地震序列作用下板式橡膠支座簡(jiǎn)支梁橋響應(yīng)特點(diǎn)研究

潘 哲

（杭州市地鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司，浙江 杭州 310000）

0 引言

板式橡膠支座于1936 年第一次實(shí)際運(yùn)用于橋梁工程中，并在第二次世界大戰(zhàn)后被廣泛運(yùn)用于橋梁工程中。目前，因板式橡膠支座構(gòu)造簡(jiǎn)單、制造容易、成本低廉、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，已替代了原有的剛性支座，被廣泛運(yùn)用于我國(guó)公路、市政梁式橋體系中。由于板式橡膠支座的大量運(yùn)用，汶川地震中，震區(qū)簡(jiǎn)支梁橋出現(xiàn)了新的震害特點(diǎn)。

陳樂生[1]對(duì)汶川地震中實(shí)際烈度在7～11 度范圍內(nèi)的958 座簡(jiǎn)支梁橋進(jìn)行了震害統(tǒng)計(jì)，歸納出其主要震害特征為：支座震害多、橋墩震害少；主梁移位多、落梁少。統(tǒng)計(jì)表明，在實(shí)際烈度7 度及以上的區(qū)域，支座的破壞率為16.6%，而橋墩破壞率僅為0.76%；主梁移位率達(dá)19.5%，但處于運(yùn)營(yíng)狀態(tài)的橋梁僅有7 跨發(fā)生落梁，占橋跨總數(shù)（總跨數(shù)3 298跨）的0.2%。震區(qū)簡(jiǎn)支梁橋的橋墩及其基礎(chǔ)的震害比例大為減小，震害特點(diǎn)與國(guó)內(nèi)外其他地震中簡(jiǎn)支梁橋的表現(xiàn)明顯不同。

肖旭紅[2]通過計(jì)算分析與振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，定量解釋了地震中梁體與板式橡膠支座之間的相對(duì)滑動(dòng)釋放了主梁的地震作用是汶川地震中簡(jiǎn)支梁橋橋墩震害少的主要原因。

范立礎(chǔ)等[3]提出對(duì)于使用板式橡膠支座的橋梁，地震作用中梁底與支座之間發(fā)生的相對(duì)滑動(dòng)，實(shí)際上起到了隔震作用，能夠有效減少下部結(jié)構(gòu)的地震作用，同時(shí)提出對(duì)于這種體系橋梁的抗震設(shè)計(jì)關(guān)鍵是:（1）采用合理的梁體限位裝置；（2）設(shè)置合理的梁墩搭接長(zhǎng)度，將梁體控制在不發(fā)生落梁的范圍內(nèi)，以達(dá)到減少墩柱地震作用的目的。

最新出版的《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T 2231-01—2020）明確，對(duì)于采用板式橡膠支座的橋梁，在E2 地震作用下，當(dāng)支座抗滑性能不能滿足規(guī)范要求時(shí)，應(yīng)更換支座類型或按抗震體系類型Ⅱ（減隔震支座）進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。

采用板式橡膠支座的簡(jiǎn)支梁橋多為中小跨徑，其數(shù)量多、分布廣，在E2 地震作用下，板式橡膠支座的抗滑移性能或難以滿足規(guī)范要求，因此研究板式橡膠支座橋梁在抗震體系類型Ⅱ設(shè)計(jì)原則下的地震響應(yīng)特點(diǎn)具有實(shí)際意義。本文以地震序列作用下板式橡膠支座簡(jiǎn)支梁橋支座位移的響應(yīng)特點(diǎn)為切入點(diǎn)，展開相關(guān)研究。

1 地震序列簡(jiǎn)介

根據(jù)地震學(xué)的定義，在一定時(shí)間區(qū)間內(nèi)，在同一震源區(qū)域內(nèi)發(fā)生的具有一定相關(guān)性的1 組大小不同的地震總稱為地震序列。在地震序列中，震級(jí)最大的地震稱為主震，發(fā)生在主震前的地震稱為前震，發(fā)生在主震后的地震稱為余震。

1.1 地震序列中強(qiáng)余震發(fā)生的普遍性

根據(jù)文獻(xiàn)[4]中關(guān)于地震的統(tǒng)計(jì)，在發(fā)生強(qiáng)地震后可能伴隨發(fā)生等級(jí)較高的余震。文獻(xiàn)[5]從結(jié)構(gòu)抗震分析的角度給出了強(qiáng)余震的概念定義：強(qiáng)余震是在同個(gè)地震序列中，在主震發(fā)生后的20 d 內(nèi)，發(fā)生在同一震源機(jī)制下、震級(jí)不小于5 級(jí)的余震。

呂曉健等[6]對(duì)1966 年邢臺(tái)地震以來我國(guó)發(fā)生的21 次主震震級(jí)大于7 級(jí)的地震序列進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)研究。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，除了1969 年的渤海地震以外，其余的地震序列中都伴隨著強(qiáng)余震。其中，12 次地震序列中發(fā)生了震級(jí)大于6 級(jí)的強(qiáng)余震，占統(tǒng)計(jì)總數(shù)的57%，強(qiáng)余震發(fā)生次數(shù)最多的達(dá)到31 次。其中包含了多震型地震序列，包括邢臺(tái)地震序列（發(fā)生4 次震級(jí)大于6 級(jí)的強(qiáng)余震）；龍陵地震序列（發(fā)生6 次震級(jí)大于6級(jí)的強(qiáng)余震）?？梢姡趶?qiáng)震過后，強(qiáng)余震的發(fā)生是比較普遍的。

1.2 考慮強(qiáng)地震序列作用對(duì)板式橡膠支座簡(jiǎn)支梁橋抗震設(shè)計(jì)的影響

目前的抗震設(shè)計(jì)中，對(duì)于板式橡膠支座簡(jiǎn)支梁橋地震響應(yīng)分析，往往選取單次的地震作用展開設(shè)計(jì)計(jì)算。而在實(shí)際工程中，在較強(qiáng)的地震序列作用下，橋梁結(jié)構(gòu)將依次受到主震與各余震的地震作用，橋梁結(jié)構(gòu)在主震作用與余震作用下的動(dòng)力響應(yīng)有著一定的差異，其主要差異在于，在主震發(fā)生前橋梁結(jié)構(gòu)并無損傷，橋梁結(jié)構(gòu)性能良好，而在余震作用下的橋梁結(jié)構(gòu)往往在之前的主（余）震中發(fā)生了損傷，使結(jié)構(gòu)性能有所下降。對(duì)于板式橡膠支座簡(jiǎn)支梁橋，在單次地震作用后，梁體與橋墩間將產(chǎn)生殘余位移，由于板式橡膠支座沒有自恢復(fù)能力，這種殘余位移將在后續(xù)的余震作用中得到累計(jì)。可以預(yù)想，這種殘余位移的累計(jì)效應(yīng)將大大降低橋梁的抗震安全性，增加橋梁發(fā)生破壞的可能性。

本文將選取算例，對(duì)地震序列作用下板式橡膠支座簡(jiǎn)支梁橋的響應(yīng)特點(diǎn)展開研究。

2 算例

2.1 工程概況

橋例為3 跨（3×20 m）預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁橋，其主梁由6 片跨徑20 m 后張法預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制空心板組成，并簡(jiǎn)支于下部結(jié)構(gòu)。下部結(jié)構(gòu)橋墩采用雙柱柱式墩接鉆孔灌注樁基礎(chǔ)；橋臺(tái)采用一字墻橋臺(tái)擴(kuò)大基礎(chǔ)。支座與伸縮縫的設(shè)置見圖1 所示的橋型布置圖。橋墩處支座采用矩形板式橡膠支座（12×GJZ 250×300×47 mm），橋臺(tái)處支座采用聚四氟乙烯滑板支座（12×GJZF4 250×300×49 mm）。

圖1 橋型布置圖（單位：m）

2.2 相關(guān)參數(shù)選取

2.2.1 支座摩擦系數(shù)的選取

本文板式橡膠支座摩擦系數(shù)取為0.3，聚四氟乙烯支座摩擦系數(shù)取為0.05，不考慮摩擦系數(shù)的速度相關(guān)性。

2.2.2 地震序列的選取

本文選擇同一地震測(cè)站所收集到的集集地震主震與余震記錄，并進(jìn)行整理篩選，挑選出具有代表性的主震與余震記錄，其參數(shù)信息見表1 和圖2～圖7。

圖7 余震2 豎向分量加速度時(shí)程

表1 集集地震主震及具有代表性的余震地震信息

圖2 主震縱向分量加速度時(shí)程

圖3 主震豎向分量加速度時(shí)程

2.3 計(jì)算結(jié)果

2.3.1 強(qiáng)地震序列作用下簡(jiǎn)支梁橋各支座位移時(shí)程分析

圖4 余震1 縱向分量加速度時(shí)程

圖5 余震1 豎向分量加速度時(shí)程

圖6 余震2 縱向分量加速度時(shí)程

圖8 ～圖13 列出了6 個(gè)支座在地震序列作用下的位移時(shí)程。為方便數(shù)據(jù)分析，將主震、余震1、余震2 的結(jié)構(gòu)響應(yīng)時(shí)程繪制于同一張圖中，其中0～100 s為主震發(fā)生時(shí)段；100～170 s 為余震1 發(fā)生時(shí)段；170～240 s 為余震2 發(fā)生時(shí)段（下同）。

由圖8～圖13 可知：（1）歷次主震、余震過后，各個(gè)支座均產(chǎn)生了殘余位移，隨著地震序列的發(fā)生，這種支座位移的殘余效應(yīng)將得到累計(jì)，對(duì)于整座橋梁而言，這種支座位移的累計(jì)效應(yīng)無疑是危險(xiǎn)的，這將加大橋梁破壞的可能性，降低橋梁后續(xù)的抗震及運(yùn)營(yíng)能力；（2）由于主（余）震后支座殘余位移的貢獻(xiàn)，余震作用中的支座最大位移要大于主震作用下的支座最大位移，此時(shí)余震作用中梁體發(fā)生落梁震害的可能性將大于主震情況；（3）主震過后，在余震1、2的作用下，支座位移基本都停留在負(fù)值上，這說明在余震的影響下，簡(jiǎn)支梁所有梁體都向1 號(hào)伸縮縫靠近，這將減小1、2 號(hào)伸縮縫的實(shí)際工作寬度并增大4號(hào)伸縮縫的實(shí)際工作寬度，那么梁體于1、2 號(hào)伸縮縫位置發(fā)生碰撞的可能性將有所增大，而梁體于4號(hào)伸縮縫處發(fā)生碰撞的可能性將減小，并增加了梁體于右側(cè)橋臺(tái)（6 號(hào)支座處）發(fā)生落梁的風(fēng)險(xiǎn)。

圖8 強(qiáng)地震序列下1 號(hào)支座位移

圖9 強(qiáng)地震序列下2 號(hào)支座位移

圖13 強(qiáng)地震序列下6 號(hào)支座位移

2.3.2 強(qiáng)地震序列作用下板式橡膠支座簡(jiǎn)支梁橋伸縮縫碰撞力分析

橋梁結(jié)構(gòu)在伸縮縫處發(fā)生分段，伸縮縫左右橋梁構(gòu)件并非一體，在地震作用中伸縮縫左右構(gòu)件可能發(fā)生碰撞，這種碰撞的發(fā)生將導(dǎo)致構(gòu)件的損傷甚至破壞，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的安全性及震后的正常通行造成不可忽視的影響。強(qiáng)地震序列作用下的橋梁伸縮縫碰撞計(jì)算結(jié)果見圖14～圖17。

圖10 強(qiáng)地震序列下3 號(hào)支座位移

圖11 強(qiáng)地震序列下4 號(hào)支座位移

圖12 強(qiáng)地震序列下5 號(hào)支座位移

圖14 強(qiáng)地震序列下1 號(hào)伸縮縫碰撞力

圖15 強(qiáng)地震序列下2 號(hào)伸縮縫碰撞力

圖16 強(qiáng)地震序列下3 號(hào)伸縮縫碰撞力

圖17 強(qiáng)地震序列下4 號(hào)伸縮縫碰撞力

由圖14～圖17 可知：（1）在余震作用下，1、2 號(hào)伸縮縫處發(fā)生的碰撞響應(yīng)，不管是從碰撞的次數(shù)還是碰撞力的大小上，都要強(qiáng)于3、4 號(hào)伸縮縫處的碰撞響應(yīng)（其中4 號(hào)伸縮縫處并未發(fā)生碰撞響應(yīng)）；（2）余震作用中，1、2、3 號(hào)伸縮縫處均發(fā)生了碰撞，并且碰撞力的大小都超過了其在主震作用中的最大碰撞力，這將造成伸縮縫構(gòu)件的破壞并大大加大梁體、橋臺(tái)發(fā)生局部損傷的可能性。

3 結(jié)語

（1）在歷次主震、余震過后，各個(gè)支座均產(chǎn)生了殘余位移，隨著地震序列的發(fā)生，這種支座位移的殘余效應(yīng)將得到累計(jì)。

（2）支座位移的累計(jì)效應(yīng)將增加橋梁梁體與梁體、梁體與橋臺(tái)間碰撞的可能性，橋臺(tái)及梁體發(fā)生局部損傷的可能性有所增大。

（3）對(duì)于整座橋梁而言，這種支座位移的累計(jì)效應(yīng)無疑是危險(xiǎn)的，這將加大橋梁發(fā)生落梁的可能性，并降低橋梁后續(xù)的抗震及運(yùn)營(yíng)能力。板式橡膠支座簡(jiǎn)支梁橋抗震設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分考慮地震序列的影響。