王建國(guó) 袁萬(wàn)城 高康 黨新志

摘要：主震作用下橋梁結(jié)構(gòu)可能已發(fā)生聯(lián)間相對(duì)變位，強(qiáng)余震作用將進(jìn)一步加劇橋梁上部結(jié)構(gòu)的碰撞或落梁災(zāi)害，以某連續(xù)梁橋?yàn)槔M(jìn)行地震序列分析，并對(duì)比有無(wú)拉索模數(shù)伸縮縫兩種情況下的地震響應(yīng)，結(jié)果表明：拉索模數(shù)伸縮縫能夠有效限制主余震各階段聯(lián)間相對(duì)位移，對(duì)避免主震后產(chǎn)生聯(lián)間殘余位移的橋梁結(jié)構(gòu)在強(qiáng)余震作用下發(fā)生碰撞、落梁具有重要意義；同時(shí)，拉索模數(shù)伸縮縫使橋梁各聯(lián)間協(xié)同作用，從而墩梁相對(duì)位移得到相應(yīng)的控制，橋墩受力亦有所改善。

關(guān)鍵詞：地震序列；拉索模數(shù)伸縮縫；聯(lián)間位移

中圖分類號(hào)：U442.5；TU375

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-4764（2016）03-0035-06

Abstract：Residual displacement between girders would have occurred after the main shock. And it would get further destroy （like pounding and unseating） with the excitation of aftershocks. Conclusions draw from the comparation on the response of continuous bridge with or without Cable-sliding expansion joints （CMEJs） under the excitation of seismic sequence. Relative displacement between girders gets effective restrained during the whole seismic process with the CMEJs which get great meaning for avoiding pounding and unseating. With the contribution of the CMEJs， all the girders work together causing the relative displacement between girder and the pile decreased. And the pier force also gets optimized.

Keywords：Seismic sequence； Cable-sliding modular expansion joints （CMEJs）； relative displacement between girders

地震是一種時(shí)間和空間上具有叢集效應(yīng)的不確定性作用，主震發(fā)生后往往伴隨著余震的發(fā)生，通常情況下主震震級(jí)越高其余震震級(jí)亦越高，對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞作用亦越大。余震作用下的橋梁可能為主震后帶有損傷和殘余位移的結(jié)構(gòu)，其發(fā)生將進(jìn)一步加劇橋梁結(jié)構(gòu)的震害程度，甚至成為導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞的決定性因素[1]。

Raghunandan等 [2]、Amadio等[3]、Lee等[4]、Hatzigeorgiou等[5]分析地震序列下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)考慮主震影響的余震作用的響應(yīng)明顯大于不考慮主震時(shí)的情況。在過(guò)去的震害記錄中，不乏余震中毀壞的工程結(jié)構(gòu)：1976年唐山大地震中，灤河大橋在7.8級(jí)的主震中并未倒塌，而是在15 h后7.1級(jí)的強(qiáng)余震中橋墩折斷、橋梁落架、倒塌；1952年，Bakersfield城毀于主震發(fā)生1個(gè)月后5.8級(jí)的強(qiáng)余震中[6-7]。

橋梁上部結(jié)構(gòu)的破壞形式主要包括落梁和碰撞[7]，強(qiáng)余震作用在主震后存在殘余位移的橋梁結(jié)構(gòu)上，其上部結(jié)構(gòu)進(jìn)一步破壞的可能性顯著增加。針對(duì)上部結(jié)構(gòu)的落梁?jiǎn)栴}，黃小國(guó)等[8]對(duì)比了美國(guó)和日本防落梁裝置的效果；張煜敏等[9]分析了連梁裝置的防落梁效果，發(fā)現(xiàn)連梁裝置可有效的限制墩、梁的相對(duì)位移以及聯(lián)間相對(duì)位移[10]，然而連梁裝置不能避免聯(lián)間相向位移以防止碰撞。針對(duì)上部結(jié)構(gòu)的碰撞破壞，王軍文等[11]對(duì)連續(xù)梁橋地震作用下的碰撞反應(yīng)參數(shù)進(jìn)行了分析，Bi[12-13]分析了橡膠阻尼的防碰撞效果以及碰撞對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響，指出碰撞作用危害嚴(yán)重應(yīng)避免，此外，現(xiàn)今各國(guó)學(xué)者就碰撞對(duì)橋梁的影響看法也不統(tǒng)一。袁萬(wàn)城提出了一種拉索模數(shù)伸縮縫裝置[14]，該裝置既可以限制聯(lián)間相對(duì)位移避免落梁，又可以限制梁間相向位移避免上部結(jié)構(gòu)的碰撞。

1 拉索模數(shù)伸縮縫工作原理

拉索模數(shù)伸縮縫將傳統(tǒng)模數(shù)伸縮縫（圖1）兩端的支撐箱體與支撐橫梁用貫穿的拉索連在一起，根據(jù)設(shè)計(jì)需要給出拉索自由程并對(duì)稱固定在兩邊的支撐箱體，如圖2 中（a）、（b）、（c）所示。在強(qiáng)震作用下，支承箱體（縱向位移箱）、支承橫梁之間相對(duì)位移得到有效的限制，避免前后梁體相互碰撞，消耗強(qiáng)震能量，有效控制落梁與梁體碰撞損壞[14]。當(dāng)聯(lián)間相對(duì)位移小于拉索自由程時(shí)（圖2（d）中g(shù)p），拉索不起作用；當(dāng)聯(lián)間相對(duì)位移大于拉索自由程時(shí)，拉索開(kāi)始發(fā)揮作用，其剛度為K，拉索模數(shù)伸縮縫的本構(gòu)模型如圖2（d）所示。

2 地震序列的選取

據(jù)統(tǒng)計(jì)，在中國(guó)已發(fā)生的地震中主余型地震約占地震發(fā)生總數(shù)的60%[15]。中國(guó)臺(tái)灣主震為7.6級(jí)的CHI-CHI地震序列規(guī)模驚人，震級(jí)6.5級(jí)以上強(qiáng)余震在主震后的7 d內(nèi)就發(fā)生過(guò)4次，是全世界相當(dāng)罕見(jiàn)的例子[16]。本文通過(guò)太平洋地震研究中心（PEER）數(shù)據(jù)平臺(tái)篩選出主震震級(jí)大于6.7級(jí)、主震峰值加速度（PGA）大于0.4 g且余震比較突出的CHI-CHI波、MK180波、Nothridge地震序列波，如圖3所示，并以獲得的原始序列波作為激勵(lì)進(jìn)行加速度時(shí)程分析，各地震序列波峰值加速度如表1所示。

通常落梁、碰撞多發(fā)生在縱橋向，本文僅就縱橋向地震響應(yīng)進(jìn)行分析。計(jì)算時(shí)通過(guò)將主、余震經(jīng)剪波處理為一條加速度時(shí)程波，在生成主余震的地震波時(shí)，以相鄰主、余震之間間隔100 s[17]來(lái)模擬實(shí)際地震中主余震之間時(shí)間間隔，100 s無(wú)加速度的間隔，足以使結(jié)構(gòu)在前一個(gè)地震中停止振動(dòng)。

3 實(shí)例分析

以某三聯(lián)多跨連續(xù)梁橋?yàn)槔M(jìn)行地震序列下拉索模數(shù)伸縮縫聯(lián)間限位分析，該連續(xù)梁橋上部為寬26 m的預(yù)應(yīng)力箱梁結(jié)構(gòu)；下部采用不等高雙柱式框架墩，P4～P7墩高18.8 m，其余墩高10 m，基礎(chǔ)為方形承臺(tái)下布置鉆孔灌注樁。支座采用普通板式橡膠支座，考慮支座的非線性影響。利用SAP2000建立三維有限元分析模型，如圖4所示。主梁、橋墩采用框架單元模擬；承臺(tái)底樁土作用采用6彈簧模擬，彈簧剛度由“m”法確定；支座采用理想彈塑性（Plastic Wen）單元模擬，支座參數(shù)根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/TB02—01—2008）確定，其中，邊界墩與過(guò)渡墩屈服力（P1、P4、P7、P10）為500 kN，中間墩屈服力為1 000 kN；伸縮縫采用具有圖2（d）本構(gòu)的Multi linear單元模擬。

通常伸縮縫本身具有伸長(zhǎng)和壓縮長(zhǎng)度，本文中不考慮溫度和車(chē)輛沖擊效應(yīng)，主要討論地震作用下拉索模數(shù)伸縮縫的聯(lián)間限位效果，通過(guò)對(duì)中國(guó)多數(shù)中等跨徑橋梁伸縮縫分析，最終選擇伸縮縫10 cm作為分析參考，即認(rèn)為聯(lián)間相向位移超過(guò)10 cm時(shí)發(fā)生碰撞。本文不考慮構(gòu)造或錨栓失效影響，并根據(jù)文獻(xiàn)[18]關(guān)于拉索伸縮縫拉索自由程的設(shè)置原則取拉索自由程為5 cm，剛度為k=2×104 kN/m。

4 地震響應(yīng)分析

通過(guò)對(duì)比地震序列下有、無(wú)拉索模數(shù)伸縮縫的地震響應(yīng)，分析拉索模數(shù)伸縮縫的限位效果。為表達(dá)方便，記設(shè)置拉索模數(shù)伸縮縫的體系為Y，反之則為N。由于本文選取模型為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，所以只就第一聯(lián)與第二聯(lián)間的響應(yīng)進(jìn)行分析。此外，圖5、圖7中對(duì)地震序列中主、余震的位移峰值進(jìn)行了標(biāo)注。

4.1 聯(lián)間相對(duì)位移

由圖5可知：地震序列作用下聯(lián)間相對(duì)位移圍繞某振動(dòng)平衡位置進(jìn)行往復(fù)變化。未設(shè)置拉索模數(shù)伸縮縫情況下聯(lián)間相對(duì)位移最大值超過(guò)伸縮縫的允許位移量（10 cm），發(fā)生了碰撞；使用拉索模數(shù)伸縮縫之后，聯(lián)間相對(duì)位移最大值控制在了拉索自由程5 cm附近，有效地避免了碰撞的發(fā)生。當(dāng)聯(lián)間相對(duì)位移超過(guò)拉索自由程之后，各主梁共同運(yùn)動(dòng)，聯(lián)間的相向運(yùn)動(dòng)相互抵消，傳至支座頂部的力減小，支座與主梁間的滑動(dòng)位移量減小，最終在主震發(fā)生后，聯(lián)間相對(duì)位移的殘余值（振動(dòng)平衡位置的變化）明顯降低，對(duì)避免強(qiáng)余震作用下的碰撞具有重要的意義。

圖5（a）中，主震發(fā)生后，聯(lián)間已存在殘余位移，余震作用在主震后變位的結(jié)構(gòu)上，拉索模數(shù)伸縮縫使聯(lián)間相對(duì)位移仍然限制在自由程5 cm附近，而未采用拉索模數(shù)伸縮縫時(shí)，余震作用下聯(lián)間最大相對(duì)位移達(dá)到10 cm，造成聯(lián)間碰撞。拉索模數(shù)伸縮縫降低了主震作用后存在殘余變位的結(jié)構(gòu)在余震作用下進(jìn)一步發(fā)生碰撞的可能性。

4.2 墩梁相對(duì)位移

強(qiáng)震作用下，拉索模數(shù)伸縮縫將各聯(lián)主梁聯(lián)系在一起，共同承受強(qiáng)地震序列作用，由圖6可知：除P5、P6墩梁相對(duì)位移峰值（即12#、14#支座變形量）略有增大外，其余各墩的墩梁相對(duì)位移均有不同程度的減小。其中CHI-CHI地震作用下，有、無(wú)拉索模數(shù)伸縮縫兩種情況第一聯(lián)與墩P4間最大位移分別為10、15 cm（如圖7（a）中的1#、2#點(diǎn)所示），拉索模數(shù)伸縮縫使墩梁相對(duì)位移降低30%。

由圖7可知：無(wú)論是否應(yīng)用拉索模數(shù)伸縮縫，墩梁相對(duì)位移在整個(gè)地震序列過(guò)程中都表現(xiàn)出圍繞某一振動(dòng)平衡位置往復(fù)振動(dòng)。設(shè)置拉索模數(shù)伸縮縫后，墩梁相對(duì)位移明顯小于未使用拉索模數(shù)伸縮縫時(shí)的情況；并且主震后，設(shè)置拉索模數(shù)伸縮縫時(shí)墩梁間殘余位移明顯小于未設(shè)置拉索模數(shù)伸縮縫情況。

4.3 墩底剪力

由于上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的慣性力達(dá)到了支座的摩擦屈服力，導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)傳遞到墩底的剪力達(dá)到最大值，除過(guò)渡墩之外的各墩底剪力峰值差別較小。拉索模數(shù)伸縮縫將各聯(lián)主梁連為一體，使得各聯(lián)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)相互抵消從而減小過(guò)渡墩的剪力峰值，由圖8可知，采用拉索模數(shù)伸縮縫之后，過(guò)渡墩（P4、P7）的剪力峰值明顯降低。在本文中地震序列作用下拉索受力最大值未超過(guò)4 100 kN（如表2所示），通過(guò)拉索模數(shù)伸縮縫作用實(shí)現(xiàn)了力與位移的更為合理的平衡狀態(tài)。

5 結(jié) 論

以某連續(xù)梁橋?yàn)槔M(jìn)行了有、無(wú)拉索模數(shù)伸縮縫兩種情況下的地震序列分析，并通過(guò)考慮支座摩擦屈服效應(yīng)模擬了墩梁之間相對(duì)滑移，進(jìn)而得到了聯(lián)間殘余位移。對(duì)比兩種情況下的動(dòng)力響應(yīng)后得出如下結(jié)論：

1）在整個(gè)地震序列過(guò)程中，拉索模數(shù)伸縮縫使得聯(lián)間相對(duì)位移得到有效的控制，避免了聯(lián)間碰撞；墩梁間相對(duì)位移減小，從而降低發(fā)生落梁災(zāi)害的可能性。

2）余震作用在主震后存在殘余變位的橋梁結(jié)構(gòu)上，將加劇橋梁結(jié)構(gòu)的震害，拉索模數(shù)伸縮縫使聯(lián)間殘余位移顯著減小，從而避免余震作用下橋梁進(jìn)一步發(fā)生碰撞的可能性。

3）強(qiáng)震作用下，拉索伸縮縫將各聯(lián)主梁聯(lián)系在一起共同運(yùn)動(dòng)，各支座協(xié)同作用，傳遞到墩底的剪力得到更為合理分配。

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（編輯 胡 玲）