新型減震防落梁支座性能分析

韓笑楓，劉 猛

(1.北京市首發高速公路建設管理有限責任公司，北京 100071; 2.同濟大學，上海 200092)

近幾十年來，在大地震中經常會出現橋梁結構間的碰撞和上部主梁脫落的現象。在1971年，美國的San Fernando地震中，多座公路橋梁產生不同程度的損壞，其主要原因為橋面板與橋臺之間或橋面板之間發生碰撞[1]。我國1976年的唐山大地震中，橋梁結構毀壞較為嚴重，主要的破壞形式有主梁間碰撞損壞、支座破壞、主梁脫落等[2]。在1995年，日本阪神大地震，一座高架橋發生落梁破壞，震后調查發現主要由于支座破壞引起的[3]。在2008年，我國的汶川地震中，部分公路橋梁出現了落梁的震害，對震后救災造成很大的困難，震后調查中發現梁式橋發生落梁主要是由墩梁相對位移過大所引起的[4]。新西蘭2011年發生的Christchurch地震中，一些橋梁出現了碰撞破壞，主要原因為相鄰結構間的相對位移過大所導致[5]。通過對歷次大地震的總結，發現落梁的主要原因為橋梁上部結構的位移過大，這是橋梁倒塌的首要原因，必須對上部結構位移加以控制。防落梁系統是橋梁設計時必須考慮的，對于橋梁抗震發揮著十分重要的作用，由梁擱置長度、限位裝置、連梁裝置等三部分組成[6-7]，其主要功能是防止主梁從墩柱或蓋梁上脫落。越來越多的橋梁震害使得國內外的專家學者投入到防落梁裝置的研究中，取得了一定的研究成果，在實際工程中也有很多應用。但是在限位裝置的設計方法、連梁裝置的設計及實用化、緩沖裝置的研究與開發等方面還存在許多問題。本文針對中小橋梁，基于板式橡膠支座，研發了一種新型減震防落梁支座，該裝置不僅起到防落梁的作用，還兼具減震和保護支座的功能。

1 形狀記憶合金

形狀記憶合金(SMA)作為一種新型的智能材料，逐漸被推廣應用于土木工程領域中。其主要特點為其獨特的形狀記憶效應和超彈性，具有大變形、耐疲勞、耐腐蝕、高阻尼等優點[8]。SMA在低周往復荷載作用下的應力應變曲線呈現旗幟形[9]，是一種性能良好的耗能材料。

形狀記憶合金(SMA)具有獨特材料特性的主要原因為其具有兩種不同的結晶狀態，分別為奧氏體和馬氏體。在溫度或應力的誘發因素下，材料的晶體結構狀態可能會發生改變，稱為馬氏體相變。我們把SMA的奧氏體向馬氏體的相變過程稱為馬氏體的正相變，把馬氏體向奧氏體的相變過程稱為馬氏體逆相變。本文主要應用SMA的超彈性，暫不對其形狀記憶特性進行詳細的介紹。

形狀記憶合金的超彈性特性是指在一定溫度下，在外界荷載作用下產生的應力誘發的馬氏體相變，在卸載的過程中又發生馬氏體逆相變，SMA恢復到本來形狀的過程，如圖1所示，其路徑為0→A→B→C→D→E→F→0。

2 SMA絲減震防落梁支座

2.1 支座組成

在板式橡膠支座的四周加上記憶合金絲形成一種SMA絲減震防落梁支座，支座的每個角有一根SMA絲，共計四根。利用了形狀記憶合金的超彈性，其應力應變曲線為旗幟形，具有耗能的功能。該支座結構簡單、原理明確、耐久性能好，適用廣泛。支座如圖2所示。

2.2 支座工作原理

支座周圍的SMA絲在初始狀態下處于不受力的狀態，可以滿足支座在正常使用階段的常規變形。地震作用下主梁與墩臺之間的相對位移開始增大，板式橡膠支座提供初始側向剛度，隨著相對位移進一步增加，SMA絲被拉緊，提供恢復力，限制相對位移的進一步增大。利用SMA的超彈性，可以起到減震耗能的作用，同時防止落梁的發生。地震作用下支座的工作狀態如圖3所示。

2.3 力學行為

圖4為SMA絲受力分析，支座力學骨架曲線見圖5，x1為SMA絲發揮作用前支座可以水平自由變形的位移，x2為SMA絲發揮作用時的支座的水平位移，h為支座高度，l1為記憶合金絲伸長量，F為記憶合金絲產生的拉力，F2為F的水平分力，ka為單根SMA絲奧氏體拉伸剛度，km為單根SMA絲奧氏體向馬氏體相變的剛度，EA為SMA絲奧氏體拉伸彈性模量，EAM為SMA絲奧氏體向馬氏體相變時的彈性模量。由于支座每個角都有記憶合金絲，共計4個，則有:

F2=4Fcos(θ-θ1)

(1)

k2x2=4kal1cos(θ-θ1)
k2x2=4kml1cos(θ-θ1)

(2)

(3)

(4)

3 案例分析

本節以某3跨簡支梁橋為背景建立計算模型進行分析，全橋孔徑布置為3×35 m，梁體采用預應力工字梁，橋墩采用雙柱墩，基礎采用鉆孔灌注樁。

3.1 模型參數

全橋共計96個板式橡膠支座，采用一般連接中的滯后系統模擬非線性，本文的減震防落梁支座采用滯后系統和間隙單元以及鉤單元結合的方式進行模擬。本模型考慮樁土的共同作用，用點彈簧模擬樁的邊界條件，土彈簧的剛度采用表征土介質彈性值的m參數計算。對于可能發生塑性變形的單元即橋墩單元采用纖維單元模擬，核心混凝土采用Mander模型，鋼筋采用雙線性應力-應變關系，整體模型見圖6。

選取安評報告中3條罕遇地震的人造地震動時程波，如圖7所示。為對比分析支座的減震防落梁效果，共建立了兩個模型。模型一為對只使用板式橡膠支座的橋梁進行地震響應分析。模型二為對使用SMA絲減震防落梁支座的橋梁進行地震響應分析，其主要參數為SMA絲的截面面積A和支座自由活動的初始間距u0，選取直徑為12 mm的記憶合金絲，A=113 mm2，取u0=0.06 m。

3.2 結果分析

本模型為3跨的簡支梁，結果分析時主要針對第二跨，所提出的結果為2號橋墩及其上部的支座。在第一條波作用下提取模型一和模型二的支座滯回曲線如圖8所示，從圖8中可以看出，減震防落梁支座剪切變形較小，滯回曲線較為飽滿，具有一定的恢復力，滿足當時的設計要求。

兩種模型上下部結構相對位移見表1，采用普通橡膠支座時，支座的厚度驗算和抗滑穩定性難以滿足要求；采用減震防落梁支座時，位移減小率達到了50%以上，起到了一定的限位作用，可以保證支座的安全，防止發生落梁。兩種模型墩底彎矩和墩頂位移見表2，表3，采用減震防落梁支座后，橋梁下部結構地震響應有明顯增大。主要原因為：為了限制主梁出現較大位移，限位裝置會承擔額外的力傳遞到下部結構，導致橋墩響應增大。為減小上部結構位移，下部結構響應增大是無法避免的，但我們可以選用合理的參數來減小對下部結構的影響。

表1 支座剪切變形值

表2 墩底彎矩

表3 墩頂位移

3.3 參數分析

SMA絲的截面面積要根據實際橋梁構造和場地情況來計算，保證其具有足夠的強度防止落梁。所以應使支座的SMA 絲在具體的截面面積下，對初始間距μ0進行參數分析，由于本橋橋墩在地震響應時基本進入塑性階段，所以取墩頂位移進行分析，μ0對墩頂位移的影響如圖9所示。由圖9可知隨著初始間距的增大，墩頂位移呈下降趨勢，初始間隙越大，減震效果越好，主要原因為隨著初始間距的增大，橋梁結構周期延長，地震響應會相對的減小，支座滯回曲線更加飽滿，耗能更加明顯。參數設計時，初始間距μ0的設計在滿足位移限制的前提下要盡可能大一些。

4 結論

本文針對中小橋梁，基于板式橡膠支座，研發了一種新型減震防落梁支座，新型支座不僅起到防落梁的作用，還兼具減震和保護支座的功能。首先對新型減震防落梁支座進行了理論分析，得出其力學模型，并給出設計原則。借助于實際工程，利用Midas civil進行地震動時程分析，考慮不同地震動和墩柱塑性鉸的影響，對減震防落梁支座的抗震性能進行了詳細分析，結論如下：1)減震防落梁支座構造簡單，力學模型合理，能滿足支座的正常變形，在地震作用下提高支座的恢復力，使其有良好的耗能、限位功能。2)通過實例驗證發現防落梁支座滯回曲線較為豐滿，限位效果明顯，具有較高的恢復力，能夠起到保護支座和防落梁的作用，滿足當時的設計要求。3)減震防落梁支座設計時，SMA絲的截面面積要根據實際橋梁構造和場地情況來計算，保證其具有足夠的強度防止落梁，初始間距μ0的取值在滿足位移限制的前提下要盡可能大一些。