潘中森，田石柱

(蘇州科技大學土木工程學院，江蘇蘇州215011)

拉索式連梁裝置設計參數(shù)對連續(xù)剛構橋抗震效果的影響

潘中森，田石柱

(蘇州科技大學土木工程學院，江蘇蘇州215011)

連梁裝置是防止落梁震害發(fā)生的有效手段，以鋼絞線拉索式連梁裝置應用最為普遍。采用某一座實地連續(xù)剛構橋梁進行有限元建模，采用日本現(xiàn)有的連梁裝置設計方法，通過改變連梁裝置設計參數(shù)，研究不同設計參數(shù)對橋梁結構位移、橋墩內(nèi)力的影響。結果表明：連梁裝置位移限制的能力隨著初始間隙的變小而增大，拉索自身長度對限位效果的影響有限，但隨著初始間隙的減小，拉索內(nèi)力會逐步增大，甚至會超過其本身的極限屈服拉力。

連梁裝置；地震響應；設計參數(shù)；防落梁

我國是一個地震多發(fā)的國家，自從有地震記錄以來，一共經(jīng)歷了5個地震活躍期，地震活動具有分布廣、強度高、頻率大的特點[1]。我國的中西部是強烈地震的主要集中地，而中西部地區(qū)正處在發(fā)展建設的關鍵時期，地震造成的橋梁災害不僅嚴重影響了人們的日常生活，同時也大大阻礙了中西部地區(qū)的發(fā)展。一旦地震發(fā)生了破壞，必然會帶來救援、重修、重建等一系列的問題。

近年來，因中西部地區(qū)地形地貌的特點，連續(xù)剛構橋在中西部地區(qū)的發(fā)展十分迅猛，然而由于連續(xù)剛構橋的發(fā)展起步較晚，因此對連續(xù)剛構橋抗震性能的研究還比較少，經(jīng)過實際地震檢驗的連續(xù)剛構橋更是少之又少。

本文以某一座實地高速公路的連續(xù)剛構橋為工程背景，分析了拉索長度和初始間隙等參數(shù)對連續(xù)剛構橋抗震性能的影響，為連續(xù)剛構橋設置連梁裝置提供參考。

1 工程實例

1.1工程概況

該橋為連續(xù)剛構橋，總長310 m(40 m+65 m+100 m+65 m+40 m)，上部結構采用預應力混凝土箱梁結構，C55混凝土，下部結構橋墩有兩種構造，一是主墩與上部結構固接，二是主墩至橋臺的中間位置設置連續(xù)墩，墩與上部結構采用盆式橡膠支座連接，橋墩材料采用C40混凝土。主梁橫斷面見圖1，其中主墩是矩形薄壁空心墩，連續(xù)墩是矩形實心墩。

(a)固結墩墩頂主梁截面

(b)連續(xù)墩墩頂主梁截面

1.2有限元模型

本文采用Midas/Civil進行橋梁結構的建模，由于該橋左右結構完全對稱，因此只取橋梁的左幅進行計算結果分析。連續(xù)剛構橋橋墩較高，當遭遇大震時，將會產(chǎn)生塑性鉸，故橋墩采用彈塑性纖維單元模擬[2]。主梁采用彈性梁單元，考慮到盆式橡膠支座的彈塑性特性，支座采用非線性一般連接進行模擬。支座的豎向剛度取108kN/m，縱向剛度為133 333 kN/m，屈服強度是400 kN。高墩剛構橋采用群樁基礎，并且高墩的墩身剛度較柔，一般群樁基礎的剛度比墩身的剛度大很多，因此可以假定墩底與基礎固結[3]。由于橋臺剛度遠大于橋梁的其他部分，故在該模型中不具體模擬橋臺。橋梁結構模型見圖2(a)。

在Midas/Civil模型中，阻尼矩陣采用瑞利阻尼，鋼筋混凝土的模態(tài)阻尼比為5%。結構采用動力時程分析進行地震動力響應的分析，分析方法采用直接積分法。地震波采用El-Centro波，其峰值加速度放大到0.6 gal，持續(xù)時間30 s，如圖2(b)。現(xiàn)僅對縱橋向輸入地震波，進行地震波激勵。結構質(zhì)量和剛度因子采用從模型阻尼中計算的方法，取振型1和振型2分別是2.192、1.675 s。

(a)橋梁結構有限元模型

(b)調(diào)整后的El-Centro地震波

該橋橋墩鋼筋采用HRB335，直徑28 cm。連續(xù)墩P1、P4高20 m，固結墩P2、P3高50 m。根據(jù)《公路橋梁抗震設計細則》(JTG/T B02-01—2008)[4]7.4.3的規(guī)定計算得固結墩P2、P3的等效塑性鉸長度均為2.66 m。

本文首先進行了未采用連梁裝置的橋梁模型的地震時程分析，由其結果可知橋臺處的支座剪切位移達到了26.7 cm，P1橋墩處橋梁支座的位移量為27.7 cm，而容許的剪切變形量為10 cm，二者均遠超容許的剪切變形量。因此可以認為，支座在該地震作用下發(fā)生了剪切破壞，而剪切破壞后的支座則增加了連續(xù)墩、橋臺處脫座甚至落梁的風險。因此，有必要采用連梁裝置進行加固。

2 連梁裝置的選擇和模擬

主梁與橋墩連接、主梁與橋臺連接、梁與梁連接是連梁裝置[5-6]最為常見的三種形式。而類型又以拉索式、高強鋼棒式、連接桿式及鋼板式等幾種較為常見，這些連梁各有優(yōu)缺點，但相比較而言，拉索式連梁裝置使用率高且實用性好[7]。因此對本文的連續(xù)剛構橋而言，選擇橋臺處橋臺與主梁、連續(xù)墩處橋墩與主梁的連接方式最為合適，其有限元模型簡圖見圖3(a)[8]。

當橋梁正常通車或者遭遇小震時，允許支座發(fā)生可控的剪切變形，以此起到一定的減震效果。與此同時，連梁裝置的拉索處于松弛狀態(tài)不發(fā)揮作用;而當大震來臨時，上下部結構的相對位移超過了連梁裝置的初始松弛量后裝置開始進入工作狀態(tài)，發(fā)揮其限制上下部結構相對位移的作用[9-10]，從而降低主梁脫座和落梁的風險。其作動機理及荷載—位移關系見圖3(b)。

(a)連梁裝置有限元模型簡圖

(b)連梁裝置計算關系圖3 連梁裝置的簡化計算模型

圖3(b)中，s為連梁裝置的初始間隙;f為連梁裝置內(nèi)力，其取值按式(1)計算:

(1)

式中:d為橋梁上下部結構相對位移;k為拉索式連梁裝置的剛度。

對結構自重及二期恒載組合作用下的結構反力進行統(tǒng)計，計算得橋臺處的支座反力為5 400kN，連續(xù)墩P1、P4處支座反力為16 000kN。由日本連梁裝置的設計方法(Hf=1.5Rd)計算得到連梁裝置的設計承載力分別是8 100kN和24 000kN，因此，選擇抗拉設計強度σb=1 670MPa，型號分別為PES(H)7-7-073、PES(C)7-7-199的拉索，則橋臺、橋墩處連梁裝置的破斷力分別為8 822kN和24 048kN。

3 連梁裝置防落梁效果的分析研究

3.1連梁裝置設計參數(shù)的選擇

連梁裝置的初始間隙和長度是連梁裝置的2個重要參數(shù)，本文通過改變這2個參數(shù)值來進行動力時程分析。連梁裝置的初始間隙取值為10～30cm，并且以2cm逐步遞增;而拉索長度在2.0～3.2m，以0.2m遞增。隨著拉索長度的變化，拉索的剛度也將隨之變化。

3.2不同初始間隙連梁裝置防落梁效果對比

為了分析方便，本文定義設置連梁裝置與未設置連梁裝置的連續(xù)剛構橋橋梁上下部相對位移量的比值為相對位移減小系數(shù)。相對位移減小系數(shù)作為主要的對比參數(shù)，其值越小，則連梁裝置位移減小的效果越好。

橋梁設置連梁裝置后，在橋臺處主梁與橋臺的相對位移減小系數(shù)如圖4(a)所示。初始間隙在0.1～ 0.3m范圍內(nèi)變化，隨著連梁裝置初始間隙的增大，其相對位移減小系數(shù)逐步增大，連梁裝置的限位效果減弱。當初始間隙值達到0.3m時，相對位移與未設置連梁裝置時相同，連梁裝置不再起作用。這表明，當連梁裝置處在工作狀態(tài)時，初始間隙越小，該裝置限制位移的效果就越好，而且當連梁裝置初始間隙為0.1m時，橋臺處的梁臺相對位移最多可減至未設連梁裝置時相對位移值的80%，這對于連續(xù)剛構橋的大質(zhì)量已經(jīng)是個可觀的減小量。

P1墩的墩梁相對位移減小系數(shù)如圖4(b)所示，由圖可知，隨著連梁裝置初始間隙的增大，P1墩墩梁相對位移有所減小。當初始間隙增大到0.28m時，連梁裝置不再發(fā)揮作用。從圖中線的上揚趨勢可以得出，隨著初始間隙的增大，連梁裝置對P1墩處墩梁位移的限制效果逐漸減弱。當初始間隙為0.1m時，P1墩處上下部結構的相對位移最多可以減至47%，有效防止了P1墩處主梁脫座的發(fā)生，從而減小了落梁的可能性。

(a)橋臺處相對位移

(b)P1橋墩與主梁相對位移

P1墩底彎矩的增大系數(shù)與初始間隙的關系如圖5(a)。由圖可知，連梁裝置的設置增大了P1墩的墩底彎矩值，其最大值出現(xiàn)在初始間隙為0.1 m、連梁裝置為2.6 m時，達到了原結構彎矩的3.37倍。由圖5(b)、(c)可知，連梁裝置對固結墩P2墩彎矩的影響較小，即使有所增加或減小，幅度都不大。

(a)P1墩墩底彎矩

(b)固結墩P2墩頂彎矩

(c)固結墩P2墩底彎矩

3.3不同長度連梁裝置的防落梁效果對比

主梁與橋臺的相對位移以及連續(xù)墩處主梁與橋墩的相對位移隨連梁裝置拉索長度的變化如圖6所示。連續(xù)剛構橋加裝連梁裝置后，梁臺、墩梁的相對位移均有了一定程度的減小，隨著連梁裝置長度的增大，其較小相對位移的效果基本沒有改變。橋墩彎矩隨連梁裝置長度的變化如圖7。由圖可知，邊墩墩底彎矩和固結墩墩底墩頂?shù)膹澗仉S拉索長度的增大，彎矩值均有了上下起伏的變化，但變化幅度也較小。

(a)橋臺與主梁相對位移

(b)P1墩梁相對位移

(a)P1墩底彎矩

(b)固結墩墩頂彎矩

(c)固結墩墩底彎矩

3.4連梁裝置內(nèi)力隨設計參數(shù)的變化

連梁裝置變形越大，其內(nèi)力值也越大，兩者之間呈線性關系。如圖8、圖9所示，在左側橋臺處，隨著連梁裝置初始間隙的增大，連梁裝置的內(nèi)力在逐步減小，當初始間隙達到0.28 m后，拉索內(nèi)力消失，說明此時拉索不在工作狀態(tài)。橋梁邊墩的連梁裝置內(nèi)力隨著初始間隙的增大，其變化規(guī)律呈現(xiàn)先下降再上升，然后又下降的趨勢。而當初始間隙達到0.2 m時，內(nèi)力達到最大，而后開始降低，在初始間隙為0.28 m時，內(nèi)力值降為0，此時連梁裝置失去了作用。

拉索的屈服拉力值是8 820 kN，從圖8(a)中可以看到左側橋臺處連梁裝置的內(nèi)力在拉索長度為2 m，初始間隙為0.1、0.12 m時，拉索裝置內(nèi)力均出現(xiàn)了超過8 820 kN的情況，此時拉索出現(xiàn)了屈服破壞。反觀其余設計參數(shù)的情況則均未出現(xiàn)超過屈服力的現(xiàn)象，邊墩連續(xù)梁則一直未出現(xiàn)超過拉索屈服拉力的情況。

(a)左側橋臺連梁裝置內(nèi)力

(b)連續(xù)墩連梁裝置內(nèi)力

(a)左側橋臺連梁裝置內(nèi)力

(b)左側連續(xù)墩處連梁裝置內(nèi)力

4 設置連梁裝置后的結構地震響應變化

對設置了初始間隙為0.1 m、長度為3 m的連梁裝置的橋梁結構進行動力時程分析，將分析結果與未設置連梁裝置的時程分析結果進行對比，其結果匯總見表1所示。

由表中橋梁各個構件的位移情況可知，連梁裝置起到了減小梁臺、墩梁相對位移的效果，增強了上部結構與連續(xù)墩的連接，橋梁的縱向剛度得到了加強。反觀固結墩，雖然固結墩所承擔的地震力也有所增加，但增加的數(shù)值很小。由時程響應結果可知連梁裝置的內(nèi)力最大為6 970 kN，未發(fā)生屈服破壞。

表1 橋梁結構時程分析結果

5 結論

本文選取一座實地連續(xù)剛構橋，采用不同的連梁裝置設計參數(shù)來進行橋梁結構的時程分析對比，得出以下結論：

1)連續(xù)剛構橋在大震激勵下，橋梁上下部結構產(chǎn)生較大相對位移時，連梁裝置可以有效防止落梁，減小主梁位移以及支座變形。同時，連梁裝置增加了橋梁結構的整體性，增大了縱向抗推剛度，使連續(xù)墩在大震來臨時可以更多地承擔地震力。

2)當連梁裝置的長度一定時，初始間隙越小，其防落梁效果越好。當初始間隙一定時，拉索長度對于防落梁效果的影響較小，因此應選擇初始間隙較小，拉索長度適中的連梁裝置。

3)連梁裝置在連續(xù)剛構橋中應用時，拉索內(nèi)力在橋臺處較大，在連續(xù)墩處的拉索內(nèi)力小很多，故在連續(xù)墩處可以不按照1.5倍恒載反力進行防落梁裝置設計。適當降低標準需要對連梁裝置的設計方法進行進一步的分析完善，或者可以在采用連梁裝置的同時也選取其他類型的防落梁裝置作為補充，以此找出更適合連續(xù)剛構橋的防落梁裝置的設計方法。

4)雖然防落梁裝置有效限制了結構上下部的位移，提高了橋梁整體的抗推性能，但增加了連續(xù)墩的負荷，因此在進行防落梁設計時，應多多考慮連續(xù)墩的延性設計，以提高其抗震性能，確保橋梁結構的安全。

本文通訊作者：田石柱(1962— )，男，教授，博士生導師。E-mail：tianshizhu@mail.usts.edu.cn。

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責任編輯：唐海燕

InfluenceofDesignParametersofCable-stayedCouplingBeamDeviceontheSeismicEffectoftheContinuousRigidFrameBridge

PANZhongsen,TIANShizhu

(School of Civil Engineering,Suzhou University of Science and Technology,Suzhou 215011)

Coupling beam device is an effective means to prevent falling beam in earthquakes with cable-stayed coupling beam device being the most widely used.A finite element model of a real continuous rigid frame bridge has been built to analyze the influence of different design parameters on bridge structure displacement and internal force of piers by applying a Japanese coupling beam design method with changed design parameters.The results show that the capacity of the coupling device increases with the initial gap decreasing.Cable length has limited influence on the displacement.But the internal force of the cable will increase gradually with the decrease of the initial gap,and exceed the limits of its yield strain in some cases.

couplingbeamdevice;seismicresponse;design parameter;unseating prevention

10.3969/j.issn.1671- 0436.2017.03.004

2017- 03-11

潘中森(1990— )，男，碩士研究生。

TU352.11

：A

：1671- 0436(2017)03- 0016- 06