限制位移橋墩的連續剛構橋抗震性能研究

限制位移橋墩的連續剛構橋抗震性能研究

劉鵬1，2

(1.中國中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都610031； 2.西南交通大學 土木工程學院，四川 成都610031)

摘要：沿著搖擺橋墩的概念提出一種限制位移橋墩連續剛構橋體系。該體系通過對連續剛構橋墩底和承臺之間采取一定措施，使橋梁在地震發生時能夠在限制的位移量內活動，減小輸入到橋梁結構中的能量，達到減震的目的。通過對一座鐵路連續剛構橋的分析，發現這種限制位移橋墩連續剛構橋體系能大幅減小橋墩的延性和強度地震需求，減震效果明顯，在選擇合適的限制位移量的情況下，可保證橋墩在高烈度罕遇地震作用下幾乎保持彈性工作狀態，震后經簡單處理即可保證使用功能，為震后救援工作帶來極大便利，也大大減少了修復成本。

關鍵詞：地震； 連續剛構橋； 限制位移； 橋墩

收稿日期：*2014-04-29

基金項目：中國中鐵二院工程集團有限公司院級課題(13164190(13-15)，14126165(14-15))

作者簡介：劉鵬(1982-)，男，博士，高級工程師，主要從事橋梁抗震研究.E-mail：bridge.liupeng@qq.com

中圖分類號:U442.55文獻標志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2015.01.0120

Seismic Performance of a Continuous Rigid Frame Bridge

with Displacement-restricted Piers

LIU Peng1，2

(1.ChinaRailwayEryuanEngineeringGroupCo.Ltd，Chengdu，Sichuan610031，China；

2.SchoolofCivilEngineering，SouthwestJiaotongUniversity，Chengdu，Sichuan610031，China)

Abstract：Since the beginning of the 1990s，performance-based seismic design theory has entered the mainstream of structural seismic research.The purpose of performance-based seismic design theory is to determine the seismic performance objectives of a building based on its use，importance，and level of seismic fortification.Buildings designed in accordance with those objectives will safely withstand earthquakes that may occur in the future.On the bridge，plastic hinges placed on the piers were used to consume earthquake energy.Design for ductility can avoid collapse of the bridge.However，permanent deformation of the plastic hinges could cause serious damage to the pier.It is difficult to immediately repair bridges following earthquakes.Many transportation functions are significantly slowed or lost.In order to ensure that the transportation capacity of bridges is recovered quickly after a strong earthquake，many structural systems have been proposed，including rocking bridge piers and self-centering bridge piers.The continuous rigid frame bridge system with displacement-restricted piers was consistent with the concept of rocking piers.This structure can realize three important functions：(1) limit the maximum displacement of pier，(2) prevent the bridge from overturning，and (3)adjust the coefficient of friction at the pier bottom.By adhering to these objectives between the pier bottom and the pier cap，the displacement-restricted system allowed the bridge to move with under the action of the earthquake.In so doing，this method can reduce the input of energy to the bridge structure and achieve the purpose of earthquake mitigation.

This study concluded that the continuous rigid frame bridge system with displacement-restricted piers could reduce ductility and strength demands on the bridge piers.This paper comparedthe displacement limits of 2 cm，5 cm，8 cm and traditional piers.The results showed that the displacement of the pier top，the bending moment at the pier bottom，and the bending moment of the pier at the bridge beam with the displacement-restricted 2 cm，5 cm，8 cm piers were much less than the piers of a traditional continuous rigid frame bridge.The results also show that the amount of displacement restrictions is important.Choosing the appropriate displacement restriction can ensure that the elastic working state of the bridge will be maintained under severe earthquake conditions.This can improve the effectiveness of earthquake relief work and greatly reduce the cost of repairs.

Key words： earthquake； continuous rigid frame bridge； displacement-restricted； bridge pier

0引言

基于性能的抗震設計是指根據建筑物的用途和重要性以及地震設防水準確定建筑物的抗震性能目標，按照該目標進行建筑抗震設計，使設計的建筑在未來可能發生的地震作用下具有預期的抗震性能和安全度，從而將建筑的震害損失控制在預期的范圍內。對橋梁而言，是利用橋墩產生塑性鉸消耗地震所輸入的能量。然而，如何在地震發生后，使整個建筑物乃至整個城市甚至整個社會具有恢復功能，近幾年來引起了地震工程界的密切關注與廣泛討論[1]。道路暢通在震后救援中起到了決定性的作用，而橋梁功能即時恢復則在道路暢通中起到關鍵作用。延性設計方法，雖可避免橋梁倒塌，但塑性鉸的永久變形卻導致橋墩嚴重受損，致使地震過后難以即時修復，若塑性鉸出現在橋墩中部[2]，則更難修復，從而失去災后亟需的運輸功能。研究一種在震后具有恢復功能的橋梁結構，可在震后及時恢復鐵路運輸功能，保證物資、人員運輸，在震后人民生命財產搶救中將起到至關重要的作用，具有非常重要的經濟效益和社會效益。

為保證結構的即時恢復功能能力，有學者提出剛體搖晃概念[3]。在早期的搖擺結構中，一般做法為放松結構與基礎之間的約束，即上部結構與基礎交界面可以受壓但幾乎沒有受拉能力，在水平傾覆力矩作用下，允許上部結構在與基礎交界面處發生一定的抬升。地震作用下上部結構的反復抬升和回位就造成了上部結構的搖擺，一方面降低了強地震作用下上部結構本身的延性設計需求，減小了地震破壞，節約了上部結構造價；另一方面，減小了基礎在傾覆力矩作用下的抗拉設計需求，節約了基礎造價。

根據剛體搖擺概念，有學者提出了地震過后避免橋墩損壞的設計方法，稱之為DAD(Damage Avoidance Design)[4-5]。該方法主要將橋墩連接蓋梁及基礎的鋼筋切斷，使橋墩在地震時可在期間來回晃動，避免橋墩產生塑性變形而破壞。運用該方法設計的搖晃橋墩系統，在往復地震力作用下，橋墩沒有強度或剛度衰退情形。Hao等[6]通過數值方法研究了一座兩跨簡支梁橋搖擺橋墩的抗震性能，認為可以有效減輕結構的地震響應，減震效果明顯。為了使搖擺橋墩在地震作用下具有復位能力從而減小殘余變形，研究人員在搖擺橋墩中引入無黏結后張預應力，后張預應力使橋墩與基礎交界面處的抗側力小于傳統固定基礎橋墩，但大于無預應力的搖擺橋墩，并為橋墩的搖擺提供一定的復位能力。Lee[7]、Palermo等[8]對后張預應力自復位式橋墩的抗震性能進行了研究；Solberg等[9]通過試驗對比了搖擺橋墩和傳統墩底固結橋墩的抗震性能，認為搖擺橋墩抗震性能優越性明顯；Marriott[10]、Palermo[11]、Jeong[12]、郭佳等[13-14]進行了類似的自復位橋梁試驗，都認為自復位橋梁在地震中表現出了很好的抗震性能。Astaneh-Asl 和Shen進行了半剛性搖擺橋墩的研究，允許橋墩與基礎間有限搖擺，這一研究已用于美國舊金山-奧克蘭海灣大橋改造的加固設計中[1]。

鐵路連續剛構橋有其特殊性，橋墩剛度大，現有文獻未發現專門針對搖擺橋墩在鐵路連續剛構橋中的應用研究。而在中國西南地區修建鐵路，需要跨越多條地震斷裂帶，橋址不可避免要位于高烈度地區，因此本文將專門針對大跨鐵路橋梁進行研究。

1思路提出

根據搖擺橋墩的概念，本文提出一種限制位移橋墩的思路，構造示意圖如圖1所示，簡述如下：

把橋墩底部設計成一個平臺，與承臺分離，承臺做成凹槽狀，而在墩底、承臺的頂面預埋鋼板，平臺在凹槽內可以平動，平動的最大位移量通過平臺與凹槽之間的間距進行限制；在凹槽的頂部增加防傾覆裝置，防止結構傾覆(盡管這種情況幾乎不會出現)，在防傾覆裝置和承臺頂部加塞類似軟鋼等彈模較低的延性材料(圖1中黑色實體部分)，對橋墩在凹槽內的轉動進行一定程度的限制。這樣，橋墩的最大位移量能得到很好的約束。在強地震作用下，橋墩首先發生轉動，當水平力大于墩底摩擦力時，橋墩開始滑動。通過橋墩的滑移和轉動減小地震能量的輸入，同時又能保證最大位移量不超過限制值，地震后保證橋梁的正常通行能力。

1-凹槽狀承臺；2-防傾覆裝置；3-預埋鋼板 圖1　限制位移橋墩局部構造示意圖 Fig.1　Local structure of the displacement-restricted pier

2模型建立

下面以一座3跨鐵路連續剛構橋為例，研究上述思路的抗震性能。選用FRAME3D分析軟件，該軟件在日本工程界抗震分析時廣泛應用。選用的橋梁橋跨徑布置為72 m+128 m+72 m；主梁為箱型變截面，采用C50混凝土，用彈性梁單元模擬；橋墩為圓端形變截面，墩頂矩形部分長7 m、寬2 m，圓端半徑1 m，截面沿墩高方向按1∶40的比例變化，墩身采用C40混凝土，用纖維單元模擬；不考慮地震中橋臺發生破壞，選用彈性梁單元模擬。建立的有限元模型如圖2所示。下面對模型中采用的材料模型、限制位移的模擬方式進行詳細介紹。

圖2　連續剛構橋有限元模型 Fig.2　Finite element model of the continuous rigid frame bridge

2.1材料模型

在鋼筋混凝土纖維模型中， 纖維可以劃分為三類：保護層混凝土、核心混凝土和鋼筋，所以需要定義無約束混凝土、約束混凝土和鋼筋三種材料的本構關系模型。對無約束混凝土和約束混凝土均采用Mander單軸混凝土模型，鋼筋則選用Menegotto和Pinto建議的修正MP(S-K)模型，本構關系如圖3所示。

圖3　材料本構關系 Fig.3　Constitutive relation of materials

2.2邊界條件模擬

對于限制位移的模擬是本次模擬的關鍵所在，如前所述，既需要保證橋墩底部有不超過設定范圍大小的位移量，又要保證橋墩有一定程度的轉動能力，同時需要考慮一定的摩擦力，基于此，本文用彈簧單元進行模擬。對于限制位移的水平方向約束，用圖4(a)所示的彈簧表示，圖中的Gap為預設的限制位移量，達到該值后，橋墩和承臺凹槽發生碰撞，用線性剛度模擬，同時設定了破壞位移，即到達該位移后意味著凹槽被撞壞，喪失對橋墩的約束作用；對于豎直方向的約束，用圖4(b)所示的彈簧模擬，表示承臺只對橋墩向下位移有約束(K2=1×1010kN/m)，對橋墩在地震作用下向上抬升不施加約束(K1=0)；對于轉動方向的約束，采用圖4(c)所示的線彈簧進行簡單模擬(K1=1×103kN/m)；而用圖4(d)所示的彈簧模擬墩底與承臺頂部之間的摩擦力，可以通過調整墩底和承臺頂板預埋鋼板的摩擦系數μ調整該摩擦力F(其中F=μN，而N為靜力得到的墩底反力)，雖然墩底反力在地震中有所變化，但相對于結構自重來說一般小很多，所以簡單認為該力保持常數不變。邊跨支座采用彈簧模擬，為了保證橋梁在正常使用情況下的橫向剛度，只放松縱橋向平動自由度和橫橋向轉動自由度，約束包括橫橋向平動自由度在內的其他方向各自由度，如圖4(e)所示。

圖4　邊界條件 Fig.4　Boundary condition

2.3地震波選取

地震波輸入選用Kobe地震波(圖5)，進行三向地震動輸入，水平向加速度峰值調整至0.64 g，即《鐵路工程抗震設計規范》規定的Ⅸ度設防烈度區對應的罕遇地震的水平地震基本加速度值。

圖5　Kobe地震波 Fig.5　Kobe seismic wave

3計算結果及分析

為了更清楚地了解限制位移橋墩的抗震性能，計算了墩底固結、限制位移量分別為2 cm、5 cm和8 cm四種情況，進行了一個系統的比較。

選取容易形成塑性鉸的墩底部位、橫系梁處橋墩截面，查看塑性發展情況，這里只列出墩底固結和限制位移量為5 cm時的計算結果(圖6、圖7)。

圖6　墩底固結時截面塑性發展情況 Fig.6　Plastic situation of the section when the bottom of pier is consolidated

從計算結果可以看出，傳統墩底固結橋墩經過加強配筋的橋墩墩底、橫系梁部位橋墩依次進入塑性，直至墩底部位混凝土到達抗壓強度形成塑性鉸，在這過程中由于地震作用過于強烈，導致橋墩其他部位混凝土要超過抗壓強度的1/3，產生塑性變形；而限制位移橋墩混凝土只在墩底處、橫系梁部位產生少量塑性變形，其余部位混凝土基本在彈性變形范圍內工作。這表明，限制位移橋墩有非常強的抵御強震的能力，而且在強震中基本能保證橋墩混凝土在彈性范圍內工作，這樣橋墩幾乎沒有損傷和破壞，在震后也就不必對橋墩進行修復或只需對個別部位進行簡單處理。

再對限制位移量的大小進行一個分析。分別對墩底固結、限制位移量2 cm、限制位移量5 cm、限制位移量8 cm四種情況的橫橋向墩底彎矩和橫系梁處橋墩彎矩(都取橋墩同一肢的相同位置截面)、墩頂位移進行一個對比(表1)。上述后三種情況下，摩擦力均取值為8 000 kN。

圖7　限制位移5 cm時截面塑性發展情況 Fig.7　Plastic situation of the section when the limit displacemenis is 5 m

圖8　 墩底橫橋向反力時程 Fig.8　Transversal counter-force time history of the bottom of pier

從表1看出，限制位移結構體系的墩底彎矩比傳統的墩底固結的結構體系減小很多，減小幅度超過2/3；而比較有意思的是，墩頂最大位移不但沒有因為橋墩的活動增加，反而降至只有墩底固結墩頂最大位移的約2/3。另外，墩頂最大位移跟限制位移量關系不大，墩底彎矩相差也不大，但橫系梁處橋墩彎矩相差較大，說明限制位移量的選擇很重要。

接下來再對墩底橫橋向的反力進行一個比較。圖8分別給出了墩底固結、限制位移量分別為2 cm、5 cm和8 cm時墩底橫橋向反力，后面三種情況實際上是橋墩墩底與承臺凹槽側壁之間的碰撞力。可以看出，限制位移橋墩與承臺凹槽側壁之間的碰撞力遠大于墩底固結時的反力，但在限制位移量為8 cm時，碰撞力基本已降到限制位移量為2 cm和5 cm時50%的水平。這再一次說明限制位移量的選擇很重要，通過選擇合適的限制位移量可以減小橋墩墩底與承臺凹槽側壁之間的碰撞力。這里需要說明的是，我們可以采取一些緩沖措施來減小該碰撞力，這將在以后的研究中專門進行分析。

表 1位移、彎矩對比

Table 1Displacement comparison and bending moment comparison

墩底約束方式墩頂位移/mm墩底彎矩/(kN·m)橫系梁處橋墩彎矩/(kN·m)墩底固結300.7553298319540限制位移量2cm216.0136135221745限制位移量5cm206.9122045154703限制位移量8cm207.2136419187858

4結論

通過對傳統墩底固結結構體系和限制位移橋墩結構體系的對比，可以看到后一種結構體系減震效果明顯，基本能保證橋墩在高烈度區罕遇地震作用下保持彈性工作狀態。限制位移量的選定對減震效果有一定影響，選擇合適的限制位移量可以有效減小墩底彎矩、橫系梁處橋墩彎矩，還可以減小橋墩底部與承臺限制措施之間的碰撞力，因此在進行設計時可以綜合考量，既要考慮減震效果，又要考慮結構在震后快速恢復運輸能力的要求。

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