì)理論產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。各種橋梁震害中，落梁是比較突出且嚴(yán)重的，因此防止落梁也成為橋梁抗震設(shè)計(jì)中重點(diǎn)關(guān)注點(diǎn)之一，而蓋梁端部設(shè)置的防震擋塊是常見又實(shí)用的橫向防落梁措施，在橋梁設(shè)計(jì)中普遍采用。

常規(guī)的混凝土擋塊設(shè)計(jì)中一般認(rèn)為通過增大截面或配筋以提高擋塊的剛度，以此來抵御地震效應(yīng)，因此擋塊應(yīng)“越強(qiáng)越好”。從最近幾次震害調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，中小地震下橫向抗震擋塊等限位裝置確實(shí)是越強(qiáng)越好[1]，因?yàn)樗芎芎玫乜刂粕喜拷Y(jié)構(gòu)橫向變位，從而防止落梁。但在強(qiáng)震作用下，其結(jié)果往往并非如此。上部結(jié)構(gòu)的地震慣性力大部分甚至全部會(huì)通過擋塊傳遞給下部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)，擋塊如果過于強(qiáng)大，在間隙較小的情況下，常用的板式橡膠支座不能充分發(fā)揮其減震作用，傳遞的地震力將會(huì)對下部結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重?fù)p傷，不利于震后修復(fù)，更有甚者發(fā)生倒塌，造成人員傷亡及重大經(jīng)濟(jì)損失。目前國內(nèi)現(xiàn)行的《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]、《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]僅對擋塊的設(shè)計(jì)提出一些概念或措施，對于擋塊剛度設(shè)計(jì)方法及構(gòu)造要求均沒有明確規(guī)定。實(shí)際設(shè)計(jì)中，往往也不區(qū)別烈度僅根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置擋塊。因此，尋求強(qiáng)震作用下?lián)鯄K的合理設(shè)置將十分有意義。擋塊設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的兩個(gè)方面即初始間隙和剛度，本文著重對初始間隙進(jìn)行研究。

初始間隙的設(shè)置，通?？紤]施工的便利，實(shí)際運(yùn)用中隨意性較大。而不合理的間隙值，有可能使上部結(jié)構(gòu)在碰撞中損壞，同時(shí)會(huì)對橋梁下部結(jié)構(gòu)抗震性能產(chǎn)生不利影響。國內(nèi)外部分學(xué)者，在研究上部結(jié)構(gòu)與橫向抗震擋塊間的碰撞效應(yīng)時(shí)發(fā)現(xiàn)，擋塊的初始間隙對結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)影響很大。綜上所述，本文結(jié)合某實(shí)際工程，通過分析不同初始間隙下橋梁結(jié)構(gòu)對地震的響應(yīng)，探討擋塊初始間隙的合理設(shè)置，以達(dá)到強(qiáng)震作用下對橋梁下部結(jié)構(gòu)的保護(hù)。

1 項(xiàng)目概況

圖1 規(guī)范E1反應(yīng)譜與安評譜對比圖

本橋?yàn)檠b配式預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T梁橋，路基寬度26 m，設(shè)計(jì)速度100 km/h，橋面凈寬2×12.75 m，設(shè)計(jì)荷載采用公路Ⅰ級。橋址區(qū)位于黃土高臺(tái)塬區(qū)，整體地勢相對平緩，沖溝普遍發(fā)育，呈典型的“雞爪”地形；局部溝壁稍陡，切割強(qiáng)烈，呈“V”或“U”字形。根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)繪及《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306—2015），項(xiàng)目區(qū)地震基本烈度為Ⅶ度，地震動(dòng)峰值加速度0.15g，反應(yīng)譜特征周期為0.40 s。而根據(jù)安評報(bào)告，橋址區(qū)E1地震反應(yīng)譜明顯放大，兩者對比見圖1，其最大值提高了約2.07倍，為更接近實(shí)際，本橋的抗震計(jì)算偏安全采用安評報(bào)告提供的地震參數(shù)。

上部結(jié)構(gòu)采用4×50 m一聯(lián)的先簡支后結(jié)構(gòu)連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，分幅設(shè)置，單幅橫向采用6片T梁，上部結(jié)構(gòu)典型橫斷面如圖2所示。

圖2 上部結(jié)構(gòu)典型橫斷面圖（單位：cm）

下部結(jié)構(gòu)蓋梁采用矩形鋼筋混凝土蓋梁，距蓋梁端部各15 cm設(shè)置混凝土防震擋塊，擋塊寬40 cm，高60 cm，長度方向與蓋梁縱橋向同寬。橋墩采用等截面矩形空心薄壁墩，橫向?qū)?.5 m，縱向根據(jù)墩高不同分別采用B=2.5 m、B=3.0 m和B=3.5 m，外側(cè)四角均設(shè)置R=15 cm的圓倒角，內(nèi)側(cè)設(shè)置40×40 cm倒角，壁厚縱橫向均采用60 cm，墩高大于45 m時(shí)墩身中部設(shè)置一道橫隔板。本次模型分析中的一聯(lián)橋梁橋墩縱向?qū)挾菳=2.5 m，墩高均為40 m，墩身一般橫斷面見圖3。

圖3 墩身一般橫斷面圖

連續(xù)墩支座采用HDR高阻尼隔震橡膠支座，型號為HDR(Ⅰ)570×620×247-G1.0；分聯(lián)墩采用LNR滑動(dòng)型橡膠支座，型號為LNR(H)370×470×147。基礎(chǔ)采用整體式群樁基礎(chǔ)，樁徑D=1.8 m，一般構(gòu)造如圖4所示。

圖4 橋墩一般構(gòu)造圖

2 計(jì)算模型

本橋下部結(jié)構(gòu)橫橋向力學(xué)簡化模型可如圖5表示，其中Ks代表蓋梁、橋墩及基礎(chǔ)的集成剛度，Kb代表板式橡膠支座剛度，Kc代表防撞擋塊剛度，M代表上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量，d0代表擋塊與主梁間初始間隙。從模型中可以看出，當(dāng)主梁與橋墩間的相對位移Δd小于d0時(shí)，擋塊不會(huì)受到撞擊，此時(shí)橋梁橫向剛度為Kb與Ks串聯(lián)后的合成剛度，即，主梁受到的水平力與位移關(guān)系為F1=K1x0。當(dāng)主梁與橋墩間的橫向相對位移Δd大于d0時(shí)，擋塊受到撞擊開始參與工作，主梁受到的慣性力通過支座和擋塊傳遞給橋墩，此時(shí)橫向剛度為Kb與Kc并聯(lián)再與Ks串聯(lián)后的合成剛度，即，主梁受到的水平力F=Kx+K2102(x-x0)，主梁受力與墩梁相對位移的關(guān)系如圖6所示。擋塊受到的撞擊力與墩梁相對位移的關(guān)系式如式（1）所示，示意圖見圖7。

圖5 橫橋向單墩力學(xué)簡化模型

圖6 主梁受力與墩梁相對位移關(guān)系圖

圖7 擋塊撞擊力與墩梁相對位移關(guān)系

3 有限元模型及地震波

3.1 三維有限元模型

圖8為利用Midas Civil 2019建立的4×50 m一聯(lián)三維有限元模型。上、下部結(jié)構(gòu)采用空間梁單元模擬，以反映其質(zhì)量及剛度在空間的分配。橋墩、承臺(tái)、樁基的連接均采用剛性連接，樁基考慮等代土彈簧的約束作用，地基水平抗力系數(shù)m動(dòng)=2.5m靜。擋塊與主梁間隙采用程序中提供的間隙單元模擬，彈性剛度按上述擋塊尺寸計(jì)算確定。

圖8 4×50 m一聯(lián)三維有限元模型

支座恢復(fù)力模型如圖9、圖10所示，其中各主要參數(shù)含義如下：K1為屈服前剛度；K2為屈服后剛度；Kh為水平等效剛度；Qy為屈服力；Q為設(shè)計(jì)阻尼力；Xy為屈服位移；X為容許位移。

圖9 固定支座恢復(fù)力模型圖

圖10 滑動(dòng)支座恢復(fù)力模型

3.2 地震波

E2作用下的地震波采用安評報(bào)告提供的橋位處3條地表加速度時(shí)程曲線，如圖11～圖13所示。分別按縱向、橫向輸入，計(jì)算中取3條波計(jì)算結(jié)果的最大值控制設(shè)計(jì)。

圖11 波1時(shí)程曲線

圖12 波2時(shí)程曲線

圖13 波3時(shí)程曲線

4 結(jié)果分析

如前所述，本文主要針對擋塊初始間隙進(jìn)行研究分析，因此為對比方便擋塊剛度采用固定值。模型中通過設(shè)置不同初始間隙：0.03 m、0.05 m、0.07 m、0.09 m、0.11 m共5個(gè)類型，得到3條地震波下橋梁構(gòu)件隨初始間隙的變化關(guān)系。限于篇幅，本次主要以連續(xù)墩為研究對象，圖14～圖19分別為橫橋向墩底最大剪力、最大彎矩，樁基最大剪力、最大彎矩，擋塊最大剪力及支座剪切變形影響圖。

圖14 橫橋向墩底最大剪力影響圖

圖15 橫橋向墩底最大彎矩影響圖

圖16 橫橋向樁基最大剪力影響圖

圖17 橫橋向樁基最大彎矩影響圖

圖18 橫橋向擋塊最大剪力影響圖

圖19 橫橋向支座剪切變形影響圖

從圖中可以看出，在強(qiáng)震作用下，隨著擋塊與梁體初始間隙的增加，橫橋向墩底剪力、彎矩均呈下降趨勢，7 cm之前減小非常明顯：墩底剪力減小約35%～48%，墩底彎矩減小約50%～60%；7 cm后有所緩和：墩底剪力減小約17%～30%，墩底彎矩減小約25%～40%。樁基與橋墩類似，總體呈現(xiàn)減小趨勢，曲線趨勢變化點(diǎn)基本也在7 cm位置處，減震效率變化見表1?？梢?，從抗震角度講增大擋塊初始間隙，能較好地降低橋墩及樁基內(nèi)力，起到保護(hù)下部結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)的作用。但并非間隙越大越好，間隙太大時(shí)擋塊限制梁體橫向位移的能力將大大降低，增加了落梁風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)蓋梁尺寸加大，下部結(jié)構(gòu)對地震的反應(yīng)有所加大，因此擋塊間隙的設(shè)置應(yīng)尋求各因素間的平衡，以達(dá)到經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠。

表1 橋墩及樁基內(nèi)力對比表

擋塊剪力隨著擋塊初始間隙的增加變化較大，但總體仍為減小趨勢。從圖中可以看出，在初始間隙7 cm時(shí)，擋塊剪力相對較小，之后雖有部分增大，但差值不大（剪力變化率見表2），可見設(shè)置7 cm的初始間隙是合適的。擋塊剪力變化對比表見表2。

表2 擋塊橫向剪力對比表

由于本橋采用HDR高阻尼隔震橡膠支座，相比一般普通板式橡膠支座擁有更大的剪切變形能力，本橋采用的型號其屈服位移為12 cm，因此本次間隙設(shè)置中支座的剪切變形隨擋塊初始間隙的增加基本呈線性增加。若間隙設(shè)置再增大，超過支座的容許位移，理論上擋塊將不與梁體發(fā)生碰撞，即擋塊剪切力為0，下部結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)在地震下的橫橋向內(nèi)力將趨于平穩(wěn)。

5 結(jié)語

本文以某實(shí)際工程為背景，通過設(shè)置不同擋塊初始間隙，分析在橫向地震時(shí)程作用下?lián)鯄K對橋梁結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響，以此探討擋塊初始間隙的合理設(shè)置。從分析結(jié)果可得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

a）擋塊初始間隙的設(shè)置對橋梁下部結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)受力影響顯著?？傮w來看，隨著擋塊初始間隙的增大，橋墩及樁基橫橋向受力均呈現(xiàn)減小趨勢，特別是間隙較小時(shí)，減震效果更加明顯。因此，從抗震角度講適當(dāng)增大擋塊的間隙有利于提高橋梁的抗震能力，在一定程度上起到保護(hù)下部結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)的作用。

b）從影響曲線可見，初始間隙7 cm基本為曲線的拐點(diǎn)，從對比表可知，7 cm之前減小效率顯著，7 cm之后仍能減小地震效應(yīng)，但趨勢有所變緩。因此，初始間隙設(shè)置在7 cm左右是經(jīng)濟(jì)合理的，這也與實(shí)際工程中擋塊的設(shè)置一致（實(shí)際工程中一般為5～10 cm）。

c）擋塊的碰撞力即擋塊橫橋向剪力隨初始間隙的增大亦呈減小趨勢，但并非間距越大剪力越小，即最大碰撞力并非出現(xiàn)在間隙為0時(shí)。因此，擋塊初始間隙的設(shè)置若不合理，有可能達(dá)不到預(yù)設(shè)的抗震效果，甚至是不安全的。

d）本橋支座采用HDR高阻尼隔震橡膠支座，隨著初始間隙的增大，支座的橫橋向剪切變形呈線性增加，間隙越大隔震支座滯回耗能的特性越容易發(fā)揮充分，因此下部結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)對地震的響應(yīng)減弱，提高了橋梁的抗震性能。倘若擋塊的初始間隙大于支座的容許位移時(shí)，理論上擋塊將不會(huì)受到碰撞，即擋塊的撞擊力為0，而橋墩及樁基的地震內(nèi)力也將趨于平穩(wěn)。

需要說明的是，為對比方便本文分析時(shí)擋塊剛度為固定值，而如引言所述，擋塊的合理設(shè)置中剛度是關(guān)鍵因素之一，因此擋塊的合理設(shè)置必須結(jié)合剛度與初始間隙、橋梁結(jié)構(gòu)、支座剛度及地震波特性等因素綜合確定。由于地震效應(yīng)的復(fù)雜性，想要完全計(jì)算清楚目前尚存在一定困難，因此實(shí)際設(shè)計(jì)中建議除了加強(qiáng)計(jì)算分析外，應(yīng)重視橋梁結(jié)構(gòu)的抗震措施，貫徹落實(shí)“多道設(shè)防、分級耗能”理念，確保橋梁結(jié)構(gòu)安全可靠。