強震下斜交橋地震反應與減隔震性能分析

石 巖,裴銀海,張展宏,趙昊淼,朱明德

(蘭州理工大學 土木工程學院,甘肅 蘭州 730050)

0 引言

斜交橋以其能適應地形地物的限制和改善道路線性等特點,在高等級公路、城市道路和立交樞紐中得到了廣泛應用[1]。由于斜交橋主梁平面的不規則性以及支承非對稱的特點,當發生地震時,斜交橋常常遭受破壞,在歷次發生的大地震中,不乏斜交橋遭受破壞的例子,如Foothill Boulevard立交橋橋墩嚴重破壞和Gavin峽谷立交橋主梁落梁[2-3],以及我國2008年汶川地震后,都汶2級公路中77.8%的斜交橋遭受了嚴重的破壞,而正交橋遭受中等破壞所占的比重僅有39.5%[4]。因此,斜交橋的抗震研究一直備受關注[5-9]。

為了揭示斜交橋的震害機理,國內外學者針對斜交橋做了大量的研究：盧明奇等[10]把不同斜度的斜交橋梁作為研究對象,深入探究其在地震時的扭轉效應,認為產生扭轉位移現象的主要原因是主梁與橋臺之間存在一定的碰撞;王軍文等[11]對三跨斜交橋的橋面旋轉機理以及斜度與橋面旋轉之間的關系進行了深入探究,發現橋面旋轉主要是縱向碰撞導致的,而對于橫向碰撞而言,則對橋面旋轉有一定的抑制作用;WANG等[12]研究了在遠場和近斷層地震動作用下,地震動入射角對采用屈曲約束支撐加固的斜交橋地震反應的影響,發現斜交橋梁對入射角的敏感性較低,且屈曲約束支撐能進一步降低地震動入射效應;沈賢等[13]通過研究板式橡膠支座的摩擦滑移效應與支座的動摩擦系數、局部脫空等參數對斜交橋地震反應的影響,得到了考慮摩擦滑移會導致斜交橋橋面位移和轉角增大、支座剪切剛度增大可以減小橋面位移和轉角等結論;MALLICK等[14]探討了雙向地震動作用下考慮非線性土結構相互作用時,斜交角對整個橋梁系統地震反應的影響,認為在地震作用下橋面系的旋轉會導致主梁發生較大位移,且橋墩的剪力和彎矩對斜度的影響敏感,斜度會同時增大橋墩剪力和彎矩的需求。雖然斜交橋的震害機理已得到廣泛關注,但對斜交橋的減隔震措施以及減隔震技術對斜交橋地震反應的影響等問題的研究尚缺乏。

由于減隔震技術可以有效降低地震對結構造成的損傷,故在橋梁和建筑結構中得以廣泛應用[15]。鉛芯橡膠支座支座(LRB)是常見的隔震裝置之一,因其良好的隔震性能,許多學者將其應用在橋梁抗震研究中。其中：陳水生等[16]研究了LRB參數選擇和硬化比對斜拉橋地震響應的影響,結果表明采用單指標分析可以有效選擇LRB參數,支座硬化比對斜拉橋地震響應的影響較小;YI等[17]對采用LRB隔震的兩跨簡支梁橋模型進行了振動臺試驗,發現LRB可以有效保護簡支梁橋;陳之健等[18]將由上部荷載引起的支座反力作為LRB選擇的考慮因素,得到了連續梁橋LRB豎向承載力與支座反力的最佳比例。

此外,我國的基礎設施建設雖已取得長足進步,但還存在較大發展空間,特別是西部地區,這些區域板塊構造活動強烈,致使近年來發生的破壞性地震主要集中在此,再加上斷層帶廣泛分布,工程結構臨近斷層甚至于跨斷層問題突出,近兩年發生在青海的瑪多地震和門源地震就是典型例子[19-20]。尤其是：瑪多地震中的野馬灘大橋和門源地震中的硫磺溝大橋都采用了隔震橡膠支座,但在強烈的近斷層地震動下發生了落梁、梁板傾斜等嚴重破壞,所引發的抗震問題值得深思。為深入研究強震下斜交橋的地震反應和LRB對斜交橋減隔震性能的影響,以一座4跨斜交連續梁橋為研究對象,選擇具有不同脈沖特性的近斷層地震動作為輸入地震動,同時選擇一遠斷層地震動作為對比,通過動力時程分析計算傳統非隔震斜交橋和全橋采用LRB的隔震斜交橋的地震反應以及損傷狀況。

1 橋梁分析模型及地震動的選擇

1.1 橋梁概況與分析模型

本文的研究對象為一座4×25 m的斜交連續梁橋,如圖1所示。該橋上部結構由4片等截面小箱梁拼接而成,下部結構選用雙柱式排架墩的結構形式,核心混凝土和保護層混凝土均采用C30混凝土,縱筋和箍筋均采用HRB335型鋼筋。上部結構與下部結構由4個支座進行連接,橋墩采用直徑1.5 m的圓形截面,設置8 m和12 m兩種不同的高度,其中兩邊墩高度相等均為8 m。

圖1 橋梁結構總體布置圖(單位：m)Fig. 1 Longitudinal and transverse view of the bridge(Unit：m)

利用OpenSees程序創建與研究對象對應的有限元動力分析模型,如圖2所示。橋梁上部結構的4片小箱梁均通過Elastic-Beam Column單元進行模擬,各箱梁之間通過長為5m的剛性橫梁模擬連接成整體。模型支座部分,板式橡膠支座和鉛芯橡膠支座分別通過Flat Slider Bearing單元和Elastomeric-Bearing Plasticity單元進行模擬。下部結構的橋墩通過纖維模型的Disp Beam-Column單元進行模擬。混凝土和鋼筋分別采用concrete04材料和steel02材料模擬。主梁與橋臺的碰撞作用通過在箱梁與橋臺間設置的接觸單元來考慮[1],接觸單元通過考慮碰撞過程能量損失的Hertz-damp模型進行模擬[21]。當主梁與橋臺的相對位移大于設定的初始間隙0.05m時,主梁將與橋臺發生碰撞。

圖2 全橋有限元模型Fig. 2 Finite-element model of the prototype bridge

擋塊的力學模型參考SILVA等[22]的研究成果,參數值設置見表1。建模時通過3個非線性彈簧對擋塊進行模擬,其中：2個并聯的非線性彈簧1和非線性彈簧2通過Hysteretic材料模型,分別對鋼筋和混凝土的剪力分配項進行模擬;非線性彈簧3通過Elastic-Perfectly Plastic Gap Material材料模型和Two Node Link單元對主梁與擋塊的間隙進行模擬。非線性彈簧1、非線性彈簧2和非線性彈簧3串聯并連接主梁和剛性梁,實現對主梁與擋塊之間的橫向碰撞作用的研究。全橋的阻尼通過阻尼比為5%的Rayleigh阻尼進行模擬。此外,模型不考慮橋梁結構樁-土相互作用和橋臺背后填土作用。

表1 鋼筋混凝土擋塊的力學模型參數值Table 1 Parameter values of mechanical model of reinforced concrete shear keys

1.2 地震動的選取與輸入

為了研究強震作用下的斜交橋地震反應特點,本文選取了廣泛使用的10組遠場強地震動記錄和27組近斷層脈沖地震動記錄[23-24]。近斷層地震動根據脈沖特性分為3類：向前方向性效應、滑沖效應以及無速度脈沖效應。計算全部4類地震動的平均放大系數譜,如圖3所示。每組地震動記錄均由2組不同的水平分量組成,將其中峰值加速度較大的分量的PGA按一定比例調整為0.4 g后沿著縱橋向輸入;而峰值加速度較小的分量則根據相應的比例進行調幅后沿著橫橋向輸入。

圖3 4類地震動的放大系數譜 Fig.3 Normalizedresponsespectrums of4typesofgroundmotions表2 鉛芯橡膠支座的力學參數Table2 Mechanicalparametersoflead-rubberbearings支座位置橋臺1/3#墩2#墩型號Y4Q420Y4Q470Y4Q471屈服前剛度/(kN·m-1)8200810010600屈服后剛度/(kN·m-1)130013001700屈服力/kN618181支座高度/mm133128128

2 斜交橋的地震反應與損傷分析

為了研究隔震與非隔震斜交連續梁橋在地震作用下反應的差異,建立了2種不同的模型和工況。工況1：在1#橋墩處設置固定支座,其余橋墩和橋臺處設置板式橡膠支座的非隔震橋梁;工況2：全部橋墩和橋臺處都設置鉛芯橡膠支座(LRB)的隔震橋梁。鉛芯橡膠支座的設計采用基于位移的抗震方法[25],力學參數的設置見表2。

為了研究不同斜度斜交橋在地震作用下的反應的差異,設置了5種不同的斜度(0°、15°、30°、45°和60°)。將4類地震動分別輸入到2種工況下5種不同斜度的斜交橋動力分析模型后,得到相應的斜交橋地震反應及損傷情況。

2.1 地震反應

2.1.1 梁體旋轉

主梁發生旋轉是斜交橋常見的地震反應之一,為了量化這一反應的強烈程度,引入了梁體旋轉度γ[1],如式(1)所示：

γ=(Δy1+Δy2)/L

(1)

式中：(Δy1+Δy2)為主梁梁體兩端橫向的相對位移之和;L為梁長;γ越大表明梁體旋轉更明顯。

4類強地震動作用下2種工況的斜交橋梁體旋轉度隨斜度的變化曲線如圖4所示,可以看出：(1)隨著斜度的增加,隔震與非隔震斜交橋梁體旋轉度均呈現先增大后減小變化趨勢,而曲線峰值出現的位置不相同,隔震和非隔震橋梁分別在斜度為45°和30°時旋轉度最大;(2)梁體的旋轉度在4類地震動作用下的響應大小存在明顯的差異,在具有滑沖效應的近斷層地震動作用下最大,而在無脈沖效應的近斷層地震動作用下最小并且基本不隨斜度變化,可見滑沖效應對斜度極其敏感,其主要原因是無論是隔震還是非隔震斜交橋的周期都大于1.1s,而從圖3可以看出當周期大于1.1s后滑沖效應的放大系數最大從而對橋梁結構具有更大的破壞力;(3)采用鉛芯橡膠支座的隔震斜交橋的梁體旋轉度明顯小于非隔震斜交橋的梁體旋轉度。

圖4 4類地震動下2種工況梁體旋轉度與斜度關系Fig. 4 Relationship between rotation and slope of skew bridge under 4 types of ground motions

2.1.2 碰撞效應

為了研究橋臺的損傷與斜度之間的關系,計算得到了4類地震動作用下2種工況橋臺銳角和鈍角處縱向最大碰撞力隨斜度的變化曲線,如圖5所示。

圖5 4類地震動下縱向最大碰撞力與斜度的關系Fig. 5 Relationship between maximum longitudinal impact force and slope under 4 types of ground motions

可以看出：(1)非隔震與LRB隔震斜交橋橋臺處的碰撞力總體上都與斜度負相關;(2)橋臺鈍角處的碰撞力普遍大于銳角處;(3)在具有滑沖效應的近斷層地震動作用下斜交橋縱向碰撞力最大,而在無脈沖效應的近斷層地震動作用下最小;(4)采用LRB隔震的斜交橋在橋臺處的縱向碰撞力比非隔震斜交橋大,主要原因是隔震斜交橋沒有固定墩的約束,而LRB對主梁位移的約束能力有限,從而導致主梁與橋臺發生更劇烈的碰撞。所以,減隔震設計要求在主梁與橋臺間設置足夠的初始間隙以滿足其位移需求,使減隔震裝置的作用得到充分發揮。

2.2 地震損傷分析

2.2.1 橋墩損傷

HWANG等[26]把無量綱的橋墩位移延性系數比μd作為評價指標,用μd=1.0、1.20、1.76和4.76將橋梁震后損傷依次劃分為無損傷、輕微損傷、中等損傷、嚴重損傷和完全損傷狀態。

4類地震動作用下2種工況固定墩(1#橋墩)的位移延性系數隨斜度增加的變化曲線如圖6所示,可以發現：(1)不同類型地震動作用下,LRB隔震與非隔震斜交橋固定墩的位移延性系數總體上都與斜度正相關,其中在具有滑沖效應的脈沖型近斷層地震動作用下,位移延性系數受斜度的影響程度大于其他3類地震動;(2)橋墩位移延性系數在具有滑沖效應的近斷層地震動作用下最大,而在無速度脈沖效應的近場地震動作用下最小,主要原因是脈沖型近斷層地震動對中長周期結構的破壞作用更強;(3)在相同地震動作用下,非隔震斜交橋的橋墩損傷較隔震橋梁更加嚴重,非隔震斜交橋的損傷狀態均處在嚴重損傷以上,而隔震斜交橋在除具有滑沖效應的地震動作用外,橋墩的損傷狀態均在嚴重損傷以下,結果表明LRB可以起到較好的減隔震作用。

圖6 不同地震動下1#橋墩的位移延性系數與斜度關系Fig. 6 Relationship between displacement ductility coefficient and slope of 1# pier under 4 types of ground motions

為了研究鉛芯橡膠支座的減震效果,將減震率作為評價指標,其定義為非隔震與隔震斜交橋的地震響應的差值與非隔震斜交橋地震響應的比值,其中地震響應選取固定墩(1#橋墩)的墩頂位移。

將4類地震動的2組分量分別沿縱橋向和橫橋向輸入,得到地震動作用下隔震斜交橋減震率與斜度的關系曲線,如圖7所示。可以得出：(1)采用LRB進行隔震后,固定墩處的地震響應得到了顯著降低,縱橋向和橫橋向的減震率均在50%以上;(2)除具有滑沖效應的近斷層地震動外,其他3類地震動作用下的減震率都處于較高水平,主要原因是LRB的滯回耗能能力在具有短時和大脈沖特點的滑沖效應地震動作用下無法得到有效發揮;(3)除具有滑沖效應的近斷層地震動外,其他3類地震動作用下的斜交橋縱橋向的減震率與斜度呈正相關性,而橫橋向的減震率則與斜度呈負相關性。綜上所述,設置鉛芯橡膠支座可以明顯降低強地震動作用下斜交橋固定墩的墩頂位移響應,提高了斜交橋的抗震性能。

圖7 不同類型地震動下減震率與斜度關系Fig. 7 Relationship between damping rate and slope under 4 types of ground motions

2.2.2 擋塊損傷

為了衡量擋塊的損傷情況,將擋塊頂部位移Δ作為損傷評價指標,并參考SILVA等[22]和徐略勤等[27]采用的擋塊力學簡化模型和試驗研究成果,將擋塊的損傷狀況劃分為不同等級,見表3。表中：Δ表示擋塊實際位移,ΔII至ΔV以及ΔF表示擋塊簡化滯回模型中拐點2至5的位移值,具體數值見表1。

表3 鋼筋混凝土擋塊的損傷狀態劃分[28]Table 3 Classification of damage state of RC shear keys

由于地震作用下兩端橋臺處的擋塊受損程度相近,且都比橋墩處擋塊受損嚴重,所以僅將左端橋臺處的擋塊作為研究對象。輸入4類地震動作用后,得到兩種工況下不同斜度的斜交橋左端橋臺處擋塊的損傷狀態,見表4。

表4 斜交橋橋臺處擋塊的損傷狀態Table 4 Damage state of the shear keys of the skew bridge abutments

(2)括號外表示傳統非隔震橋梁(工況1),括號內表示LRB隔震橋梁(工況2)。

可以看出：(1)擋塊在脈沖型近斷層地震動作用下的損傷相較于無脈沖和遠場地震動更加嚴重,主梁銳角處擋塊甚至會達到完全損傷狀態;(2)隔震斜交橋橋臺擋塊的損傷程度相較于非隔震斜交橋更加嚴重,主要原因是鉛芯橡膠支座通過位移進行耗能,導致主梁產生較大位移并與擋塊發生碰撞。所以,梁體與兩側擋塊之間應設置足夠的間隙,以減輕橋梁橫橋向的碰撞以及導致的擋塊損傷,避免減隔震橋梁在地震作用下發生結構破壞。

3 結論

本文基于OpenSees平臺建立了多個不同斜度的非隔震斜交連續梁橋和采用LRB隔震的斜交連續梁橋模型,輸入遠場強地震動和3類近斷層地震動,計算地震反應和損傷狀態,研究了強震作用下斜交連續梁橋地震反應的特點和LRB對斜交連續梁橋減隔震性能的影響,得到以下結論：

1)隨著斜度的增加,斜交連續梁橋梁體旋轉度均呈現先增大后減小的變化趨勢;4類地震動作用下的梁體旋轉度大小存在明顯差異,在具有滑沖效應的近斷層地震動作用下最大,而在無脈沖效應的近斷層地震動作用下最小且基本不隨斜度變化;采用LRB隔震后斜交橋梁體旋轉度明顯減小。

2)斜交橋橋臺處的縱向碰撞力總體上與斜度負相關,橋臺鈍角處的碰撞力普遍大于銳角處;碰撞力在具有滑沖效應的近斷層地震動作用時最大,在無脈沖效應的近斷層地震動作用時最小;采用LRB隔震后會增大斜交橋橋臺處的碰撞力。

3)斜交橋固定墩的位移延性系數總體都與斜度正相關,同時位移延性系數在具有滑沖效應的脈沖型近斷層地震動作用下最大;采用LRB進行隔震可使橋墩位移削減50%以上,有效降低固定墩的損傷;但近斷層脈沖型地震動作用下的地震反應相較無速度脈沖效應和遠場地震動明顯強烈,尤其是在具有滑沖效應的近斷層地震動作用下,LRB隔震橋梁的墩柱仍會產生嚴重損傷,且斜交橋斜度較大時橫橋向的破壞更為突出。

4)擋塊在具有滑沖效應的脈沖型近斷層地震動作用下損傷最嚴重,達到完全損傷狀態;采用LRB隔震會加劇斜交橋擋塊的損傷,為使LRB隔震斜交橋達到預期隔震效果,應結合當地地震風險等級和設計位移留出足夠的初始間隙。