裝配式連續梁橋抗震性能分析

劉米多 錢鼎 李驚濤 尹雪夢 覃吉寧

摘 要：支座是橋梁抗震設計的薄弱環節，文章對裝配式連續梁橋抗震性能進行分析，以某連續梁橋為計算實例印證了大震條件下考慮橋梁的支座損傷，即支座作為保險絲式單元優先破壞，可以比較有效地控制梁體位移和墩底的地震反應。

關鍵詞：斜拉橋；抗震分析；動力特性

1 工程概況

近幾年來，世界范圍內發生多次強烈地震，不僅造成了重大的人員傷亡，而且損毀了城市的基礎設施，特別對橋梁結構造成了嚴重的損毀破壞，導致了巨大的財產損失[1]。與橋梁結構抗震相關問題的研究工作變得尤為迫切。

以某五跨預應力混凝土連續梁橋為工程背景，跨徑布置為96+3×160+90 m，主橋上部采用五跨預應力混凝土變高度直腹板連續梁，單箱單室。單幅箱梁頂板寬13.50 m，底板寬7.0 m，懸臂寬3.25 m。梁高在主墩處為8.5 m，在主跨跨中和邊跨端部為3.5 m，箱梁梁高和底板厚度均按二次拋物線變化。下部結構主墩采用帶帽梁圓柱實體墩，直徑5 m。上部箱梁采用C55號混凝土，墩帽、墩身采用C40號混凝土。分析了地震作用下該橋的抗震性能。采用有限元程序MIDAS Civil對全橋建立三維空間有限元模型，分析了地震作用下該橋的抗震性能，如圖1所示。分析了支座損傷和限位裝置的非線性對橋梁結構彈塑性地震反應的影響，不僅提出了可以綜合考慮支座損傷和與限位裝置接觸以及材料非線性的單元滯回曲線模型，同時也印證了當活動支座喪失滑動性能，即發生破壞且與限位裝置發生接觸時，既可以限制梁體的位移，又可以有效地降低固定墩的地震反應。

2 結構有限元建模

計算分析中，不考慮地基、樁基礎和樁土結構等的相互作用，墩底與地面固結，用限位裝置模擬支座損傷（見表1）。橋墩均采用非線性彈塑性單元，非線性變形規律采用修正的Takeda計算模型（Modified Takeda Type），塑性鉸設置在墩底，塑性鉸長度取2/3b，其中b為矩形截面的短邊尺寸或者圓形截面直徑。為了簡化分析，在有限元模型中略去了碰撞力的作用，沿橋梁橫橋向布置限位裝置且僅對橋梁橫橋向的地震反應進行研究。

（1）方案一：忽略支座摩擦力，簡稱橋墩彈塑性方案，是連續梁橋進行彈塑性抗震分析時的慣用方案。

（2）方案二：考慮活動支座的摩擦力，不考慮限位裝置作用，簡稱支座摩擦方案。將支座簡化成理想彈塑性模型，取活動支座的摩擦系數為μd=0.02，屈服位移為xy=0.005，支座發生滑動后剛度為0。

（3）方案三：支座滑動一定距離后，限位裝置阻止其相對滑動，不考慮限位裝置的破壞，即按彈性考慮，簡稱彈性限位裝置方案。支座限位裝置初始位移取0.1 m。

（4）方案四：限位裝置進入塑形狀態，或者支座發生剪切破壞，簡稱非線性限位裝置方案。此方案通過在模型中調整限位裝置的臨界屈服力和剛度來實現[2]。

3 有限位裝置的活動支座單元模型

地震作用下，存在支座限位裝置的支座活動范圍受限，當梁橋縱向變形較大時可能引起碰撞接觸問題，從而主梁和下部結構橋墩間的支座和限位裝置等連接構件將可能進入非線性狀態。這個過程可以分為以下5點來描述。

（1）活動支座未開始滑動，支座處于彈性狀態，橋墩與主梁彈性連接。

（2）活動支座開始滑動，但支座剛度較小，可忽略，橋墩與主梁之間僅有摩擦力作用。

（3）位移達到一定程度，活動支座繼續滑動，限位裝置開始起作用，橋墩與主梁通過限位裝置連接，傳遞力為活動支座摩擦力與限位裝置的作用力之和。

（4）活動支座繼續滑動，限位裝置進入非線性，傳遞力仍為活動支座摩擦力與限位裝置的作用力之和。

（5）主梁反方向運動，卸載。

用滑動摩擦單元（理想彈塑性模型）模擬活動支座，根據滑動摩擦單元和碰撞接觸單元的特性建立可以同時考慮支座摩擦及限位裝置雙重非線性作用的支座單元[3]。

4 動力特性計算與分析

選用El Centro波（峰值加速度0.356 9 g，持續時間53.72 s）并擴大2倍系數模擬大震條件，分別輸入橫向+豎向（2/3）組合、縱向+豎向（2/3）組合作用下的地震動。

通過對橋梁進行動力特性計算，結果如圖2—3所示。

（1）當采用方案一時，各橋墩墩底的彎矩和曲率最大，且全面進入塑性狀態，極有可能發生破壞。當采用方案二時，各橋墩墩底的彎矩和曲率最小。

（2）當采用方案三時，考慮活動支座的摩擦和限位裝置的彈性作用，各橋墩墩底的彎矩和曲率均較方案二、四大，且2#、5#活動墩的內力變化非常明顯。

（3）當采用方案四時，考慮活動支座的摩擦和限位裝置的非線性作用，各墩墩底的截面彎矩和曲率均較方案三有所減小，但進入塑性的中活動墩墩底曲率幾乎沒有變化，而固定墩墩底曲率減小22.8%，非常明顯。說明當限位裝置進入非線性后，耗散了更多的地震動能量，從而有效地降低了固定墩墩底的地震反應[4]。

5 結語

本文建立了考慮支座、限位裝置及墩身彈塑性的橋梁整體計算有限元模型并進行地震反應分析，結果表明：（1）在大震條件下，當活動支座喪失滑動性能，極有可能造成橋墩的破壞，在抗震設計時需要對橋墩配置一定量的鋼筋保證其延性。（2）采用限位裝置可以比較有效地限制梁體位移、降低固定墩的地震反應，同時均衡各墩間的分布地震力作用。（3）當活動支座喪失滑動性能且與限位裝置發生接觸時，既可以限制梁體的位移，又可以有效地降低固定墩的地震反應。（4）對于不同的橋梁結構，可以通過改變限位裝置與活動支座的初始距離、限位裝置的剛度和屈服強度，以及支座的摩擦系數和剛度等，尋求既能有效地防止上部結構位移過大、又能降低固定墩的地震反應以及均衡地震動輸入能量在各墩之間的均衡分配的優選方案。

[參考文獻]

[1]倪永軍，朱晞.以地震動衰減關系為基礎的設計譜研究[J].地震學報，2001（6）：663-668.

[2]KANEKO Y，CONNOR J J，THANASSIS T C，et al.Shear keys：fracture mechanics approach for failure of concrete shear key.I theory[J].Journal of Engineering Mechanics，1993（4）：681-699.

[3]劉榮燦，王克成，唐紅梅，等.橋梁抗震設計中滑移擋塊作用機理[J].重慶交通學報（自然科學版），2010（2）：171-173，279.

[4]許祥，劉偉慶，徐秀麗.新型抗震擋塊的抗震性能[J].東南大學學報（自然科學版），2009（2）：165-168.