連續(xù)梁橋組合降震設(shè)計功效分析研究

溫瑞霖

摘 要：在對案例路橋混凝土預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁橋的地震反應(yīng)分析基礎(chǔ)上，針對強烈的近斷層地震脈沖效應(yīng)，提出了在案例路橋橋梁中選用降震榫和拉索限位器相結(jié)合的方法，在公路橋梁中將鉛芯橡膠支撐座和拉索限位器組合在一起，以構(gòu)成組合降震系統(tǒng)方案，開展連續(xù)橋梁的地震反應(yīng)實驗。

關(guān)鍵詞：連續(xù)梁橋;組合降震;設(shè)計功效;分析研究

在強地震中，許多橋梁結(jié)構(gòu)已經(jīng)受到嚴(yán)重?fù)p壞，所以降震技術(shù)已經(jīng)成為提高強地震區(qū)橋梁抗震功效的重要課題。原始的抗震方法是借助加增結(jié)構(gòu)部件的強度和抗形變能力來抵抗地震作用，這在一定程度上難以完成，而且會導(dǎo)致很大的浪費。減隔震技術(shù)的出現(xiàn)和快速發(fā)展帶來了新的地震思想。

1 工程案例概況

以某（40 + 64 + 40）m混凝土預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁路橋作為工程背景參照，開展了地震反應(yīng)分析。為了考慮相鄰梁間碰撞和相鄰跨度的影響，在連續(xù)梁的兩端，設(shè)有1孔32 m簡支標(biāo)準(zhǔn)箱形梁。連續(xù)梁和相鄰的簡支梁的上部結(jié)構(gòu)都是混凝土預(yù)應(yīng)力雙線可變斷面箱形梁。整個橋梁的下部結(jié)構(gòu)是雙流線型圓端實心墩，墩體的高度見圖1具體所示。橋址位處8度范圍，設(shè)計地震峰值加速率為0.2g，罕見地震強度為0.38g。

2 組合降震系統(tǒng)設(shè)計

2.1 連續(xù)梁橋降震設(shè)計

（1）正常應(yīng)用階段：橋上列車的制動力為列車垂直靜動荷載的10%，即960 kN;滑移支撐座的摩擦力= 66 000 kN× 0.02=1 320 kN，即支撐座的摩擦力可以抵抗列車的制動力。

（2）在地震頻繁的狀態(tài)下：當(dāng)在側(cè)墩（2#和5#）和中墩（3#和4#）分別配置6和8個降震榫時，應(yīng)用降震榫的彈塑性剛度，以多振型分解反應(yīng)譜法獲得降震榫的形變?yōu)?.4 mm，降震榫不屈服，符合需求。

（3）在設(shè)計地震影響下：取降震榫在設(shè)計目標(biāo)移位（30 mm）下的等效剛度開展等效線性化分析，得出降震榫的形變量為28.8 mm，未達(dá)設(shè)計目標(biāo)移位。除前述起始空隙外，拉索限位器的設(shè)計參數(shù)還涉及拉索限位器的數(shù)量和長度，它們決定了拉索限位器的最大許可約束移位和剛度。通過數(shù)次試算和設(shè)計，發(fā)現(xiàn)當(dāng)降震榫的形變從限位器發(fā)揮作用到降震榫的極限移位（72 ram）時，降震榫和拉索限位器的恢復(fù)力增量之和，應(yīng)大于等于上部結(jié)構(gòu)重量的0.05倍，這樣才能以保證降震榫的安全性，獲得限制器的剛度為45 000 kN/m，進(jìn)而確定了限制器的長度及其它參數(shù)。

2.2 動力設(shè)計分析計算模型

用梁柱單元模擬梁柱和墩柱，用雙線性滯后單元模擬盆橡膠支撐座和降震榫。降震榫的滯后參數(shù)為：屈服荷載Fy =325 kN，屈服移位dy=0.006 m，極限荷載Eu =383 kN，最大塑性形變du=0.072 m。盆式橡膠支撐座選用雙線性滯回單元模擬，忽略樁土結(jié)構(gòu)的互相作用，即在橋墩底部固結(jié)。彎矩與橋墩曲率間的關(guān)系請參見表1具體所示。用非線性觸接元件模擬了相鄰梁的碰撞功效和拉索限位器，碰撞空隙為0.05 m，拉索限位器空隙為0.03 m。

為了分析組合降震系統(tǒng)在連續(xù)梁橋中的降震功效，做出了以下規(guī)定：

忽略盆式支撐座故障引發(fā)的能量耗散。

臨時跨度的簡單支承梁不選用抗震設(shè)計，在1#和6#墩上設(shè)有固定支撐座。

在不帶減振裝置的連續(xù)梁中，3#墩裝配有固定支撐座，其余裝配有滑移支撐座。

應(yīng)用降震裝置時，把中間墩（3#）的固定支撐座改為滑移支撐座，而且在全部墩上安置降震榫。

建立的模型和分析條件如下：

工作條件1：傳統(tǒng)的非降震橋固定支撐座，即3#橋墩裝有固定支撐座，其余都裝有不帶降震裝置的滑移支撐座，用于比較降震功效。

工作條件2：帶降震榫的降震橋，即把墩3#的固定支撐座變?yōu)榛顒又巫谥虚g墩和側(cè)墩上配置降震榫。

工作條件3：選用帶有降震榫和拉索限位器的降震橋，來驗證所提出的組合隔離和限制系統(tǒng)的有效性。

2.3 近斷層地震輸入

近斷層脈沖地震存在顯著速率脈沖的特性，主要是因為滑移沖擊效應(yīng)和正向效應(yīng)所引發(fā)。當(dāng)斷裂鋒面向觀測點傳播，并且傳播速率接近巖石破裂速率時，將在該點發(fā)生正向效應(yīng)，其速率脈動主要產(chǎn)生在垂直于斷層平面的方向，一般在斷層上。

滑移推力效應(yīng)，是指在斷層部位附近的某個方向上的移位時程驟然上升或降低而構(gòu)成一個臺階，而且由它引發(fā)的速率脈沖，一般在平行于斷層滑移的方向上，并呈單向特點。

為研究不同地震速率脈沖類型的橋梁震動影響，本研究選取了10個無脈動效應(yīng)的地震和20個有速率脈沖特性的近斷層地震。順橋向時程輸入，峰值加速率分別為0.389和0.29，分別代表罕見地震強度作用和設(shè)計地震作用，并用各種地震的均值作為分析根據(jù)。

3 連續(xù)梁橋地震反應(yīng)分析

3.1 限位器配置的影響分析

屈服后，降震榫加增了結(jié)構(gòu)的柔韌性，延長了結(jié)構(gòu)的應(yīng)用壽命，并且結(jié)構(gòu)的形變主要集中在降震榫上，因此，降震榫在地震中的工作狀況決定了整體結(jié)構(gòu)的抗震功效。表2顯示了在配置限制器之前和以后3#墩上降震榫的形變。可以發(fā)現(xiàn)，沒有配置限制器，在沒有速率脈沖的地震的影響下，降震榫的形變在設(shè)計區(qū)域內(nèi)，可以保證其抗震安全性。但在有速率脈沖狀態(tài)下，設(shè)計地震（0.2g）下的降震榫的形變接近極限值，約為60 mm。在罕見的地震（0.38g）下，其形變超出極限移位，最大達(dá)100 mm，而且比沒有速率脈沖的相應(yīng)地震輸入大得多。可以發(fā)現(xiàn)，因為降震榫屈服后的剛度和移位能力相對有限，因此在罕見的近斷層地震狀態(tài)下，其形變很難控制，安全性大受影響，這是提出限位器與降震榫的組合降震方案的主要原因。

為了控制降震榫在速率脈沖近斷層地震影響下的過大形變，分別在3#支撐架和4#調(diào)諧墩上裝配了限位器。配置好索式限位器，在帶速率脈沖的近斷層（稀有）地震中，降震榫的移位從高出100 mm降低到小于70 mm，移位控制功效顯著。另外，因為脈沖地震的特殊性，在設(shè)計地震下不能將降震榫的形變控制在設(shè)計移位內(nèi)，但是在罕見地震強度下不會超過極限移位，因此可以認(rèn)為組合降震系統(tǒng)是有效的。實際上，假如要在設(shè)計地震下將降震榫控制在設(shè)計移位區(qū)域內(nèi)，則可以經(jīng)過調(diào)整拉索限位器的起始空隙和拉索數(shù)量來開展控制。限位器配置有可能會加大橋墩的內(nèi)部應(yīng)力和形變。表3給出了限位器配置對3#墩墩底彎矩的影響，由表可知，在設(shè)計和罕見地震強度的影響下，限位器的配置使墩底的彎矩加大了約10%。在設(shè)計地震下，墩底彎矩小于屈服彎矩，橋墩具有彈塑性。在罕見地震強度下，墩底的平均彎矩小于屈服彎矩。實際上，該墩在局域地震下已屈服，可是其塑性曲率尚未到達(dá)極限值，處在可接受的區(qū)域內(nèi)。

3.2 降震功效分析

為充分揭示降震裝置的降震功效，選擇降震比指標(biāo)開展分析，其計算公式為：

（1）

公式中：ei系為降震橋梁的地震響應(yīng)峰值;en系為非降震橋梁的地震響應(yīng)峰值;Ρ系為降震率，降震率越大，顯示降震功效越好。

以非隔離狀態(tài)下固定墩3#的移位為例開展分析。

圖2為設(shè)計地震標(biāo)準(zhǔn)下，不同類型的地震和相鄰梁間的碰撞，對降震榫的降震功效影響分析成果。在圖中，給出了在有和沒有碰撞的狀態(tài)下，不同類型的地震的平均降震率及其對應(yīng)的百分率。數(shù)據(jù)揭示：

（1）降震榫能達(dá)較佳的降震功效，不同地震類型的降震率≥70%，脈沖近斷層地震要大于無脈沖近斷層地震，二者均達(dá)80%，緣于降震榫可以承受比較大塑性形變。

（2）應(yīng)用非脈沖近斷層地震時，沖擊對降震率影響很小，這主要是因為沖擊比較小的原因。

（3）對于有正向作用和滑移沖擊作用的脈沖地表運動，沖擊作用顯著，在忽略沖擊的震結(jié)構(gòu)的降震率時，不能不考慮碰撞的影響。

4 結(jié)語

鑒于強烈的近斷層地震脈沖效應(yīng)，開展了連續(xù)橋梁的地震響應(yīng)測試。提出降震榫頭與拉索限位器，鉛橡膠支撐座與拉索限位器的組合降震系統(tǒng)的設(shè)計方案，限位器控制降震裝置的過度形變并避免落梁損壞，借助降震榫或鉛橡膠支撐座的消能功效，來降低橋梁的地震響應(yīng)，降低地震對橋梁結(jié)構(gòu)的破壞。通過降震反應(yīng)功效測試分析揭示，這種設(shè)計對路橋防震降震具有功效。

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