韓笑楓，劉 猛

(1.北京市首發(fā)高速公路建設(shè)管理有限責任公司，北京 100071; 2.同濟大學，上海 200092)

近幾十年來，在大地震中經(jīng)常會出現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)間的碰撞和上部主梁脫落的現(xiàn)象。在1971年，美國的San Fernando地震中，多座公路橋梁產(chǎn)生不同程度的損壞，其主要原因為橋面板與橋臺之間或橋面板之間發(fā)生碰撞[1]。我國1976年的唐山大地震中，橋梁結(jié)構(gòu)毀壞較為嚴重，主要的破壞形式有主梁間碰撞損壞、支座破壞、主梁脫落等[2]。在1995年，日本阪神大地震，一座高架橋發(fā)生落梁破壞，震后調(diào)查發(fā)現(xiàn)主要由于支座破壞引起的[3]。在2008年，我國的汶川地震中，部分公路橋梁出現(xiàn)了落梁的震害，對震后救災造成很大的困難，震后調(diào)查中發(fā)現(xiàn)梁式橋發(fā)生落梁主要是由墩梁相對位移過大所引起的[4]。新西蘭2011年發(fā)生的Christchurch地震中，一些橋梁出現(xiàn)了碰撞破壞，主要原因為相鄰結(jié)構(gòu)間的相對位移過大所導致[5]。通過對歷次大地震的總結(jié)，發(fā)現(xiàn)落梁的主要原因為橋梁上部結(jié)構(gòu)的位移過大，這是橋梁倒塌的首要原因，必須對上部結(jié)構(gòu)位移加以控制。防落梁系統(tǒng)是橋梁設(shè)計時必須考慮的，對于橋梁抗震發(fā)揮著十分重要的作用，由梁擱置長度、限位裝置、連梁裝置等三部分組成[6-7]，其主要功能是防止主梁從墩柱或蓋梁上脫落。越來越多的橋梁震害使得國內(nèi)外的專家學者投入到防落梁裝置的研究中，取得了一定的研究成果，在實際工程中也有很多應(yīng)用。但是在限位裝置的設(shè)計方法、連梁裝置的設(shè)計及實用化、緩沖裝置的研究與開發(fā)等方面還存在許多問題。本文針對中小橋梁，基于板式橡膠支座，研發(fā)了一種新型減震防落梁支座，該裝置不僅起到防落梁的作用，還兼具減震和保護支座的功能。

1 形狀記憶合金

形狀記憶合金(SMA)作為一種新型的智能材料，逐漸被推廣應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域中。其主要特點為其獨特的形狀記憶效應(yīng)和超彈性，具有大變形、耐疲勞、耐腐蝕、高阻尼等優(yōu)點[8]。SMA在低周往復荷載作用下的應(yīng)力應(yīng)變曲線呈現(xiàn)旗幟形[9]，是一種性能良好的耗能材料。

形狀記憶合金(SMA)具有獨特材料特性的主要原因為其具有兩種不同的結(jié)晶狀態(tài)，分別為奧氏體和馬氏體。在溫度或應(yīng)力的誘發(fā)因素下，材料的晶體結(jié)構(gòu)狀態(tài)可能會發(fā)生改變，稱為馬氏體相變。我們把SMA的奧氏體向馬氏體的相變過程稱為馬氏體的正相變，把馬氏體向奧氏體的相變過程稱為馬氏體逆相變。本文主要應(yīng)用SMA的超彈性，暫不對其形狀記憶特性進行詳細的介紹。

形狀記憶合金的超彈性特性是指在一定溫度下，在外界荷載作用下產(chǎn)生的應(yīng)力誘發(fā)的馬氏體相變，在卸載的過程中又發(fā)生馬氏體逆相變，SMA恢復到本來形狀的過程，如圖1所示，其路徑為0→A→B→C→D→E→F→0。

2 SMA絲減震防落梁支座

2.1 支座組成

在板式橡膠支座的四周加上記憶合金絲形成一種SMA絲減震防落梁支座，支座的每個角有一根SMA絲，共計四根。利用了形狀記憶合金的超彈性，其應(yīng)力應(yīng)變曲線為旗幟形，具有耗能的功能。該支座結(jié)構(gòu)簡單、原理明確、耐久性能好，適用廣泛。支座如圖2所示。

2.2 支座工作原理

支座周圍的SMA絲在初始狀態(tài)下處于不受力的狀態(tài)，可以滿足支座在正常使用階段的常規(guī)變形。地震作用下主梁與墩臺之間的相對位移開始增大，板式橡膠支座提供初始側(cè)向剛度，隨著相對位移進一步增加，SMA絲被拉緊，提供恢復力，限制相對位移的進一步增大。利用SMA的超彈性，可以起到減震耗能的作用，同時防止落梁的發(fā)生。地震作用下支座的工作狀態(tài)如圖3所示。

2.3 力學行為

圖4為SMA絲受力分析，支座力學骨架曲線見圖5，x1為SMA絲發(fā)揮作用前支座可以水平自由變形的位移，x2為SMA絲發(fā)揮作用時的支座的水平位移，h為支座高度，l1為記憶合金絲伸長量，F(xiàn)為記憶合金絲產(chǎn)生的拉力，F(xiàn)2為F的水平分力，ka為單根SMA絲奧氏體拉伸剛度，km為單根SMA絲奧氏體向馬氏體相變的剛度，EA為SMA絲奧氏體拉伸彈性模量，EAM為SMA絲奧氏體向馬氏體相變時的彈性模量。由于支座每個角都有記憶合金絲，共計4個，則有:

F2=4Fcos(θ-θ1)

(1)

k2x2=4kal1cos(θ-θ1)
k2x2=4kml1cos(θ-θ1)

(2)

(3)

(4)

3 案例分析

本節(jié)以某3跨簡支梁橋為背景建立計算模型進行分析，全橋孔徑布置為3×35 m，梁體采用預應(yīng)力工字梁，橋墩采用雙柱墩，基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁。

3.1 模型參數(shù)

全橋共計96個板式橡膠支座，采用一般連接中的滯后系統(tǒng)模擬非線性，本文的減震防落梁支座采用滯后系統(tǒng)和間隙單元以及鉤單元結(jié)合的方式進行模擬。本模型考慮樁土的共同作用，用點彈簧模擬樁的邊界條件，土彈簧的剛度采用表征土介質(zhì)彈性值的m參數(shù)計算。對于可能發(fā)生塑性變形的單元即橋墩單元采用纖維單元模擬，核心混凝土采用Mander模型，鋼筋采用雙線性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，整體模型見圖6。

選取安評報告中3條罕遇地震的人造地震動時程波，如圖7所示。為對比分析支座的減震防落梁效果，共建立了兩個模型。模型一為對只使用板式橡膠支座的橋梁進行地震響應(yīng)分析。模型二為對使用SMA絲減震防落梁支座的橋梁進行地震響應(yīng)分析，其主要參數(shù)為SMA絲的截面面積A和支座自由活動的初始間距u0，選取直徑為12 mm的記憶合金絲，A=113 mm2，取u0=0.06 m。

3.2 結(jié)果分析

本模型為3跨的簡支梁，結(jié)果分析時主要針對第二跨，所提出的結(jié)果為2號橋墩及其上部的支座。在第一條波作用下提取模型一和模型二的支座滯回曲線如圖8所示，從圖8中可以看出，減震防落梁支座剪切變形較小，滯回曲線較為飽滿，具有一定的恢復力，滿足當時的設(shè)計要求。

兩種模型上下部結(jié)構(gòu)相對位移見表1，采用普通橡膠支座時，支座的厚度驗算和抗滑穩(wěn)定性難以滿足要求；采用減震防落梁支座時，位移減小率達到了50%以上，起到了一定的限位作用，可以保證支座的安全，防止發(fā)生落梁。兩種模型墩底彎矩和墩頂位移見表2，表3，采用減震防落梁支座后，橋梁下部結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)有明顯增大。主要原因為：為了限制主梁出現(xiàn)較大位移，限位裝置會承擔額外的力傳遞到下部結(jié)構(gòu)，導致橋墩響應(yīng)增大。為減小上部結(jié)構(gòu)位移，下部結(jié)構(gòu)響應(yīng)增大是無法避免的，但我們可以選用合理的參數(shù)來減小對下部結(jié)構(gòu)的影響。

表1 支座剪切變形值

表2 墩底彎矩

表3 墩頂位移

3.3 參數(shù)分析

SMA絲的截面面積要根據(jù)實際橋梁構(gòu)造和場地情況來計算，保證其具有足夠的強度防止落梁。所以應(yīng)使支座的SMA 絲在具體的截面面積下，對初始間距μ0進行參數(shù)分析，由于本橋橋墩在地震響應(yīng)時基本進入塑性階段，所以取墩頂位移進行分析，μ0對墩頂位移的影響如圖9所示。由圖9可知隨著初始間距的增大，墩頂位移呈下降趨勢，初始間隙越大，減震效果越好，主要原因為隨著初始間距的增大，橋梁結(jié)構(gòu)周期延長，地震響應(yīng)會相對的減小，支座滯回曲線更加飽滿，耗能更加明顯。參數(shù)設(shè)計時，初始間距μ0的設(shè)計在滿足位移限制的前提下要盡可能大一些。

4 結(jié)論

本文針對中小橋梁，基于板式橡膠支座，研發(fā)了一種新型減震防落梁支座，新型支座不僅起到防落梁的作用，還兼具減震和保護支座的功能。首先對新型減震防落梁支座進行了理論分析，得出其力學模型，并給出設(shè)計原則。借助于實際工程，利用Midas civil進行地震動時程分析，考慮不同地震動和墩柱塑性鉸的影響，對減震防落梁支座的抗震性能進行了詳細分析，結(jié)論如下：1)減震防落梁支座構(gòu)造簡單，力學模型合理，能滿足支座的正常變形，在地震作用下提高支座的恢復力，使其有良好的耗能、限位功能。2)通過實例驗證發(fā)現(xiàn)防落梁支座滯回曲線較為豐滿，限位效果明顯，具有較高的恢復力，能夠起到保護支座和防落梁的作用，滿足當時的設(shè)計要求。3)減震防落梁支座設(shè)計時，SMA絲的截面面積要根據(jù)實際橋梁構(gòu)造和場地情況來計算，保證其具有足夠的強度防止落梁，初始間距μ0的取值在滿足位移限制的前提下要盡可能大一些。