甘露

［上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市200125］

0 引言

近年來(lái)我國(guó)西南山區(qū)地震頻繁，橋梁作為公路交通網(wǎng)絡(luò)工程的主要組成部分，在地震災(zāi)害中很容易發(fā)生損傷破壞，2008年汶川地震中四川省就有6 140多座橋梁受損，2010年玉樹(shù)地震中青海省就有172座橋梁損毀，2013年蘆山地震中四川有440座橋梁損毀，這些震害表明強(qiáng)震作用對(duì)橋梁破壞嚴(yán)重，特別是對(duì)大量的中、小跨徑簡(jiǎn)支體系橋梁的破壞更是十分普遍。

為防止類似5.12汶川地震、4.20蘆山地震、8.03魯?shù)榈卣馂?zāi)害中大量簡(jiǎn)支梁橋梁發(fā)生特別嚴(yán)重的破壞，影響震后救災(zāi)工作，防止次生災(zāi)害的發(fā)生，急需深入研究適用于高烈度強(qiáng)震區(qū)高速公路橋梁合理有效且經(jīng)濟(jì)適用的減隔震體系，確保這些最常用的簡(jiǎn)支梁橋具有優(yōu)良的抗震性能，對(duì)于預(yù)防和減輕西南山區(qū)橋梁地震災(zāi)害有重要的實(shí)際價(jià)值，也具有迫切的客觀工程需要[1]。

本文以西南山區(qū)某8度地震區(qū)典型公路簡(jiǎn)支梁為研究背景，選取4×40 m跨度簡(jiǎn)支梁橋?yàn)檠芯繉?duì)象，建立了全橋空間有限元模型，開(kāi)展了簡(jiǎn)支梁橋的合理減隔震體系研究；對(duì)比分析了多種減隔震措施下橋梁在8度和9度地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)，對(duì)橋梁的抗震性能進(jìn)行了綜合評(píng)估，比選出最優(yōu)的減隔震體系方案。

1 橋梁減隔震措施及本構(gòu)模型

1.1 簡(jiǎn)支梁橋減隔震方案

減震控制技術(shù)的應(yīng)用，不僅可以提高橋梁的抗震性能，還可以節(jié)省造價(jià)，從某種意義上來(lái)說(shuō)，這是解決實(shí)際結(jié)構(gòu)抗震問(wèn)題最為有效的途徑之一。

為了研究9度地震區(qū)高速公路簡(jiǎn)支梁橋合理的減隔震方案，并且考慮經(jīng)濟(jì)性、可行性、穩(wěn)定性等因素，擬開(kāi)展三種減隔震方案作為9度地震區(qū)典型公路簡(jiǎn)支梁合理減隔震措施比選方案：普通球型支座（方案一，圖1（a））、高阻尼橡膠支座（方案二，圖1（b））、雙曲面減隔震支座（方案三，圖1（c））。方案一屬于傳統(tǒng)橋梁“硬抗型”抗震措施，下文將方案二、三與方案一進(jìn)行對(duì)比，研究適用于9度地震區(qū)的減隔震方案。

圖1 三種支座結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 球形鋼支座本構(gòu)模型

目前球型鋼支座在公路和鐵路橋梁結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較為廣泛，其承載力強(qiáng)、轉(zhuǎn)動(dòng)靈活、轉(zhuǎn)角大、耐久性好等優(yōu)點(diǎn)。它既能夠?qū)⑸喜拷Y(jié)構(gòu)載荷均勻的傳遞給下部結(jié)構(gòu)，又可以利用自身摩擦副實(shí)現(xiàn)墩梁的相對(duì)平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。依據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T 2231-01—2020）[2]，固定球型鋼支座采用線彈性剛度模擬，活動(dòng)球型鋼支座采用雙線性立項(xiàng)彈塑性彈簧單元模擬，其本構(gòu)關(guān)系如圖2所示（Fcr表示屈服力，Ko表示彈性剛度，Kp表示屈服后剛度）。

圖2 活動(dòng)球形鋼支座本構(gòu)模型

1.3 高阻尼橡膠支座本構(gòu)模型

高阻尼橡膠支座是目前公路橋梁應(yīng)用較廣泛的減震支座，其是高阻尼橡膠與鋼板硫化而成，具有較強(qiáng)的阻尼特性，在地震作用下，可較好的耗散地震能量，顯著提高橋梁抗震性能。高阻尼橡膠支座即HDR支座，根據(jù)《公路橋梁高阻尼隔震橡膠支座》（JT/T 842—2012）和《HDR系列高阻尼隔震橡膠支座》設(shè)計(jì)指南，采用等效雙線性恢復(fù)力模型模擬高阻尼橡膠支座的本構(gòu)關(guān)系如圖3所示。

圖3 HDR支座本構(gòu)模型

1.4 雙曲面球型減隔震支座

雙曲面球型減隔震支座（簡(jiǎn)稱FPB支座）減震耗能主要是通過(guò)上、下兩個(gè)平面摩擦副發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，在地震作用時(shí)，支座銷釘將抵抗地震力使支座不發(fā)生變形，當(dāng)?shù)卣鹆Υ笥谥ёN釘剪斷力時(shí)，銷釘剪斷，支座開(kāi)始發(fā)生滑移，兩個(gè)摩擦副相對(duì)擺動(dòng)滑移，實(shí)現(xiàn)地震位移變形和耗散地震能量[3]。

雙曲面摩擦擺支座的本構(gòu)模型采用摩擦擺支座非線性本構(gòu)模型進(jìn)行模擬，可考慮摩擦系數(shù)變化對(duì)支座摩擦力的影響，其本構(gòu)關(guān)系如圖4所示。

圖4 雙曲面摩擦擺支座的本構(gòu)模型

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況及有限元模型

以西南8度地震區(qū)某高速公路典型4×40 m簡(jiǎn)支梁橋?yàn)檠芯繉?duì)象，上部結(jié)構(gòu)采用40 m后張預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制T梁，橋梁共分兩幅，單幅橋面寬度12.5 m，下部結(jié)構(gòu)橋墩采用等截面矩形空心墩，截面外輪廓尺寸為6.5 m×3 m，壁厚0.6 m，縱筋為HRB400，截面配筋率1.42%，橋墩混凝土為C40，場(chǎng)地特征周期為0.45 s，1#～5#橋墩墩高分別為46.2 m、46.3 m、46.2 m、46.6 m、46.5 m。樁基深度40 m，樁徑為2 m；場(chǎng)地類型為II類，普通球型支座、雙球面減隔震支座、高阻尼橡膠支座力學(xué)參數(shù)分別見(jiàn)表1、表2、表3。

表1 普通球型鋼支座參數(shù)表

表2 雙曲面球型減隔震支座參數(shù)表

表3 高阻尼橡膠支座參數(shù)表

采用商業(yè)Midas軟件建立全橋模型，主梁和樁基采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，考慮結(jié)構(gòu)自重和二期鋪裝的質(zhì)量，橋墩采用纖維單元模擬，橋墩混凝土材料采用Mander本構(gòu)模型，鋼筋采用雙線性滯回本構(gòu)模型[4]；各種支座的本構(gòu)模型按照第2節(jié)對(duì)應(yīng)模型進(jìn)行模擬。采用Midas軟件中的鉤和間隙模擬梁與梁之間的碰撞效應(yīng)，采用彈性剛度模擬樁土作用。全橋有限元模型如圖5所示。

圖5 全橋有限元模型示意圖

2.2 地震動(dòng)輸入

根據(jù)算例橋所處場(chǎng)地類型，依據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG T2231-01—2020）給出的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜參數(shù)曲線，采用數(shù)值模擬方法生產(chǎn)8度0.3 g和9度0.4 g相應(yīng)的E1和E2人工地震波各7條，共計(jì)28條，圖6給出了部分人工地震波時(shí)程曲線以及其對(duì)應(yīng)的反應(yīng)譜與規(guī)范譜對(duì)比圖。

圖6 部分人工合成地震波及人工波反應(yīng)譜與規(guī)范譜對(duì)比圖

2.3 各種減隔震方案下橋梁非線性動(dòng)力時(shí)程響應(yīng)對(duì)比分析

為研究不同減隔震方案對(duì)典型高速公路橋梁各關(guān)鍵部位（墩底內(nèi)力和支座位移）的減震效果，以方案一即傳統(tǒng)硬抗模式為計(jì)算結(jié)果為對(duì)比對(duì)象，計(jì)算其它兩種減隔震方案的橋墩墩底內(nèi)力、支座位移等減震率，分析各種減隔震方案在高烈度地震區(qū)的適用性和可行性。

2.4 各方案橋墩內(nèi)力對(duì)比分析

本文研究4種地震強(qiáng)度下（8度E1，8度E2、9度E1、9度E2）不同減隔震對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響，由于篇幅有限無(wú)法將所有計(jì)算結(jié)果全部給出，這里僅以2#～4#墩為分析對(duì)象，圖7給出了順橋向地震作用下各種減隔震方案對(duì)應(yīng)的4種地震水準(zhǔn)下的橋墩墩底彎矩計(jì)算結(jié)果柱狀圖。

如圖7所示，采用雙曲面減隔震支座方案相比其它兩種方案其墩底彎矩和剪力均最小，普通球型鋼支座方案墩底彎矩和剪力最大，但在8度E1和9度E1地震下，三種方案墩底彎矩和剪力相差不大，而在8度E2和9度E2作用下，雙曲面減隔震支座與高阻尼橡膠支座兩種方案下墩底彎矩和剪力顯著低于普通球型支座方案，這兩種支座的減震效果顯著，其在E2地震作用下，雙曲面減隔震支座與高阻尼橡膠支座的墩底內(nèi)力計(jì)算結(jié)果相差較小。此外由7條地震波最大最小內(nèi)力分析表明，對(duì)于三種方案在7條E2地震作用下墩底彎矩地震響應(yīng)相差較小，而墩底剪力波動(dòng)較大。

圖7 順橋向地震作用下各種減隔震方案對(duì)應(yīng)墩底平均內(nèi)力響應(yīng)分析柱狀圖

綜上所述，方案二和方案三在強(qiáng)震作用下可以有效降低墩底內(nèi)力，減震效果明顯，兩種方案效果差異不大。

2.5 各方案橋墩內(nèi)力減震率對(duì)比分析

為了進(jìn)一步分析減隔震方案的減震效果，圖8給出了順橋向地震作用下各種減隔震方案墩底內(nèi)力平均減震率柱狀圖。如圖8（a）～（c）所示。

圖8 順橋向地震作用下各種減隔震方案墩底內(nèi)力平均減震率柱狀圖

（1）FPB支座方案相對(duì)普通支座設(shè)計(jì)方案，2#、3#、4#墩身8度E1和9度E1的彎矩平均減震率約為54.2%～55.7%；HDR支座方案相對(duì)普通支座設(shè)計(jì)方案，2#、3#、4#墩身8度E1的彎矩平均減震率約為30.7%～32.3%，2#、3#、4#墩身9度E1的彎矩平均減震率約為23.2%～24.3%；FPB支座減震效果優(yōu)于HDR支座。

（2）雙曲面減隔震支座方案相對(duì)普通支座設(shè)計(jì)方案，2#、3#、4#墩身8度E2和9度E2的彎矩平均減震率約為63.7%～66.2%；高阻尼橡膠支座方案相對(duì)普通支座設(shè)計(jì)方案，2#、3#、4#墩身8度E2的彎矩平均減震率約為59.1%～60.3%，2#、3#、4#墩身9度E2的彎矩平均減震率約為52.2%～53.5%。雙曲面減隔震支座方案與高阻尼橡膠支座方案減震效果均較好。E2水準(zhǔn)下高阻尼橡膠支座減震效果顯著提升，與雙曲面減隔震支座的減震效果相接近。

分析圖8（d）～（f）可知，橋墩剪力減震率計(jì)算結(jié)果與橋墩彎矩減震率計(jì)算結(jié)果及變化規(guī)律類似，這里不再詳述。

綜上所述，對(duì)于高烈度地震區(qū)典型公路簡(jiǎn)支梁橋梁，雙曲面減隔震支座對(duì)橋墩和基礎(chǔ)受力減震效果最優(yōu)，其次是HDR支座，最差為普通球型鋼支座。

2.6 各方案支座地震位移對(duì)比分析

方案一采用了“傳統(tǒng)硬抗”的抗震模式，只要活動(dòng)支座非限位方向滿足滑移位移要求即可，因此不進(jìn)行非隔震支座的位移驗(yàn)算。而HDR支座和雙曲面減隔震支座則需要研究其支座在地震作用下是否滿足容許位移。

由于支座數(shù)量較多，全部給出計(jì)算結(jié)果篇幅較大，故本文在各簡(jiǎn)支梁兩端支點(diǎn)處僅選取最中間支座作為分析對(duì)象，支座編號(hào)規(guī)則：1#橋墩支座編號(hào)為1#支座，延橋軸線方向依次編號(hào)，共計(jì)8個(gè)支座，如圖5所示。圖9分別給出了E1和E2地震作用下方案二和方案三對(duì)應(yīng)的支座地震位移對(duì)比結(jié)果。

圖9 強(qiáng)震作用下支座最大位移分析柱狀圖

（1）在E1水準(zhǔn)地震作用下，采用HDR支座和FPB支座時(shí)，各支座順橋向計(jì)算位移小于支座本身的容許地震位移，支座滿足設(shè)計(jì)要求。FPB支座的地震位移均大于HDR支座的地震位移，說(shuō)明HDR耗散地震能量的效果優(yōu)于FPB支座。

（2）當(dāng)采用FPB支座時(shí)，E2地震下各支座順橋向計(jì)算位移遠(yuǎn)大于支座本身的容許地震位移150 mm，各支座均不滿足設(shè)計(jì)要求，支座容易發(fā)生地震破壞，存在落梁風(fēng)險(xiǎn)。建議橋臺(tái)和墩頂處增設(shè)防落梁裝置，防止主梁發(fā)生落梁，對(duì)于防落梁裝置的形式可考慮采用拉索式防落梁裝置、金屬減震卡榫等措施。

（3）當(dāng)采用HDR支座時(shí)，E2地震下各支座順橋向計(jì)算位移小于HDR支座的容許地震位移，且有較大富裕，支座滿足設(shè)計(jì)要求。

綜合比較橋墩、支座在地震作用下的地震響應(yīng)結(jié)果，建議在高烈度強(qiáng)震區(qū)公路簡(jiǎn)支梁采用高阻尼橡膠支座方案做為典型公路簡(jiǎn)支梁橋的減隔震體系，可以適當(dāng)增加防落梁措施，保證橋梁不發(fā)生落梁震害。

3 結(jié) 論

（1）在8度或9度強(qiáng)震作用下，采用雙曲面減隔震支座方案時(shí)，能夠降低墩底內(nèi)力，減少橋墩地震損傷，在8度和9度對(duì)應(yīng)E1地震下墩底彎矩減震率可達(dá)54.2%～55.7%，在8度和9度對(duì)應(yīng)E2地震下墩底彎矩減震率可達(dá)63.7%～66.2%，減震效果顯著，但此時(shí)雙曲面減隔震支座的支座地震位移遠(yuǎn)超自身容許位移，易出現(xiàn)落梁震害，建議采取限位措施與雙曲面減隔震支座配合使用，限制上部結(jié)構(gòu)發(fā)生較嚴(yán)重的相對(duì)變形。

（2）在8度或9度強(qiáng)震作用下，采用高阻尼橡膠支座方案時(shí)，均可有效的降低墩底內(nèi)力，8度E2地震下彎矩減震率達(dá)到59.1%～60.3%，9度E2地震下彎矩減震率達(dá)到52.2%～53.5%；并且在E2地震作用下，高阻尼橡膠支座地震位移小于支座容許位移，且有較大富裕量，滿足設(shè)計(jì)要求。

（3）綜合考慮各種減隔震措施的經(jīng)濟(jì)性、適用性、可靠性，建議采用高阻尼橡膠支座為9度強(qiáng)震區(qū)典型公路40 m跨簡(jiǎn)支梁橋的減隔震體系。