新型雙重擋塊構造及地震反應分析

魏冠華

(西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031)

1 橫橋向雙重擋塊構造

在目前的關于橋梁橫橋向限位裝置的設計與研究中，絕大部分的限位裝置采取的形式都是混凝土擋塊或者鋼擋塊，但是在地震動作用下，擋塊與主梁會發生激烈的碰撞反應，導致主梁與擋塊之間產生巨大的碰撞力，進而導致擋塊發生破壞[1]。因此需要考慮一種消散這種巨大能量的耗能方式，減小碰撞力對擋塊的影響，因此需要在原先單一擋塊的基礎上再添加一個耗能裝置，通過其在地震動作用下的變形來消耗地震動帶來的巨大的能量，從而實現保護擋塊不被破壞，耗能減震的效果。

2 雙重擋塊的設計思路

耗能減震器是放置在結構的某些位置上的耗能構件或者元器件，它的作用機理就是通過耗能構件或者元器件在地震作用下的變形能力來達到消耗因為地震動而引起的能量，從而達到減弱結構因為地震動而引起的相應，起到保護結構在地震動作用下不被破壞，從而達到減震控震的目的[2]。截止目前，許多研究學者都對耗能減震器進行了研究，并且我國也針對耗能減震器編制了設計及施工規范，但是僅僅是針對其提出了一些原則性的要求和指導意見。

關于耗能減震器的設計工作，周云[3]提出了一些自己的意見與設計思路：

(1)耗能構件或者耗能元器件在結構中的耗能機理相同時，可以通過增加耗能構件或者元器件的數量來達到增大耗能性能，利用多個構件或元器件共同耗能。

(2)在同一個耗能構件或者元器件中可以利用多種耗能思路與機制，通過幾種不同的耗能思路與機制來達到增大耗能性能的目的。

(3)耗能構件與元器件的設計思路中可以增加多道防線的設計思路，設置多道耗能減震器。

(4)耗能構件和元器件應該具備隨著不同等級的地震響應而可以進行自主調節與更換的作用。

(5)新型的耗能減震器應當具備在地震動作用下放大結構的位移的功能、擴大裝置的耗能效果的功能、減小結構在地震動作用下的反應的功能。

綜合上面的設計思路，將原先僅起到限位作用的擋塊結合多道防線的設計思路，設計成新型雙重擋塊的結構形式[4]，擋塊的示意圖如圖1所示，在原先單一的擋塊與主梁之間加入一個耗能擋塊，作為耗能構件。原先的擋塊在地震作用下的耗能性能可以忽略不計，僅起到限制主梁過大位移，防止主梁落梁的發生的功能；耗能擋塊起到在地震作用下消耗能量的作用。

圖1 新型雙重擋塊構造示意

3 橫橋向雙重擋塊地震反應分析

橋梁工程在交通運輸領域起著關鍵性的作用，確保其在地震動作用下仍然能夠有效的運行，對于后期災區的搶險救災工作起著至關重要的作用。而在橋梁結構中，簡支梁是橋梁中最為重要的結構類型，因此保證其在地震作用下結構不被破壞是很重要的。橋梁結構在震害中最為嚴重的破壞形式就是主梁發生落梁，而引起落梁的最主要的原因就是橋梁結構橫橋向擋塊的破壞。而在目前的橋梁工程的建設過程中，往往忽略擋塊在地震動作用下的限位功能，而且目前國內外的橋梁結構的設計過程中，通常采用剛性防護的設計理念，在構造、性能、設計上都缺乏規范的明確要求，有很大的盲目性，因此需要對其抗震性能作更加深入全面的研究。

3.1 地震動的輸入

為了保證結構的安全性，本課題選取了三條實際發生過的地震波進行抗震分析，對峰值加速度進行調整，取為0.4g。地震波詳情見表1。

表1 地震波詳情

考慮到地震動作用的隨機性，根據我國現行橋梁抗震規范的規定,本文中關于橫橋向擋塊地震動作用下的分析結果，采用擋塊三條地震波計算結果中的最大值。

3.2 橫向碰撞影響參數分析

擋塊的作用是為了限制梁體過大的橫向位移，防止梁體因為橫向位移過大而產生落梁現象，但是不能限制梁體正常的移動，從而影響橋梁支座的正常使用。因此擋塊與梁體之間要預留一定的間隙以便梁體正常的自由移動。

擋塊在地震作用下的性能主要由擋塊自身尺寸，最主要的為擋塊與主梁間的間隙的大小，即初始間隙，擋塊自身的剛度所影響[5]。因此探討擋塊的剛度、初始間隙的大小等擋塊自身性能對擋塊在地震動作用下的抗震性能有著至關重要的作用。擋塊的破壞主要是因為其受力過大，或者變形過大而破壞，而主梁與擋塊的相對位移即為擋塊與主梁的間隙與擋塊壓縮量之和。因此本課題主要討論不同擋塊性能對擋塊在地震動作用下與主梁的碰撞力、擋塊的內力、擋塊的壓縮量的影響。

3.2.1 剛度對擋塊抗震性能的影響

通過大量的文獻調研工作發現，在關于擋塊抗震的數值模擬分析、工程實例、實驗研究中發現，擋塊剛度的取值絕大部分分布在104～107N/m之間，根據課題研究需要取9個等級的剛度值，分別為2.5×104N/m、4×104N/m、2.5×105N/m、4×105N/m、2.5×106N/m、4×106N/m、2.5×107N/m、4×107N/m、2.5×108N/m。為了保持單一變量，擋塊厚度取為0.4m，擋塊與主梁的間距取為0.3m。

不同剛度擋塊的抗震性能分析結果見表2～表4、圖2～圖4。

表2 擋塊剛度與擋塊內力的關系

表3 擋塊剛度與擋塊壓縮量的關系

表4 擋塊剛度與擋塊和主梁碰撞力的關系

圖2 剛度對混凝土擋塊內力的影響

圖3 剛度對擋塊壓縮量的影響

圖4 剛度對混凝土擋塊與主梁碰撞力的影響

從圖2與表2中可以看出隨著土擋塊剛度的增大，混凝土在地震作用下的內力也呈增大趨勢。當擋塊剛度不大時，擋塊的內力隨著擋塊剛度增長的趨勢較為緩慢，當擋塊剛度較大時，擋塊內力隨著剛度快速增長。從圖3與表3可以看出，擋塊在地震作用下的壓縮量與擋塊的剛度的關系很復雜，不是簡單地正負相關關系。這是因為擋塊剛度的增大，擋塊在地震動作用下受到的能量會增大，進而導致內力增大，而壓縮量為受力與剛度的比值，則變化并不規律。從圖4與表4中可以看出，隨擋塊剛度的增大，地震作用下擋塊與主梁間的碰撞力也呈增大趨勢。

3.2.2 初始間隙對擋塊抗震性能的影響

根據課題要求選取5種不同的初始間隙探討擋塊與主梁的初始間隙對擋塊抗震性能的影響，初始間距分別為0.1m、0.2m、0.3m、0.4m、0.5m。為了保持單一變量，擋塊厚度取為0.4m，擋塊的剛度取為2.5×104N/m。

不同初始間隙擋塊的抗震性能分析結果(表5～表7、圖5～圖7)。

表5 擋塊初始間隙與擋塊內力的關系

表6 初始間隙與擋塊壓縮量的關系

表7 初始間隙與擋塊和主梁碰撞力的關系

圖5 初始間隙對混凝土擋塊內力的影響

從表5與圖5中可以看出隨著擋塊與主梁初始間隙的增大，擋塊的內力呈現減小的趨勢，從表7與圖7中可以看出初始間隙的增大，混凝土與擋塊的碰撞力呈現減小的趨勢，從表6和圖6中可以看出隨著初始間距的增大，混凝土擋塊的壓縮量呈現減小的趨勢。說明當擋塊的初始間隙較大時，地震動作用下擋塊與主梁之間的碰撞效應較小。

圖6 初始間隙對混凝土擋塊壓縮量的影響

圖7 初始間隙對混凝土擋塊與主梁碰撞力的影響

4 結束語

對于新型雙重擋塊來說，增大擋塊的剛度雖然能在一定范圍之內限制主梁與擋塊的相對位移，減小擋塊的壓縮量，但是其他范圍之內其關系并不統一，而且較大的擋塊會導致擋塊自身受力過大、擋塊與主梁的碰撞力過大，從而導致擋塊的破壞，產生落梁的風險。適當的增大主梁與擋塊的初始間隙，可以起到減小地震作用下主梁與擋塊的碰撞效應的作用，起到保護抗震擋塊裝置的效果，但是當初始間隙較大時，擋塊的限位作用為減弱，導致主梁在地震作用下過大的位移，并且這個值還會受到構造要求的影響，使其數值較小。因此總的來說擋塊與主梁的初始間隙不宜太大。