基金項(xiàng)目：廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目“正交異性鋼橋面板疲勞性能的無(wú)網(wǎng)格方法研究”（編號(hào)：2022KY1140）

作者簡(jiǎn)介：睢海濤（1987—），碩士，一級(jí)建造師、一級(jí)造價(jià)工程師，主要從事道路橋梁施工技術(shù)科研與教學(xué)工作。

摘要：文章基于OpenSees開(kāi)源程序?qū)?shí)際工程中的一座典型公路三跨簡(jiǎn)支梁橋進(jìn)行建模，考慮橋梁不同減隔震方案，研究其在近斷層脈沖型地震動(dòng)作用下的地震響應(yīng)變化，結(jié)果表明：對(duì)于橋墩內(nèi)力而言，鉛芯橡膠支座方案降低效果最佳且最有效范圍在加速度0～0.6 g內(nèi)；鉛芯橡膠支座剪切變形增長(zhǎng)過(guò)大可能引發(fā)梁間或梁臺(tái)間的嚴(yán)重碰撞甚至落梁；采用拉索限位裝置和鉛芯橡膠支座組合的方式既可減少橋墩的內(nèi)力響應(yīng)，又可有效控制主梁位移以及碰撞力。

關(guān)鍵詞：減隔震措施；非線(xiàn)性時(shí)程響應(yīng)分析；多跨簡(jiǎn)支梁橋；近斷層地震動(dòng)作用；OpenSees

中圖分類(lèi)號(hào)：U442.5⁺5

0 引言

簡(jiǎn)支梁橋作為一種公路及鐵路中最常用的一種橋梁結(jié)構(gòu)形式，在震災(zāi)下能否保持足夠的安全儲(chǔ)備是一個(gè)值得重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。

余小江^[1]通過(guò)對(duì)高烈度區(qū)的矮墩簡(jiǎn)支梁橋進(jìn)行建模，并采用鉛芯橡膠支座減震加固方案，來(lái)探討橋梁地震響應(yīng)的變化。鐘聞華等^[2]采用增量動(dòng)力分析的方法對(duì)一座簡(jiǎn)支梁橋進(jìn)行損傷分析，發(fā)現(xiàn)支座和擋塊是易損部位并給出相應(yīng)的抗震設(shè)計(jì)建議。王渭峰等^[3]采用連梁裝置并改變相應(yīng)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)簡(jiǎn)支梁橋進(jìn)行分析來(lái)確定連梁裝置的適宜參數(shù)范圍。黃香健等^[4]通過(guò)對(duì)簡(jiǎn)支梁橋進(jìn)行改造發(fā)現(xiàn)整體式橋梁主梁受力較為均勻，具有一定適用性。

當(dāng)前對(duì)簡(jiǎn)支梁橋的減隔震措施研究較為單一。為了使得研究結(jié)果具有一定普適性，本文參考文獻(xiàn)^[5]里的橋型分布情況資料，選擇一座西南山區(qū)典型三跨簡(jiǎn)支梁橋作為工程實(shí)例，采用了一些貼合實(shí)際工程的減隔震措施來(lái)探討其在近斷層脈沖型地震動(dòng)下的響應(yīng)情況，為此類(lèi)橋梁的減隔震提供一些有用的參考。

1 橋梁算例簡(jiǎn)介及有限元建模

本文算例為一座三跨公路簡(jiǎn)支梁橋，橋梁跨徑布置為4×30 m，總長(zhǎng)120 m，上部結(jié)構(gòu)截面形式為T(mén)梁，采用C50混凝土，橫向由5片梁組成。下部結(jié)構(gòu)采用雙柱式橋墩，橋墩直徑為1.6 m，采用C30混凝土，橋臺(tái)支座采用聚四氟乙烯支座，橋墩上采用板式橡膠支座，全橋伸縮縫間隙為8 cm。

根據(jù)橋梁設(shè)計(jì)圖紙，通過(guò)OpenSees軟件建立橋梁三維有限元模型，具體如圖1所示，主梁及蓋梁采用彈性梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，雙柱式的橋墩采用基于力的非線(xiàn)性梁柱單元來(lái)考慮橋墩在震中的非線(xiàn)性特性，聚四氟乙烯及板式支座的采用理想彈塑性材料和線(xiàn)彈性材料并通過(guò)零長(zhǎng)度單元進(jìn)行模擬，參數(shù)具體取值根據(jù)相關(guān)規(guī)范^[6]查詢(xún)，橋臺(tái)以及基礎(chǔ)固結(jié)簡(jiǎn)化處理。梁間和梁臺(tái)間采用Hertz-damp模型^[7]來(lái)考慮震時(shí)可能發(fā)生的碰撞行為。

2 減隔震方案選擇與模擬

考慮到實(shí)際工程中減隔震措施的造價(jià)成本、施工難易程度等因素，本文選擇了拉索限位裝置、鉛芯橡膠支座及這兩者組合作為減隔震方案，具體可劃分為四種工況，具體情況可見(jiàn)表1。拉索限位裝置選擇設(shè)置在蓋梁與主梁、主梁與橋臺(tái)間設(shè)置，具體由錨塊、拉索、托架組成，材料采用預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)，拉索裝置參數(shù)設(shè)計(jì)采用1.5倍恒載法^[8]確定。鉛芯橡膠支座及參數(shù)根據(jù)支座手冊(cè)選擇，采用雙折線(xiàn)模型進(jìn)行模擬并在全橋布置，拉索連接構(gòu)造、本構(gòu)關(guān)系及鉛芯橡膠支座本構(gòu)關(guān)系如圖2所示。

3 天然地震波及輸入

由于近場(chǎng)脈沖型地震動(dòng)往往會(huì)引起更顯著的結(jié)構(gòu)響應(yīng)^[9-10]，本文選取的近斷層脈沖型地震動(dòng)采用統(tǒng)一調(diào)幅0.1 ～1.0 g來(lái)探究不同減隔震方案在不同地震動(dòng)峰值加速度下具體的效果。選波原則依據(jù)設(shè)計(jì)說(shuō)明中的30 m土層平均剪切波速以及相關(guān)參數(shù)，以規(guī)范中的反應(yīng)譜為目標(biāo)譜，采用譜兼容原則匹配近斷層脈沖型地震動(dòng)3條，具體地震動(dòng)信息如表2所示。地震波沿橋梁縱向加載，阻尼比采用5%的瑞利阻尼。

4 橋梁的動(dòng)力響應(yīng)結(jié)果分析

4.1 不同工況下橋梁動(dòng)力響應(yīng)

選取1^#橋墩作為分析對(duì)象，按照規(guī)范要求，以響應(yīng)最大的地震波結(jié)果為準(zhǔn)，圖3～6為橋墩具體不同響應(yīng)計(jì)算結(jié)果，表3及表4為具體響應(yīng)值列表。綜合結(jié)果來(lái)看，各工況下響應(yīng)值變化規(guī)律各有不同，1^#橋墩彎矩剪力變化規(guī)律比較相似，采用拉索限位裝置、鉛芯橡膠支座、拉索限位裝置及鉛芯橡膠支座組合方案都在一定程度上降低了橋墩的彎矩剪力響應(yīng)；鉛芯橡膠支座方案降低效果最佳，在加速度0～0.6 g范圍作用最為明顯，以加速度0.4 g為例，橋墩彎矩剪力由未進(jìn)行減隔震的7 577 kN·m、1 078.2 kN降低到5 354.5 kN·m、696.5 kN，分別減少了29.3%和35.4%，而工況二和工況四只相應(yīng)減少了2.2%、0.5%和2.3%、1.31%。綜合以上分析，鉛芯橡膠支座對(duì)于橋墩內(nèi)力響應(yīng)減少最為顯著，且減震區(qū)間也較工況二、工況四廣泛一些，基本上在0～0.6 g范圍都有明顯效果，工況二效果最弱，工況四介于工況二和工況三中間。

橋墩墩頂位移在三種減震方案下變化規(guī)律和橋墩內(nèi)力響應(yīng)變化趨勢(shì)一致，工況二到工況四分別減少了-4.98%、58.1%、22.5%。拉索限位裝置稍微增加了橋墩墩頂位移，支座剪切位移從工況二到工況四分別減少了33.9%、-68.7%、21.6%。這表明工況三的鉛芯橡膠支座雖然能夠明顯降低橋墩內(nèi)力響應(yīng)，但支座剪切位移增長(zhǎng)劇烈，相當(dāng)于鉛芯橡膠支座能夠把橋墩的內(nèi)力響應(yīng)轉(zhuǎn)嫁到支座上，把支座作為一種可犧牲的構(gòu)件，但過(guò)大的支座位移可能引發(fā)梁間的嚴(yán)重碰撞甚至落梁。

4.2 不同工況下伸縮縫碰撞力情況

在不同工況下，根據(jù)本橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)繪制1^#伸縮縫到3^#伸縮縫的碰撞力峰值情況，如圖7所示。鉛芯橡膠支座過(guò)大的剪切位移會(huì)增大梁間以及臺(tái)間的碰撞力峰值，而工況二的拉索限位裝置效果顯著，對(duì)梁間的位移控制較好，相應(yīng)地減少了梁間的碰撞力，三處伸縮縫分別由12 894 kN、9 563.1 kN、8 641 kN降低至0 kN、6 438 kN、5 261 kN，減少率為100%、50%、39%。工況四的拉索限位裝置和鉛芯橡膠支座組合方案減少碰撞力效果也比較顯著，對(duì)碰撞力的減少效果略差于工況二，但明顯優(yōu)于工況三。綜合以上分析，對(duì)于強(qiáng)震情況下單獨(dú)采用鉛芯橡膠支座雖然可以增加橋墩抗震性能的安全儲(chǔ)備，可把風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)接到主梁上，相應(yīng)地會(huì)增加主梁的位移以及梁間的碰撞力，而采用拉索限位裝置和鉛芯橡膠支座組合的方式既可以減少橋墩的內(nèi)力響應(yīng)，又可以有效控制主梁位移以及碰撞力，把橋墩自身延性耗能能力、鉛芯橡膠支座減震特性、拉索限位裝置限制主梁位移的功能結(jié)合起來(lái)，增加減隔震構(gòu)件的使用期限，讓橋梁安全服役時(shí)間延長(zhǎng)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文使用OpenSees對(duì)某三跨典型多跨簡(jiǎn)支梁橋?qū)嵗M(jìn)行有限元建模，綜合考慮地震作用下橋梁結(jié)構(gòu)的非線(xiàn)性特性以及碰撞過(guò)程的非線(xiàn)性特性，探討了不同減隔震方案在近斷層脈沖型地震動(dòng)下對(duì)全橋動(dòng)力響應(yīng)的影響。主要得到以下結(jié)論：

（1）采用拉索限位裝置、鉛芯橡膠支座、拉索限位裝置-鉛芯橡膠支座組合方案都在一定加速度范圍內(nèi)不同程度降低了橋墩的彎矩剪力及位移響應(yīng)；鉛芯橡膠支座方案降低效果最佳，在加速度0～0.6 g范圍作用最為明顯。

（2）鉛芯橡膠支座雖然能夠明顯降低橋墩內(nèi)力響應(yīng)，但相應(yīng)剪切位移增長(zhǎng)明顯，過(guò)大的支座位移可能引發(fā)梁間或梁臺(tái)間的嚴(yán)重碰撞甚至落梁。

（3）鉛芯橡膠支座會(huì)增加主梁的位移以及梁間的碰撞力，而采用拉索限位裝置和鉛芯橡膠支座組合的方式既可以減少橋墩的內(nèi)力響應(yīng)，又可以有效控制主梁位移以及碰撞力，這可以為實(shí)際工程中類(lèi)似橋梁減隔震方案提供一定的參考價(jià)值。

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