近遠場地震動作用下簡支梁橋抗震性能及減隔震措施研究

作者簡介：李孟博（1991—），工程師，主要從事公路橋梁設計、施工工作。

摘要：文章選取一座三跨簡支梁橋工程為算例，通過建立橋梁空間非線性模型來探討不同類型地震波作用及碰撞效應對橋梁動力響應的影響，并在此基礎上進行了相應的減隔震分析。研究表明：三種類型地震動作用下，近場脈沖型地震動產生的橋墩響應最大，其次是普通地震動，最小的為遠場地震動；近場脈沖型地震動趨向產生更大的碰撞力及更多的碰撞次數；安裝拉索連梁裝置的各伸縮縫碰撞效應在9條地震波作用下，碰撞力受到了明顯的有效控制，碰撞次數小幅下降。

關鍵詞：近遠場地震動；非線性時程響應分析；碰撞效應；多跨簡支梁橋

中圖分類號：U442.5⁺5

0 引言

隨著國內公路橋梁建設的飛速發展，橋梁數量愈來愈多，作為占比最高的簡支梁橋，其在地震下的抗震性能也開始受到廣泛關注。李俠^[1]利用Midas軟件建立了一鐵路簡支梁橋模型，采用不同減隔震措施并探討其應用效果。余小晴等^[2]通過IDA分析方法對連續梁橋和簡支梁橋進行研究，分析不同支座滑動摩擦系數對橋梁抗震性能的影響。楊孟剛等^[3]采用Abaqus軟件對高鐵簡支梁橋進行建模，探究不同橫向減震措施的減震效果，綜合比選后認為減震榫的減震體系最佳。岳偉勤等^[4]利用ANSYS剪力簡支梁橋的彈塑性模型來探討脈沖型地震動與非脈沖地震動搭接長度的需求變化。王春陽等^[5]以墩高變化的簡支梁橋建立重力式橋墩單墩抗震模型來研究水平地震力的計算方法，結果表明靜力法計算值偏小，最好采用動力法進行計算。瞿發憲等^[6]利用OpenSees軟件建立簡支梁橋模型并采取不同的抗震加固措施，研究不同方案對橋梁抗震性能的提高效果。張西丁^[7]通過改變橋墩剛度來分析橋墩剛度與減隔震剛度之比對隔震簡支梁橋抗震性能的影響，并分析了不同場地烈度下減震效果的變化。潘哲^[8]等結合橋梁抗震規范研究主余震下簡支梁橋板式橡膠支座的殘余位移情況，結果表明主余震會增加板式橡膠支座損傷，降低橋梁的運營時長。甘露^[9]以高烈度簡支梁橋為背景研究不同減隔震體系帶來的減震效果，結果表明高阻尼橡膠支座最為全面有效。

盡管關于簡支梁橋的抗震性能已有相當程度的研究，但對不同地震動類型和簡支梁橋的梁間以及臺間碰撞的研究還比較少。因此本文以某三跨簡支梁橋工程為實例，在對橋梁進行精細化有限元建模的基礎上，研究了碰撞效應對橋梁動力響應的改變，以及不同地震波下碰撞效應的變化，并探討了相應有效的減隔震措施。

1 算例簡介及有限元建模

某單跨跨徑30 m的三跨簡支梁橋，1^#及2^#橋墩高度分別為9 m和13 m。橋墩形式為直徑1.6 m的雙柱式橋墩，橋墩上支座為板式橡膠支座，橋臺支座為聚四氟乙烯滑板支座，梁間及臺梁間伸縮縫間隙為8 cm。

采用OpenSees軟件建立橋梁計算模型，模型中主梁采用彈性梁柱單元模擬，墩柱采取了基于力的非線性梁柱單元及纖維截面來模擬其非線性特性，板式支座及滑板式支座的模擬參數根據文獻^[10]進行計算，橋臺及樁基礎采用固結進行簡化處理；梁間及梁臺間的碰撞效應采用雙線形Hertz-damp^[11]模型模擬，全橋有限元模型如圖1所示。

2 天然地震波輸入

近場脈沖型地震波、遠場地震波采用文獻^[12-13]所述方法各選取3條，另外選取3條普通地震動作為對比，地震動一共9條。選取原則為通過設計的橋梁場地參數及橋梁抗震規范來生成算例橋梁的目標反應譜，運用譜兼容原則^[14]來減少地震波的離散性。具體地震動信息如表1～3所示，反應譜和設計反應譜匹配情況見圖2，可以看出在五階周期內段匹配情況良好。地震波調幅至0.4 g并沿著縱橋向加載，由于篇幅所限，后頁圖3僅給出了天然地震波調幅之后的具體時程曲線。阻尼模型采用取值為5%的瑞利阻尼。

3 橋梁的動力響應結果分析

3.1 橋墩非線性動力響應

根據上述所選的9條地震動，為研究碰撞效應及不同類型地震動對橋梁地震響應的變化，將模型分為有碰撞和無碰撞兩種情況。按照規范要求以及算例的結構特點，選取1^#及2^#橋墩作為研究對象。

表4及表5為1^#和2^#橋墩在有碰撞和無碰撞兩種情況下的動力響應，由表可知，在三種類型地震動作用下，近場脈沖型地震動產生的橋墩響應最大，其次是普通地震動，最小的為遠場地震動。考慮碰撞效應后，三種類型地震動下，1^#和2^#橋墩墩底的剪力、彎矩以及墩頂位移都呈現不同幅度的降低。以三種類型地震動響應最值為例，NO.1地震動作用下，1^#橋墩墩底彎矩、剪力、墩頂位移由7 648.67 kN·m、1 019.55 kN、0.106 3 m降低至7 212.07 kN·m、943.091 kN、0.072 7 m，分別減少了9.6%、3.1%、65.5%。在NO.4地震動作用下，2^#橋墩墩底彎矩、剪力、墩頂位移由8 219.78 kN·m、761.809 kN、0.286 5 m降低至7 416.58 kN·m、753 kN、0.137 1 m，分別減少了9.7%、1.1%、52.1%。其余大部分地震動情況與上述類似，值得注意的是遠場地震動無論考慮碰撞情況與否，其橋墩響應值基本無變化，這是因為遠場地震動尚未引起梁間的碰撞，所以對橋墩內力基本無影響。同時，遠場地震動較近場脈沖型地震動和普通地震動所引起的橋梁動力響應小，而近場脈沖型地震動引起的橋墩動力響應最為劇烈。但考慮碰撞時，地震動也不全是對橋梁動力響應的削弱，比如NO.2、NO.4、NO.8、NO.9地震動對1^#和2^#橋墩響應有不同程度的增大，這種情況主要與橋梁自身頻譜和地震動的頻譜特性密切相關，NO.5地震動作用下，2^#橋墩的墩底剪力由866.79 kN增加到1 544.79 kN，增長率達到78.2%，主要原因是因為梁間的碰撞引起的墩底剪力劇增。具體情況可參考圖4及圖5，可以看出最大碰撞力發生時刻和剪力時程圖突增時刻完全吻合，在實際情況時須引起重視，以防瞬時增長的剪力引起橋墩的剪切破壞。

3.2 不同類型地震動碰撞效應結果

圖6及圖7為1^#伸縮縫到3^#伸縮縫在不同類型地震動作用下的碰撞力和碰撞次數情況，在NO.1～NO.3的普通地震動作用下碰撞次數和碰撞力偏少，而遠場地震動基本無碰撞效應的產生，近場脈沖地震動則趨向產生更大的碰撞力及更多的碰撞次數。在對近斷層橋梁進行設計時，面對這種情況需要有相應的應對措施，以防止過大的碰撞力和過于頻繁的碰撞次數造成梁端破損、橋臺滑移甚至是落梁、橋梁傾覆等危險情況。

4 近遠場地震動作用下橋梁的減隔震措施

針對減隔震措施的造價成本、施工難易程度，針對上文的分析發現近斷層的地震動帶來的碰撞效應比較嚴重，是首要解決的問題，本文采取連梁拉索裝置來探討橋梁的減震效果。拉索連梁裝置參數可參考文獻^[15]，拉索材料采用預應力鋼絞線，安裝位置位于主梁和蓋梁之間以及主梁和橋臺之間，其本構關系如圖8所示，安裝拉索連梁裝置的各伸縮縫碰撞情況如圖9及下頁圖10所示。

由圖9、圖10可知，安裝拉索連梁裝置后，碰撞力得到了有效控制，碰撞次數有所減少，但不明顯。比如三條普通地震動作用下，1^#伸縮峰的峰值碰撞力由7 331 kN、6 912 kN、7 591 kN全部降到0 kN，說明拉索連梁裝置對梁間碰撞以及橋臺主梁間的碰撞起到了有效控制，在實際工程中可采用拉索連梁裝置來防止過大的碰撞力。

5 結語

本文考慮了不同類型地震動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，探討了碰撞效應在三種不同類型地震動作用下對全橋動力響應的影響，且針對碰撞情況探討了一些減隔震措施，主要得到以下結論：

（1）三種類型地震動作用下、近場脈沖型地震動產生的橋墩響應最大，其次是普通地震動，最小的為遠場地震動，考慮碰撞效應后，三種類型地震動作用下，1^#和2^#橋墩墩底的剪力、彎矩以及墩頂位移都呈現不同幅度的降低。

（2）碰撞效應可能使橋墩剪力迅速增大，原因是橋墩上伸縮縫間的碰撞力增加了橋墩所承受的水平力，這一點需要在抗震設計中做好相應措施來防止橋墩的剪切破壞。

（3）普通地震動作用下碰撞次數和碰撞力偏少，而遠場地震動基本無碰撞效應的產生，近場脈沖地震動則趨向產生更大的碰撞力及更多的碰撞次數。安裝拉索連梁裝置后的各伸縮縫，在9條地震動作用下，碰撞力得到了有效的控制，碰撞次數有所減少，但并不顯著。

參考文獻：

[1]李 俠.近斷層高烈度地震區鐵路簡支梁橋減隔震方案研究[J].鐵道標準設計，2023，67（6）：93-98.

[2]余小晴，吳 剛，吳必濤.板式橡膠支座摩擦性能對中小跨徑梁橋地震響應影響分析[J].公路，2023，68（5）：176-182.

[3]楊孟剛，栗夢成，胡尚韜.考慮地震滑沖效應的高鐵簡支梁橋橫向減震體系研究[J].振動與沖擊，2023，42（7）：312-320.

[4]岳偉勤，師新虎，張來福，等.近場地震下簡支梁橋搭接長度需求分析[J].世界地震工程，2023，39（13）：125-137.

[5]王春陽，劉正楠，張永亮，等.設計地震下鐵路簡支梁橋支座水平地震力計算方法研究[J].地震工程學報，2022，44（7）：270-275，284.

[6]瞿發憲，韓璐璐，鄧旭東.基于地震易損性的既有簡支梁橋抗震加固方案[J].四川建筑，2021，41（2）：171-172.

[7]張西丁.基于剛度比的簡支梁橋減隔震適用范圍研究[J].公路與汽運，2021（6）：122-126.

[8]潘 哲.地震序列作用下板式橡膠支座簡支梁橋響應特點研究[J].城市道橋與防洪，2021（8）：271-274，290，M0025.

[9]甘 露.高烈度強震區典型公路簡支梁合理減隔震體系分析[J].城市道橋與防洪，2021（6）：90-94.

[10]JTG/T 2231-01-2020，公路橋梁抗震設計規范[S].

[11]Muthukumar S.A Contact Element Approach with Hysteresis Damping for the Analysis and Design of Pounding in Bridges[J].Georgia Institute of Technology，2003（11）：1-240.

[12]Abrahamson，Somerville. Effects of the hanging wall and foot wall on ground motions recorded during the Northridge earthquake[J].Bull Seism Soc Amer，1996，86（1B）：93-99.

[13]Liao W I，Loh C H，Wans，et al.Dynamic responses of bridges subjected to near-fault ground motions[J].Journal of the Chinese lnstitute of Engineers，2000，23（4）：455-464.

[14]PEER，Technical report for the PEER ground motion database web application.Pacific Earthquake Engineering Research Center[R].Berkeley：University of California，2010.

[15]崔 靜.無阻尼縱橋向限位裝置的計算與設計[D].西安：長安大學，2010.