梁側橫向擋塊間隙設置對橋梁結構抗震響應分析

張科峰

（山西省交通規劃勘察設計院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

近幾十年來，世界范圍內地震頻發，特別是幾次大地震均造成了重大的人員傷亡和國民經濟損失，也對橋梁抗震設計理論產生了深遠影響。各種橋梁震害中，落梁是比較突出且嚴重的，因此防止落梁也成為橋梁抗震設計中重點關注點之一，而蓋梁端部設置的防震擋塊是常見又實用的橫向防落梁措施，在橋梁設計中普遍采用。

常規的混凝土擋塊設計中一般認為通過增大截面或配筋以提高擋塊的剛度，以此來抵御地震效應，因此擋塊應“越強越好”。從最近幾次震害調查中發現，中小地震下橫向抗震擋塊等限位裝置確實是越強越好[1]，因為它能很好地控制上部結構橫向變位，從而防止落梁。但在強震作用下，其結果往往并非如此。上部結構的地震慣性力大部分甚至全部會通過擋塊傳遞給下部結構和基礎，擋塊如果過于強大，在間隙較小的情況下，常用的板式橡膠支座不能充分發揮其減震作用，傳遞的地震力將會對下部結構造成嚴重損傷，不利于震后修復，更有甚者發生倒塌，造成人員傷亡及重大經濟損失。目前國內現行的《公路橋梁抗震設計規范》[2]、《城市橋梁抗震設計規范》[3]僅對擋塊的設計提出一些概念或措施，對于擋塊剛度設計方法及構造要求均沒有明確規定。實際設計中，往往也不區別烈度僅根據經驗設置擋塊。因此，尋求強震作用下擋塊的合理設置將十分有意義。擋塊設計中最關鍵的兩個方面即初始間隙和剛度，本文著重對初始間隙進行研究。

初始間隙的設置，通常考慮施工的便利，實際運用中隨意性較大。而不合理的間隙值，有可能使上部結構在碰撞中損壞，同時會對橋梁下部結構抗震性能產生不利影響。國內外部分學者，在研究上部結構與橫向抗震擋塊間的碰撞效應時發現，擋塊的初始間隙對結構的地震響應影響很大。綜上所述，本文結合某實際工程，通過分析不同初始間隙下橋梁結構對地震的響應，探討擋塊初始間隙的合理設置，以達到強震作用下對橋梁下部結構的保護。

1 項目概況

圖1 規范E1反應譜與安評譜對比圖

本橋為裝配式預應力混凝土連續T梁橋，路基寬度26 m，設計速度100 km/h，橋面凈寬2×12.75 m，設計荷載采用公路Ⅰ級。橋址區位于黃土高臺塬區，整體地勢相對平緩，沖溝普遍發育，呈典型的“雞爪”地形；局部溝壁稍陡，切割強烈，呈“V”或“U”字形。根據工程地質調繪及《中國地震動參數區劃圖》（GB 18306—2015），項目區地震基本烈度為Ⅶ度，地震動峰值加速度0.15g，反應譜特征周期為0.40 s。而根據安評報告，橋址區E1地震反應譜明顯放大，兩者對比見圖1，其最大值提高了約2.07倍，為更接近實際，本橋的抗震計算偏安全采用安評報告提供的地震參數。

上部結構采用4×50 m一聯的先簡支后結構連續預應力混凝土T梁，分幅設置，單幅橫向采用6片T梁，上部結構典型橫斷面如圖2所示。

圖2 上部結構典型橫斷面圖（單位：cm）

下部結構蓋梁采用矩形鋼筋混凝土蓋梁，距蓋梁端部各15 cm設置混凝土防震擋塊，擋塊寬40 cm，高60 cm，長度方向與蓋梁縱橋向同寬。橋墩采用等截面矩形空心薄壁墩，橫向寬6.5 m，縱向根據墩高不同分別采用B=2.5 m、B=3.0 m和B=3.5 m，外側四角均設置R=15 cm的圓倒角，內側設置40×40 cm倒角，壁厚縱橫向均采用60 cm，墩高大于45 m時墩身中部設置一道橫隔板。本次模型分析中的一聯橋梁橋墩縱向寬度B=2.5 m，墩高均為40 m，墩身一般橫斷面見圖3。

圖3 墩身一般橫斷面圖

連續墩支座采用HDR高阻尼隔震橡膠支座，型號為HDR(Ⅰ)570×620×247-G1.0；分聯墩采用LNR滑動型橡膠支座，型號為LNR(H)370×470×147。基礎采用整體式群樁基礎，樁徑D=1.8 m，一般構造如圖4所示。

圖4 橋墩一般構造圖

2 計算模型

本橋下部結構橫橋向力學簡化模型可如圖5表示，其中Ks代表蓋梁、橋墩及基礎的集成剛度，Kb代表板式橡膠支座剛度，Kc代表防撞擋塊剛度，M代表上部結構質量，d0代表擋塊與主梁間初始間隙。從模型中可以看出，當主梁與橋墩間的相對位移Δd小于d0時，擋塊不會受到撞擊，此時橋梁橫向剛度為Kb與Ks串聯后的合成剛度，即，主梁受到的水平力與位移關系為F1=K1x0。當主梁與橋墩間的橫向相對位移Δd大于d0時，擋塊受到撞擊開始參與工作，主梁受到的慣性力通過支座和擋塊傳遞給橋墩，此時橫向剛度為Kb與Kc并聯再與Ks串聯后的合成剛度，即，主梁受到的水平力F=Kx+K2102(x-x0)，主梁受力與墩梁相對位移的關系如圖6所示。擋塊受到的撞擊力與墩梁相對位移的關系式如式（1）所示，示意圖見圖7。

圖5 橫橋向單墩力學簡化模型

圖6 主梁受力與墩梁相對位移關系圖

圖7 擋塊撞擊力與墩梁相對位移關系

3 有限元模型及地震波

3.1 三維有限元模型

圖8為利用Midas Civil 2019建立的4×50 m一聯三維有限元模型。上、下部結構采用空間梁單元模擬，以反映其質量及剛度在空間的分配。橋墩、承臺、樁基的連接均采用剛性連接，樁基考慮等代土彈簧的約束作用，地基水平抗力系數m動=2.5m靜。擋塊與主梁間隙采用程序中提供的間隙單元模擬，彈性剛度按上述擋塊尺寸計算確定。

圖8 4×50 m一聯三維有限元模型

支座恢復力模型如圖9、圖10所示，其中各主要參數含義如下：K1為屈服前剛度；K2為屈服后剛度；Kh為水平等效剛度；Qy為屈服力；Q為設計阻尼力；Xy為屈服位移；X為容許位移。

圖9 固定支座恢復力模型圖

圖10 滑動支座恢復力模型

3.2 地震波

E2作用下的地震波采用安評報告提供的橋位處3條地表加速度時程曲線，如圖11～圖13所示。分別按縱向、橫向輸入，計算中取3條波計算結果的最大值控制設計。

圖11 波1時程曲線

圖12 波2時程曲線

圖13 波3時程曲線

4 結果分析

如前所述，本文主要針對擋塊初始間隙進行研究分析，因此為對比方便擋塊剛度采用固定值。模型中通過設置不同初始間隙：0.03 m、0.05 m、0.07 m、0.09 m、0.11 m共5個類型，得到3條地震波下橋梁構件隨初始間隙的變化關系。限于篇幅，本次主要以連續墩為研究對象，圖14～圖19分別為橫橋向墩底最大剪力、最大彎矩，樁基最大剪力、最大彎矩，擋塊最大剪力及支座剪切變形影響圖。

圖14 橫橋向墩底最大剪力影響圖

圖15 橫橋向墩底最大彎矩影響圖

圖16 橫橋向樁基最大剪力影響圖

圖17 橫橋向樁基最大彎矩影響圖

圖18 橫橋向擋塊最大剪力影響圖

圖19 橫橋向支座剪切變形影響圖

從圖中可以看出，在強震作用下，隨著擋塊與梁體初始間隙的增加，橫橋向墩底剪力、彎矩均呈下降趨勢，7 cm之前減小非常明顯：墩底剪力減小約35%～48%，墩底彎矩減小約50%～60%；7 cm后有所緩和：墩底剪力減小約17%～30%，墩底彎矩減小約25%～40%。樁基與橋墩類似，總體呈現減小趨勢，曲線趨勢變化點基本也在7 cm位置處，減震效率變化見表1。可見，從抗震角度講增大擋塊初始間隙，能較好地降低橋墩及樁基內力，起到保護下部結構及基礎的作用。但并非間隙越大越好，間隙太大時擋塊限制梁體橫向位移的能力將大大降低，增加了落梁風險，同時蓋梁尺寸加大，下部結構對地震的反應有所加大，因此擋塊間隙的設置應尋求各因素間的平衡，以達到經濟合理、安全可靠。

表1 橋墩及樁基內力對比表

擋塊剪力隨著擋塊初始間隙的增加變化較大，但總體仍為減小趨勢。從圖中可以看出，在初始間隙7 cm時，擋塊剪力相對較小，之后雖有部分增大，但差值不大（剪力變化率見表2），可見設置7 cm的初始間隙是合適的。擋塊剪力變化對比表見表2。

表2 擋塊橫向剪力對比表

由于本橋采用HDR高阻尼隔震橡膠支座，相比一般普通板式橡膠支座擁有更大的剪切變形能力，本橋采用的型號其屈服位移為12 cm，因此本次間隙設置中支座的剪切變形隨擋塊初始間隙的增加基本呈線性增加。若間隙設置再增大，超過支座的容許位移，理論上擋塊將不與梁體發生碰撞，即擋塊剪切力為0，下部結構及基礎在地震下的橫橋向內力將趨于平穩。

5 結語

本文以某實際工程為背景，通過設置不同擋塊初始間隙，分析在橫向地震時程作用下擋塊對橋梁結構地震響應的影響，以此探討擋塊初始間隙的合理設置。從分析結果可得到以下幾點結論：

a）擋塊初始間隙的設置對橋梁下部結構及基礎受力影響顯著。總體來看，隨著擋塊初始間隙的增大，橋墩及樁基橫橋向受力均呈現減小趨勢，特別是間隙較小時，減震效果更加明顯。因此，從抗震角度講適當增大擋塊的間隙有利于提高橋梁的抗震能力，在一定程度上起到保護下部結構及基礎的作用。

b）從影響曲線可見，初始間隙7 cm基本為曲線的拐點，從對比表可知，7 cm之前減小效率顯著，7 cm之后仍能減小地震效應，但趨勢有所變緩。因此，初始間隙設置在7 cm左右是經濟合理的，這也與實際工程中擋塊的設置一致（實際工程中一般為5～10 cm）。

c）擋塊的碰撞力即擋塊橫橋向剪力隨初始間隙的增大亦呈減小趨勢，但并非間距越大剪力越小，即最大碰撞力并非出現在間隙為0時。因此，擋塊初始間隙的設置若不合理，有可能達不到預設的抗震效果，甚至是不安全的。

d）本橋支座采用HDR高阻尼隔震橡膠支座，隨著初始間隙的增大，支座的橫橋向剪切變形呈線性增加，間隙越大隔震支座滯回耗能的特性越容易發揮充分，因此下部結構及基礎對地震的響應減弱，提高了橋梁的抗震性能。倘若擋塊的初始間隙大于支座的容許位移時，理論上擋塊將不會受到碰撞，即擋塊的撞擊力為0，而橋墩及樁基的地震內力也將趨于平穩。

需要說明的是，為對比方便本文分析時擋塊剛度為固定值，而如引言所述，擋塊的合理設置中剛度是關鍵因素之一，因此擋塊的合理設置必須結合剛度與初始間隙、橋梁結構、支座剛度及地震波特性等因素綜合確定。由于地震效應的復雜性，想要完全計算清楚目前尚存在一定困難，因此實際設計中建議除了加強計算分析外，應重視橋梁結構的抗震措施，貫徹落實“多道設防、分級耗能”理念，確保橋梁結構安全可靠。