擋塊對連續梁橋板式橡膠支座隔震效果的影響研究

蔣智偉

（新疆維吾爾自治區交通規劃勘察設計研究院，新疆 烏魯木齊 830006）

0 引言

橋梁作為交通基礎設施的結點和樞紐工程，尤其是中、小跨徑簡支梁橋或連續梁橋更是當前高速公路的重要組成部分，在道路交通系統中扮演著極為重要的角色，橋梁結構的抗震安全已成為工程界最為重視的問題之一［1］［2］［3］。據統計，2008年5·12汶川地震中遭受毀壞的橋梁高達5 560座，其中大多數中、小跨徑梁式橋的橫向震害多數與擋塊發生了斜截面脆性剪切破壞相關，這一現象引發了國內外工程師對橋梁，尤其是中、小跨徑簡支梁橋或連續梁橋抗震安全的擔憂和思考。

采用板式橡膠支座的中、小跨徑橋梁一般都選用T梁、小箱梁、空心板作為上部結構。這類橋梁在國內的設計、施工上基本就是將板式橡膠支座直接置于支座墊石上，沒有其他的連接構造措施，這種薄弱的橫向約束方式在地震的往復作用下很容易發生破壞，引發落座、落梁等災害。為了控制主梁的橫向位移，國內的工程師們通常會按照構造措施，在橋墩蓋梁的兩側或橋臺臺帽的兩邊設置鋼筋混凝土擋塊。根據已有資料，在地震作用下，鋼筋混凝土擋塊的破壞非常普遍，而且非常嚴重，主要以脆性的斜截面和豎截面剪切破壞為主。因此在考慮水平地震力作用時，擋塊是受力構件，僅對其進行構造設計是不恰當的，對于擋塊的合理設計和施工值得進一步深思。

鑒于此，本文以汶川地震中普遍出現的鋼筋混凝土擋塊破壞、支座破壞、落梁等地震災害為研究背景，選取了某座典型橋例，建立了非線性三維分析模型，進行擋塊對連續梁橋板式橡膠支座隔震效果的影響研究。

1 背景工程及有限元模擬

背景工程為四等跨小箱梁橋，單跨長30m，總長120m，兩端為橋臺。橋面寬12．25m，由3片C50小箱梁拼成；每片箱梁下安置6個圓板橡膠支座，每側2個，其中，橋墩上的型號為GYZ350×96mm，橋臺上的型號為GYZ250×74mm。橋墩為矩形單柱式橋墩，順橋向尺寸為1．0m，橫橋向尺寸為3．0m，墩底到支座 高 度 分 別 為25．0m、12．5m、25．0m；蓋 梁 高1．5m，順橋向尺寸為1．2m，橫橋向尺寸為10．2m，蓋梁兩側分別設置一個梯形截面的鋼筋混凝土擋塊。基礎為41．2m鉆孔灌注樁，承臺平面尺寸為4．5m×7．0m，高2．0m，下部構造采用C30混凝土。如圖1所示。

本文采用OpenSEES程序建立全橋三維空間精細化有限元模型，主梁采用彈性梁柱單元（Element－Elastic Beam Column）模擬；墩柱采用使用纖維截面（Fiber－Section）的三維彈塑性非線性梁柱單元（Element－Nonlinear Beam Column）模擬；板式橡膠支座采用非線性平滑動單元（Element－Flat Slider Bearing）模擬；鋼筋混凝土擋塊參考徐略勤等人［4］［5］的試驗結論，采用自定義非線性滯回單元模擬；橋臺采用理想彈塑性間隙材料（Elastic－Perfectly Plastic Gap Material）框架單元（Truss Element）模擬，樁基礎采用集中土彈簧模擬。

圖1 橋型布置及細部結構圖

2 地震動的輸入

地震動非常復雜，具有很強的隨機性。地震動的輸入是結構抗震設計、計算的重要前提，因此，選擇合適的地震動輸入是進行時程分析非常重要的一步。

本文采用實際地震加速度記錄進行結構的地震響應分析。下頁表1列舉了本章非線性時程分析所選用的7條加速度時程波，這些地震波均取自太平洋地震工程中心（Pacific Earthquake Engineering Research Center，PEER）的地震波數據庫（PEER Strong Motion Database）。在本文的分析中，地震動沿橋梁的橫橋向輸入，不考慮縱橋向和豎向地震作用的影響，為便于數據處理和對比，將7條波的峰值加速度PGA統一調整為0．5g。

表1 數值分析所采用的地震加速度記錄表

3 數值分析

為研究擋塊對連續梁橋板式橡膠支座隔震效果的影響，本文對擋塊強度進行參數分析，分別假設擋塊的強度為各墩處恒載反力的10%、20%、30%、40%和50%。

由圖2可得，擋塊強度的變化對不同墩高橋例上支座的橫向變形限位程度不同，對高墩上支座最大變形參數的影響比矮墩的大。由圖2（a）可知，隨著擋塊強度的增加，1＃墩上支座的橫向變形不斷減小，在擋塊強度由10%增大到20%時，支座橫向變形減幅最大，并改變了支座在擋塊強度為10%時剪切破壞的狀態；在擋塊強度從20%增大到50%時，支座橫向變形的減幅很小且均處于正常工作狀態，未發生剪切破壞，發揮了擋塊限位的作用。由于2＃墩為比1＃墩剛度更大的矮墩，使得結構在地震作用下，2＃墩受力比1＃墩大，分配到每個支座上的剪力也較大，支座受剪后產生的變形也更大，因而需要更大的擋塊強度（50%）才能控制住支座的橫向變形，如圖2（b）所示。

可見，隨著強度的增加，擋塊能不同程度地降低支座的橫向變形，起到橫向限位的作用；由于橋例采用了不同的墩高布置，致使橋梁上高墩和矮墩受力不均勻，擋塊強度對高墩的影響比矮墩明顯。

圖2 支座最大變形參數與擋塊強度的變化關系圖

在討論分析擋塊強度的變化對主梁橫向包絡位移的影響時，在一般的圖表中所呈現的是主梁到達最大位移狀態下相對其初始位置的位移值，這其中就包括了下部結構對此包絡位移值的貢獻。為了更直觀地表現主梁的包絡位移以及相對于下部結構（即橋墩）的相對位移，采用了如圖3（a）所示的作圖方法：在主梁位移包絡圖的基礎上，在橋墩所在位置（主梁位置為30m、60m、90m處）處用墩頂位移包絡值替換此處主梁的位移包絡值。因為橋例是對稱結構，因而只取橋跨的一半進行分析，即主梁位置為30m處（1＃墩）和60m處（2＃墩）。

為了進一步討論分析參數的變化對主梁的實際滑移量（即主梁相對于橋墩墩頂之間的位移）的影響，采用了圖3（b）的作圖方式，即實際滑移位移＝主梁位移－橋墩墩頂位移，后文稱“主梁滑移位移”。值得注意的是，實際滑移位移本應該是主梁與蓋梁之間的相對位移，但本文通過標準化的方式進行了定性的分析，因此把主梁和墩頂之間的相對位移作為主梁的實際位移量是可以接受的，可以得到如下關系：主梁位移＝墩頂位移＋主梁滑移位移。

由圖3（a）可知，隨著擋塊強度的增加，橋梁橫向剛度也在增大，使得1＃墩（P1）和2＃墩（P2）的墩頂橫向位移不斷增加，主梁的橫向位移也隨之在增加。由圖2（b）可知，2＃墩為矮墩，在擋塊強度＜40%時，擋塊的破壞使得主梁橫向滑移位移值變化不大，在擋塊強度＞40%后，未破壞的擋塊發揮了其限位能力，使主梁滑移位移大幅下降；1＃墩為高墩，相比之下，受力明顯小于2＃墩，強度為20%的擋塊就能顯著地控制住主梁的橫向滑移位移。

圖3 主梁位移與擋塊強度的變化關系圖

圖4為不同擋塊強度下擋塊的力－位移曲線圖。從圖中可以看出，由于1＃、2＃墩墩高的不同，因此1＃、2＃擋塊屈服的強度也不同。對于1＃高墩來說，1＃擋塊的受力明顯小于2＃擋塊，當擋塊強度達到20%時，擋塊就不會發生完全破壞，和上文分析一致，在此強度下主梁橫向位移也得到了較好限制。對于2＃矮墩，如圖4（b）所示，2＃擋塊受力較大，擋塊強度為10%、20%、30%時都發生完全破壞。

圖4 不同擋塊強度下的擋塊力－位移曲線圖

4 結語

本文主要研究了擋塊對采用板式橡膠支座的連續梁橋橫向地震反應的影響，討論了擋塊強度對橋梁地震響應的作用規律，主要結論如下：

（1）一座橋例中不同墩高決定了橋梁的整體橫向剛度分布，導致橋例中高墩和矮墩受力上有很大的差異，矮墩受力明顯大于高墩；

（2）隨著擋塊強度的增加，橋梁橫向剛度隨之增大，橫向限位能力增強，支座的橫向變形和主梁的橫向位移均明顯減小；

（3）由于橋例中高墩和矮墩剛度差異導致內力分配的不均勻，矮墩受力明顯大于高墩，使得在擋塊強度較低時矮墩上擋塊都發生破壞，而高墩上的擋塊均完好。