鄭萬山，謝皓宇，劉懷林 ，高文軍

(1.橋梁工程結(jié)構動力學國家重點實驗室，重慶 400067；2.招商局重慶交通科研設計院有限公司，重慶 400067)

我國是一個多地震國家，1976年唐山地震和2008年汶川地震給我國人民生命財產(chǎn)安全及經(jīng)濟發(fā)展造成重大損失。公路交通既是震后救援的主通道，也是極其重要的生命線。公路損毀使震中區(qū)與外界的交通運輸生命線完全中斷，救援人員及物資不能及時到達，給震后應急救援工作帶來了極大困難[1-2]。交通干線的橋梁是咽喉要道，一旦震塌或破壞，則會中斷交通，短期無法恢復，延誤生命救援時間。調(diào)研大量震害現(xiàn)象表明，橋梁遭遇強烈地震后主要震害為橋墩彎曲或剪切破壞、上部結(jié)構位移過大而落梁、支座超出承載能力而破壞等[3-7]。目前，我國高烈度區(qū)的中小跨徑橋梁主要采用減隔震支座或加裝阻尼器的方式進行抗震設計[8-9]。減隔震裝置不僅利用其柔性結(jié)構延長結(jié)構周期以減小地震力，還利用它的耗能來控制因結(jié)構周期延長而引起的位移[10]。常用的減隔震裝置有鉛芯橡膠支座、高阻尼橡膠支座等，這些橡膠制品在大氣環(huán)境中易老化，其耐久性能使用壽命遠低于橋梁混凝土結(jié)構的使用壽命，且大量使用減隔震裝置的成本較高，對量大面廣的中小橋梁建設會造成巨大的經(jīng)濟壓力。為此，本文提出一種預壓限位擋塊與滑板支座組合的中小橋梁抗震體系，以提高橋梁減隔震耐久性能，大幅降低建設和運營成本。

1 預壓限位擋塊概念及計算模型

對于中小跨徑的連續(xù)梁橋，通常在交接墩頂設置聚四氟乙烯滑板支座，而在中墩墩頂設置普通板式橡膠支座。在遭遇強烈地震作用時，普通板式支座與梁體或墊石之間可能會產(chǎn)生滑移破壞，并因墩梁相對位移過大而失去控制，若超出預留搭接長度則造成落梁破壞。為避免上部結(jié)構落梁，在蓋梁頂布置橫橋向和順橋向的抗震擋塊來限制墩梁的相對位移。大量震害表明，單純依靠混凝土擋塊來限制墩梁相對位移較為困難，并且梁體與擋塊之間的強烈碰撞力會傳遞到橋墩，造成橋墩破壞。

為解決普通板式支座抗震的缺陷，將連續(xù)梁橋支座全部更換為滑板支座，并在蓋梁與梁體之間安裝預壓限位擋塊。其原理是事先對彈性體(螺旋彈簧等)施加一個預壓力Fy后固定，然后將其安裝在蓋梁與梁體之間。遭遇地震作用時，梁體的慣性會對該擋塊施加壓力，若該力小于預壓力，則墩梁之間無相對位移，可認為墩梁固結(jié)；若該力大于預壓力，則墩梁之間會產(chǎn)生相對滑移dy，此時墩梁之間相當于安裝一個柔性彈簧，瞬間降低橋梁水平剛度，達到減小地震響應的目的。該擋塊的力學模型如圖1所示，在合理設置預壓力情況下，擋塊能夠控制墩梁之間的相對位移，減小橋墩地震內(nèi)力。

圖1 預壓限位擋塊力學模型

2 工程概況

以1座常見的一聯(lián)4跨40 m T梁為研究對象，其橋型布置如圖2所示。下部結(jié)構采用鋼筋混凝土圓形雙柱墩。1號和3號橋墩墩高10 m，2號橋墩墩高20 m，橋墩直徑2.0 m，材料為C40混凝土。上部結(jié)構為預應力混凝土T梁，橫向橋設置5榀，材料為C50混凝土。每個橋墩墩頂設置10個GJZ4000×450×84板式橡膠支座，兩端橋臺各設置5個GJZF4400×450×86滑板橡膠支座。

單位：cm

3 有限元模型

橋墩和上部結(jié)構采用梁單元模擬，混凝土材料密度2 500 kg/m3，主梁彈性模量3.45×104MPa，橋墩彈性模量3.25×104MPa，泊松比0.2。單個普通板式橡膠支座水平剛度3.6×103kN/m，滑板支座在模型中采用釋放水平自由度模擬，即不考慮滑板支座摩擦力對抗震有利的影響因素。

因采用非線性分析，故選取3條天然地震波(El_centro波、Taft波和天津波)進行模擬分析，地震波最大幅值統(tǒng)一調(diào)整為0.15g，模擬Ⅶ度區(qū)地震作用。調(diào)幅后的El_centro波和Taft波如圖3所示。計算結(jié)果取3條地震波最大值。由于模型為鋼筋混凝土結(jié)構，因此結(jié)構阻尼比取0.05[11]。計算阻尼比采用瑞雷阻尼[12-15]，并根據(jù)橋梁結(jié)構第1階和第20階自振頻率確定瑞雷阻尼系數(shù)，其計算公式如下：

(a)El_centro波

(1)

(2)

式中：ω1為橋梁結(jié)構第1階模態(tài)圓頻率；ω2為橋梁結(jié)構第20階模態(tài)圓頻率；ξ為橋梁結(jié)構阻尼比；α和β為瑞利阻尼系數(shù)。

4 采用預壓限位擋塊的連續(xù)梁橋抗震性能

為了對比分析采用預壓限位擋塊后連續(xù)梁橋的抗震性能，對4種模型進行了數(shù)值模擬。各個模型選用的支座類型和預壓限位擋塊參數(shù)見表1。限于篇幅，僅分析Taft波作用下的縱橋向減震效果，橫橋向還是采用傳統(tǒng)的混凝土擋塊來抵抗上部結(jié)構的橫向地震響應。

表1 分析模型參數(shù)

采用板式橡膠支座的連續(xù)梁橋在不考慮橋墩材料非線性情況下，其體系屬于線彈性結(jié)構。模型1在Taft地震波作用下，其主梁位移和邊墩墩底彎矩如圖4所示。由圖4可知，主梁縱橋向最大地震位移為6.25 cm，邊墩墩底最大彎矩為1.69×107N·m。

(a)梁體縱向位移

采用預壓限位擋塊的連續(xù)梁橋在不考慮橋墩材料非線性情況下，其體系屬于非線彈性結(jié)構。由于預壓限位擋塊等效水平剛度與其受力密切相關，當其水平力小于預壓力時，其剛度較大，此時整個橋梁結(jié)構的水平剛度也較大。當遭遇的地震作用較強時，擋塊承受的水平力大于預壓力，擋塊剛度迅速變小，橋梁結(jié)構的整體水平剛度也隨之變小，可有效降低地震響應。模型2在Taft地震波作用下，其主梁位移和邊墩墩底彎矩如圖5所示。由圖5可知，主梁縱橋向最大地震位移為8.80 cm，邊墩墩底最大彎矩為1.65×106N·m。與模型1相比，其主梁縱向位移有所增大，而邊墩墩底彎矩則較大幅度降低，并且時程曲線也呈現(xiàn)不同的特點。

(a)主梁縱向位移

模型3、模型4在Taft波激勵下梁體縱向位移時程曲線如圖6所示。從圖5(a)、圖6可以看出，隨著預壓限位擋塊預壓力的不斷增加，橋梁梁體的縱向位移呈現(xiàn)不同頻率特性的響應規(guī)律，模型2到模型3再到模型4響應的頻率越來越高，能夠直觀判斷結(jié)構的水平等效剛度也在逐漸增加。

(a)模型3

4種橋梁模型分別在3條地震波作用下的地震波最大值統(tǒng)計見表2，各模型2號墩、1號墩墩底最大地震彎矩對比如圖7所示，各模型2號墩、1號墩墩底最大地震剪力對比如圖8所示。

表2 4種橋梁模型分別在3條地震波作用下的地震波最大值

(a)1號墩

(a)1號墩

由表2和圖7、圖8可以看出，在采用預壓限位擋塊后，1號橋墩和2號橋墩的墩底地震彎矩和剪力大幅下降，其中模型2的地震內(nèi)力最小。隨著預壓限位擋塊預壓力的逐漸增大，1號和2號橋墩墩底的地震內(nèi)力(彎矩和剪力)也逐漸增大。從1號和2號橋墩地震內(nèi)力可以得出如下結(jié)論：預壓限位擋塊對不同高度橋墩均具有減震作用。

各模型梁體最大縱向位移對比如圖9所示。由圖9可以看出，除模型3的主梁縱橋向位移比模型1小外，模型2和模型4的主梁縱向位移均比模型1大。說明通過優(yōu)化預壓限位擋塊的預壓力能夠顯著減小橋梁主梁的地震位移。對于采用預壓限位擋塊的橋梁結(jié)構，如果預壓力調(diào)整過大或者過小，則上部結(jié)構的縱橋向位移有可能大于采用普通橡膠支座結(jié)構的縱橋向位移。

圖9 各模型梁體最大縱向位移對比

各模型1號墩、2號墩墩頂最大縱向位移對比如圖10所示。由圖10可以看出，采用預壓限位擋塊后，1號和2號橋墩的墩頂縱向位移大幅下降，其中模型2橋墩的墩頂位移最小，其原因與前述一致。

(a)1號墩

綜上所述，隨著擋塊預壓力的增大，則橋梁的地震內(nèi)力和位移也隨著增大。這是由于安裝預壓限位擋塊橋梁結(jié)構的水平等效剛度與預壓力直接相關，采用小的預壓力可使結(jié)構變?nèi)?，延長結(jié)構的自振周期，減小地震響應。而設置較大預壓力的結(jié)構剛度較大，隨之自振頻率也較之變大，這會增大地震響應。

5 結(jié)論

本文針對常見的中小跨徑連續(xù)梁橋，提出一種簡單有效的抗震結(jié)構體系，即采用滑板橡膠支座和預壓限位擋塊組合的橋梁結(jié)構體系，通過研究，主要認識如下：

1)該體系構造簡單、耐久性強，并且通過合理調(diào)整擋塊參數(shù)能夠達到減小地震響應的作用。

2)采用預壓限位擋塊和滑板橡膠支座組合減震系統(tǒng)后，通過系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化，可有效減小連續(xù)梁橋的地震位移和地震內(nèi)力，提高橋梁的抗震性能。

3)隨著預壓限位擋塊的預壓力增大，該橋梁結(jié)構的等效水平剛度也逐漸增大，其地震響應也會隨之增大。

4)預壓限位擋塊可采用鋼結(jié)構制作，該結(jié)構體系的耐久性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)橡膠減隔震支座系統(tǒng)，抗震性能的溫度穩(wěn)定性也優(yōu)于傳統(tǒng)系統(tǒng)。