近斷層地震動作用下簡支梁橋減隔震方法研究

基金項目：廣西高校中青年教師科研基礎能力提升項目“正交異性鋼橋面板疲勞性能的無網格方法研究”（編號：2022KY1140）

作者簡介：睢海濤（1987—），碩士，一級建造師、一級造價工程師，主要從事道路橋梁施工技術科研與教學工作。

摘要：文章基于OpenSees開源程序對實際工程中的一座典型公路三跨簡支梁橋進行建模，考慮橋梁不同減隔震方案，研究其在近斷層脈沖型地震動作用下的地震響應變化，結果表明：對于橋墩內力而言，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；鉛芯橡膠支座剪切變形增長過大可能引發梁間或梁臺間的嚴重碰撞甚至落梁；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力響應，又可有效控制主梁位移以及碰撞力。

關鍵詞：減隔震措施；非線性時程響應分析；多跨簡支梁橋；近斷層地震動作用；OpenSees

中圖分類號：U442.5⁺5

0 引言

簡支梁橋作為一種公路及鐵路中最常用的一種橋梁結構形式，在震災下能否保持足夠的安全儲備是一個值得重點關注的問題。

余小江^[1]通過對高烈度區的矮墩簡支梁橋進行建模，并采用鉛芯橡膠支座減震加固方案，來探討橋梁地震響應的變化。鐘聞華等^[2]采用增量動力分析的方法對一座簡支梁橋進行損傷分析，發現支座和擋塊是易損部位并給出相應的抗震設計建議。王渭峰等^[3]采用連梁裝置并改變相應設計參數對簡支梁橋進行分析來確定連梁裝置的適宜參數范圍。黃香健等^[4]通過對簡支梁橋進行改造發現整體式橋梁主梁受力較為均勻，具有一定適用性。

當前對簡支梁橋的減隔震措施研究較為單一。為了使得研究結果具有一定普適性，本文參考文獻^[5]里的橋型分布情況資料，選擇一座西南山區典型三跨簡支梁橋作為工程實例，采用了一些貼合實際工程的減隔震措施來探討其在近斷層脈沖型地震動下的響應情況，為此類橋梁的減隔震提供一些有用的參考。

1 橋梁算例簡介及有限元建模

本文算例為一座三跨公路簡支梁橋，橋梁跨徑布置為4×30 m，總長120 m，上部結構截面形式為T梁，采用C50混凝土，橫向由5片梁組成。下部結構采用雙柱式橋墩，橋墩直徑為1.6 m，采用C30混凝土，橋臺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。

根據橋梁設計圖紙，通過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單元進行模擬，雙柱式的橋墩采用基于力的非線性梁柱單元來考慮橋墩在震中的非線性特性，聚四氟乙烯及板式支座的采用理想彈塑性材料和線彈性材料并通過零長度單元進行模擬，參數具體取值根據相關規范^[6]查詢，橋臺以及基礎固結簡化處理。梁間和梁臺間采用Hertz-damp模型^[7]來考慮震時可能發生的碰撞行為。

2 減隔震方案選擇與模擬

考慮到實際工程中減隔震措施的造價成本、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，具體情況可見表1。拉索限位裝置選擇設置在蓋梁與主梁、主梁與橋臺間設置，具體由錨塊、拉索、托架組成，材料采用預應力鋼絞線，拉索裝置參數設計采用1.5倍恒載法^[8]確定。鉛芯橡膠支座及參數根據支座手冊選擇，采用雙折線模型進行模擬并在全橋布置，拉索連接構造、本構關系及鉛芯橡膠支座本構關系如圖2所示。

3 天然地震波及輸入

由于近場脈沖型地震動往往會引起更顯著的結構響應^[9-10]，本文選取的近斷層脈沖型地震動采用統一調幅0.1 ～1.0 g來探究不同減隔震方案在不同地震動峰值加速度下具體的效果。選波原則依據設計說明中的30 m土層平均剪切波速以及相關參數，以規范中的反應譜為目標譜，采用譜兼容原則匹配近斷層脈沖型地震動3條，具體地震動信息如表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 橋梁的動力響應結果分析

4.1 不同工況下橋梁動力響應

選取1^#橋墩作為分析對象，按照規范要求，以響應最大的地震波結果為準，圖3～6為橋墩具體不同響應計算結果，表3及表4為具體響應值列表。綜合結果來看，各工況下響應值變化規律各有不同，1^#橋墩彎矩剪力變化規律比較相似，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；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，鉛芯橡膠支座對于橋墩內力響應減少最為顯著，且減震區間也較工況二、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律和橋墩內力響應變化趨勢一致，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力響應，但支座剪切位移增長劇烈，相當于鉛芯橡膠支座能夠把橋墩的內力響應轉嫁到支座上，把支座作為一種可犧牲的構件，但過大的支座位移可能引發梁間的嚴重碰撞甚至落梁。

4.2 不同工況下伸縮縫碰撞力情況

在不同工況下，根據本橋結構特點繪制1^#伸縮縫到3^#伸縮縫的碰撞力峰值情況，如圖7所示。鉛芯橡膠支座過大的剪切位移會增大梁間以及臺間的碰撞力峰值，而工況二的拉索限位裝置效果顯著，對梁間的位移控制較好，相應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，對碰撞力的減少效果略差于工況二，但明顯優于工況三。綜合以上分析，對于強震情況下單獨采用鉛芯橡膠支座雖然可以增加橋墩抗震性能的安全儲備，可把風險轉接到主梁上，相應地會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力響應，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合起來，增加減隔震構件的使用期限，讓橋梁安全服役時間延長。

5 結語

本文使用OpenSees對某三跨典型多跨簡支梁橋實例進行有限元建模，綜合考慮地震作用下橋梁結構的非線性特性以及碰撞過程的非線性特性，探討了不同減隔震方案在近斷層脈沖型地震動下對全橋動力響應的影響。主要得到以下結論：

（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不同程度降低了橋墩的彎矩剪力及位移響應；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力響應，但相應剪切位移增長明顯，過大的支座位移可能引發梁間或梁臺間的嚴重碰撞甚至落梁。

（3）鉛芯橡膠支座會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力響應，又可以有效控制主梁位移以及碰撞力，這可以為實際工程中類似橋梁減隔震方案提供一定的參考價值。

參考文獻：

[1]余小江.極矮墩簡支梁橋抗震加固設計探討[J].交通世界，2022（33）：108-110.

[2]鐘聞華，游 新.簡支梁橋地震損傷演變過程分析及抗震設計建議[J].公路交通技術，2021，37（1）：39-45.

[3]王渭峰，朱文正.拉索式連梁裝置設計參數對簡支梁橋抗震效果的影響[J].廣州大學學報（自然科學版），2013，12（1）：56-61.

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