橡膠伸縮縫對連續梁橋地震反應的影響

宋德琴 袁萬城

(同濟大學土木工程防災國家重點實驗室，上海200092)

1 引言

近年來地震災害成為地球上多發的自然災害，令人觸目驚心的災情不僅時時敦促著橋梁抗震設計理論日趨完善，更將國內外地震工作者的目光集中于對震害的調查研究上。國內外地震工作者多年來的研究表明，強震作用下，橋梁的伸縮縫位置處往往出現“碰撞”或“落梁”等震害，對結構安全的破壞極大，甚至破壞生命線工程，影響災后救災搶險工作[1-3]。近年來，國內外許多學者致力于研究限位裝置以及伸縮縫處“碰撞”現象的發生機理等，很少有人針對伸縮縫開展專門研究，國內現行的一般做法也并不考慮伸縮縫在地震中的作用，規范亦只視伸縮縫為構造措施。為了明確伸縮縫在地震作用下對橋梁的地震反應作用如何，并且考慮到板式橡膠伸縮縫具有簡明的傳力途徑，本文以某城市高架中一座連續梁為背景，在不同的場地條件下研究了橡膠伸縮縫彈性剛度變化對該橋地震反應影響。

2 數值分析模型

2.1 板式橡膠伸縮縫單元

板式橡膠伸縮縫利用圖1中1，2部分橡膠的剪切變形來適應橋面的伸縮位移[4]。其結構如圖1所示，是一種線彈性伸縮縫，本構關系如圖2所示。伸縮縫剛度只計入圖1中1，2部分的剪切剛度。普通橡膠剪切剛度的計算公式:

圖1 板式橡膠伸縮縫Fig.1 Slab type expansion joint

圖2 彈性伸縮縫恢復力特性Fig.2 Resilience characteristic for the elastic expansion joint in the numerical model

圖3 全橋計算模型Fig.3 Calculation model of the bridge

式中，G=1.2 MPa，為橡膠的剪切模量;A為剪切面積;∑t為橡膠層總厚度。

經過計算，橋寬26 m時縫寬80 mm的伸縮縫剛度約為1.5×104kN/m。為研究伸縮縫彈性剛度變化對結構地震反應的影響，將待研究橡膠伸縮縫剛度范圍設置為1×104～1×105kN/m，變化間距為1×104kN/m。

2.2 全橋模型的建立

以一座三聯連續梁橋(30+45+40+35+40+35+40+45+30)m為背景，上部結構為等截面預應力混凝土連續箱梁結構，橋寬26 m。下部采用等高度雙柱式框架墩，不考慮橋臺作用，基礎均為方形承臺下布置鉆孔灌注樁?；顒佣丈喜捎冒迨较鹉z支座，固定墩上采用固定盆式支座。相鄰聯之間設置板式橡膠伸縮縫。

Sap2000[5]動力分析模型采用三維空間有限元分析模型，如圖3所示。其中，主梁和橋墩采用梁單元模擬(假定橋墩不發生塑性變形)，群樁基礎考慮樁基周圍土體的約束，采用承臺底6個自由度的彈簧剛度模擬樁土相互作用，彈簧剛度值由“m法”計算確定。假設地震作用下固定支座不發生剪壞，故所有支座均采用線性連接單元模擬，將可活動方向彈性剛度設為0、不可活動方向剛度設為1×1011kN/m，以此做簡化處理。板式橡膠伸縮縫采用線性連接單元模擬。

3 動力特性分析

分析伸縮縫剛度對結構地震響應的影響，應首先研究橋梁相鄰聯的動力特性。本文對采用不同伸縮縫剛度的模型進行了動力特性分析。由于文中只考慮沿縱向的地震輸入和伸縮縫剪切剛度，故只研究橋梁的縱向動力特性。忽略高階振型的影響，且考慮到各模型的前十階振型中均只有前三階為縱向振型，因此將伸縮縫剛度變化對前三階周期的影響繪于圖4?？梢钥闯?，第一階周期在伸縮縫剛度增加至2×104kN/m后基本不變，而第二、第三階周期隨著伸縮縫剛度增加減小非常顯著。同樣，模型計入伸縮縫剛度后其縱向振動特點也發生了很大變化。由表1可以看出，不考慮伸縮縫影響時結構前三階的振動特點分別為第三聯、第一聯和第二聯的獨立縱向振動;而在有伸縮縫模型中，結構前三階振型均表現為三聯一起振動，振動特點分別為三聯同向縱向平移、第一和第三聯相對縱向平移、第二聯與第一和第三聯不同向縱向平移。

圖4 前三階縱向振型周期Fig.4 Longitudinal periods of the first three modes

表1 無/有伸縮縫模型的振型特點比較Table 1 Comparison of modal characteristics without/with expansion joint

4 地震反應時程分析

4.1 地震動輸入

地震輸入采用由《城市橋梁抗震設計規范》[6](JJ 166—2011)中地震烈度Ⅷ度區Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類場地而確定的反應譜曲線擬合的4條人工地震波，地震波的加速度峰值均調整為0.6g。4條地震波分別見圖5，阻尼比取5%。橫橋向振動不在本文的研究范圍內，故地震動僅沿縱向輸入。

圖5 Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ、Ⅳ類場地下的人工擬合地震波加速度時程Fig.5 Synthetic seismic waves under different construction conditions of site

4.2 位移響應變化規律

圖6所示為第二、三聯間相向運動時縱向相對位移最大值(即伸縮縫的縱向壓縮變形最大值)隨伸縮縫剛度增加的變化情況。如前所述，本文在伸縮縫位置的預留縫隙是8 cm，即當該相對位移大于等于8 cm時可認為相鄰聯的梁端已經發生碰撞。由圖可以看出，在四類場地條件下，不設置伸縮縫時(對應K=0)結構相鄰聯的相向運動均非常明顯，可視結構已經發生碰撞?？紤]伸縮縫作用后，相鄰聯相向運動的縱向相對位移明顯減小，并且隨著伸縮縫剛度的增加，該位移越來越小，說明伸縮縫對于防止由相鄰聯相向運動而產生的梁體碰撞效果明顯。

圖6 相鄰聯相向運動縱向相對位移最大值Fig.6 Relative longitudinal displacement betweenthe adjacent beam ends

圖7所示為橋梁第二聯活動墩(見圖3中標示)的墩、梁相對位移最大值隨伸縮縫剛度K增加的變化規律?？梢钥闯觯冖耦悺ⅱ箢惡廷纛悎龅刈饔孟略撓鄬ξ浑S著K增加呈現明顯的先減小后增大的規律，且相比同類場地作用下不考慮伸縮縫剛度時(K=0)分別最多減小30%、10%和10%;數據顯示，在Ⅱ類場地作用下也有類似的規律，但是變化得不明顯，最多減小了5.8%。

圖7 活動墩墩、梁縱向相對位移最大值Fig.7 Relative displacement of the non-fixed pier

4.3 內力響應變化規律

連續梁結構的設計中，一般只設置一個固定墩。地震作用下，縱橋向的地震荷載基本由設置在固定墩上的固定支座來承受，固定墩及其下部基礎處于不利的受力狀態[7，8]。因此，分析橡膠伸縮縫對結構內力的影響時以固定墩墩底為關鍵截面，考察其剪力和彎矩變化。由圖8可以看出，在不同場地條件下該剪力變化規律不一致:Ⅰ類場地下考慮伸縮縫剛度時固定墩墩底剪力最大值相比K=0時最多約增加25%;Ⅱ類場地下固定墩墩底剪力基本不變;Ⅲ類場地和Ⅳ類場地下該剪力的變化規律類似，均為先增加后逐漸減小，相比各場地條件下K=0時分別最多增加約5.4%和6.1%，最多減小分別4.2%和6.1%。固定墩墩底彎矩變化情況與墩底剪力一致，可見圖9，不再贅述。

圖8 固定墩墩底剪力最大值Fig.8 Shearing force of the fixed pier

圖9 固定墩墩底彎矩最大值Fig.9 Bending moment of the fixed pier

4.4 伸縮縫變形與內力

考慮伸縮縫剛度增加引起的伸縮縫最大變形和最大剪力變化情況，如圖10、圖11所示。隨著伸縮縫剛度增加，伸縮縫的變形不斷減小，可以看出伸縮縫剛度較大時這種減小的趨勢逐漸變緩，說明伸縮縫剛度增加能控制相鄰聯的縱向相對位移;而伸縮縫的內力也必然先隨之快速增加，當伸縮縫剛度較大時其增加的趨勢也相應逐漸減緩。

圖10 伸縮縫縱向變形最大值Fig.10 Deformation of expansion joint

圖11 伸縮縫剪力最大值Fig.11 Shearing force of expansion joint

5 結論與展望

為了直觀具有彈性剛度的板式橡膠伸縮縫對于連續梁橋的地震反應的影響，本文首先對比分析了無伸縮縫模型和有伸縮縫模型的動力特性，并在四類不同場地作用下研究了伸縮縫剛度變化對其自身的內力與變形、結構相鄰聯相向運動、墩梁相對位移及墩底內力的影響。研究結果表明:

(1)伸縮縫能減小結構相鄰聯的縱向基本周期;

(2)伸縮縫剛度增加對于限制由相鄰聯相向運動產生的碰撞效果明顯;

(3)伸縮縫剛度增加可在一定程度上減小墩、梁相對位移，但是伸縮縫剛度持續增加對限制墩、梁相對位移并無明顯作用;

(4)在不同場地條件下，伸縮縫發揮限位能力的同時固定墩墩底內力的變化情況并不一致。

因此，在結構設計中可以考慮加強伸縮縫的設計，在滿足結構正常使用條件下的位移需求的同時，發揮一定的限位能力;并應保證伸縮縫與梁端的有效連接，以此避免伸縮縫位置在地震作用下成為結構的薄弱環節。

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