高墩连续梁桥抗震性能优化

许 祥 范平易

(1.中冶华天工程技术有限公司，江苏 南京 210019； 2.南京水利科学研究院，江苏 南京 210029)



高墩连续梁桥抗震性能优化

许 祥1范平易2

(1.中冶华天工程技术有限公司，江苏 南京 210019； 2.南京水利科学研究院，江苏 南京 210029)

在分析某高墩连续梁桥常规约束体系抗震性能的基础上，探讨了优化该连续梁桥抗震性能的设计方案，提出了板式橡胶支座、滑板支座加纵横向限位器的结构约束体系，显著提升了桥梁结构的抗震性能。

连续梁桥，抗震性能，结构约束体系，限位器

0 引言

近年来，随着社会经济的迅速发展，我国公路建设在东部稳步发展的同时正逐渐向西部推进。西部地区多为山岭丘陵区，地形、地貌和地质水文条件复杂，公路建设中不可避免地出现许多跨越河谷或深沟的高墩连续梁桥。而西部地区又是我国的地震多发区，因此进行高墩连续梁桥的抗震性能研究是十分有意义的。本文在对采用常规约束体系的高墩桥梁的抗震性能分析的基础上，提出了可以有效提升高墩连续梁桥抗震性能的结构约束体系，研究结论可为同类高墩连续梁桥的抗震设计提供参考。

1 常规约束体系的高墩连续梁桥抗震性能

考虑到为了能有效约束上部结构，高墩连续梁桥中通常会将高墩与主梁设计成刚构连接，但在先简支后连续桥梁中很难实现节点的刚构连接，同时考虑到避免主梁出现过大的温度应力和有效约束上部结构的需要，先简支后连续桥梁的结构约束体系方案通常采用板式橡胶支座+聚四氟乙烯滑板支座的约束体系。下面将分析这种约束体系下的高墩连续梁桥的抗震性能。如图1所示为某一座四跨连续梁桥(4×40 m)，上部结构采用预应力先简支后连续的T梁，桥面宽13 m。桥墩为独柱式变截面混凝土矩形墩柱，墩顶截面为1.6 m×6 m，墩底截面为2 m×6 m，墩顶设有一个2.2 m×2.2 m的方形截面盖梁，基础采用群桩基础。桥台处每片T梁下设置一个GJZF4 350×450×86滑板支座，桥墩处每片T梁下设置一个GJZ500×650×110板式支座，滑板支座的滑动位移限值为0.1 m，板式橡胶支座的最大变形量为0.08 m。

在我国的桥梁设计中，板式橡胶支座一般直接搁置在主梁与支座垫石之间，板式橡胶支座与梁体底部无连接，当地震产生的水平力大于支座与主梁底部的摩擦力时，将会产生滑动[1]，所以可采用滑动摩擦单元来模拟板式橡胶支座，支座单元的侧向力与侧向位移的关系为[2]：

(1)

其中，fb为支座的水平侧向力；db为支座的水平侧向位移；kb为支座滑动前的水平剪切刚度；Fcr为支座水平方向的滑动临界力，Fcr=N·μ，N为支座在某一时刻所受到的支座反力(包括恒载作用和地震作用)，μ为橡胶支座与混凝土表面的滑动摩擦系数，μ取0.15[3]。

为了使分析更具一般性，根据不同的地震参数(震级、加速度峰值和场地特征等)，选取如表1 所示的由美国太平洋地震工程研究中心(PEER)提供的3条地震波。分析中考虑设计加速度峰值为0.2g，将每条地震波的加速度峰值作相应的调整。地震波输入方式采用100%纵向地震荷载与60%竖向地震荷载的叠加。如没有特殊说明，结构的地震反应值均为3条地震波计算结果的平均值。

表1 选取的地震波

表2 桥梁结构的地震反应

从表2中可以看到，在地震作用下主梁与下部结构的最大相对位移都超出了支座的变形及位移能力，即在地震作用下板式橡胶支座发生了滑动。板式支座一旦滑动就不能有效地约束主梁的地震位移，过大的位移量可能引起支座破坏以及主梁梁端、桥台的碰撞破坏，甚至引发落梁。

2 抗震性能优化

为了限制地震作用下板式支座滑动引起的过大相对位移，这里在桥梁结构中设置防落梁装置，形成“板式橡胶支座+防落梁装置”的约束体系。具体做法为：在顺桥向设置限位器，在横桥向设置抗震挡块。在两端桥台伸缩缝处各设置一个缆索限位器连接桥台与主梁；在每个桥墩处，左右各设置一个连接在桥墩与主梁间的缆索限位器，如图2a)所示。缆索采用受拉单元模型，假定整个地震过程中缆索处于弹性状态，可采用弹簧—钩单元模拟限位器，如图2b)所示。缆索限位器的非线性拉力与位移关系为[4]：

(2)

其中，fr为限位器拉力；dr为I与J点间的相对位移；Gr为限位器的松弛长度，考虑到限位器不影响支座的温度变形等因素，松弛长度Gr取0.06 m；kr为限位器刚度，目前对墩梁连接式限位器刚度的取值研究还很少，本文桥台处限位器刚度取为2×105kN/m，桥墩处取为1×105kN/m。

为了限制主梁的横向位移，在盖梁及桥台的左右两边各设置一个混凝土挡块，如图3a)所示，横向挡块可采用图3b)所示的接触单元来模拟，其非线性压力与位移关系为[5]：

(3)

其中，fc为接触单元的撞击力；dc为I与J点间的相对位移；Gc为横向挡块与主梁的初始间隙，考虑其对支座变形的影响取为0.06 m；kc为接触单元刚度，取为3×105kN/m[4]。

如图4和图5所示分别为El Centro波作用下有、无限位器时2号桥墩处墩梁纵向、横向相对位移时程的对比情况，从两图中都可以看出，没有安装防落梁装置(纵向限位器、横向挡块)时，在强烈地震作用下，板式橡胶支座在纵桥向和横桥向都可能发生较大的变形；而当设置相应的防落梁装置以后，墩梁间的地震相对位移明显减小，板式支座的滑动位移得到了有效的控制。防落梁装置对其他位置处的主梁与下部结构的相对位移也有同样的效果，表3中给出了有、无防落梁装置时各墩梁或台梁的最大相对位移比值，从表中可以看到，相比无限位器的情况，安装限位器以后，主梁与下部结构的最大相对位移最小减小了近20%，最大达到了50%，这样可以有效地防止地震落梁灾害的发生，提高桥梁的整体抗震性能。

表3 有、无防落梁装置时各墩梁或台梁的最大相对位移比

表4 纵竖向地震作用下各限位器的最大拉力

各位置限位器最大拉力/kN0号桥台处1号墩左1号墩右2号墩左2号墩右3号墩左3号墩右4号桥台处12321599140018772015385013215

图6和图7分别为El Centro波作用下2号桥墩处的限位器和挡块的受力时程，从两个图中可以看出，限位器和挡块在地震中都承受了不同程度的作用力，这些力是不连续的脉冲力，仅在主梁与下部结构相对位移超过限位器或挡块的初始工作间隙时才会出现。表4和表5中分别给出了相应的限位器和挡块受到的最大地震作用力。从两个表中可以看到，在地震作用下各位置处的限位器和横向挡块都承受了较大的地震作用力，其中以桥台处的限位器或挡块受力最大。这主要是因为主梁与桥台间出现了较

大的相对位移，为了限制住较大的相对位移，此处的限位器或是挡块就要承受更大的作用力。因此桥台处的防落梁装置一般设置的比桥墩处的要强一些。

表5 横竖向地震作用下各挡块的最大受力

表6为有、无防落梁装置时各桥墩的最大剪力比和弯矩比，从表中可以看出，安装防落梁装置以后，原先板式橡胶支座滑动带来的隔震效果被减弱，防落梁装置将更多的主梁地震力直接传到了下部结构上，使下部结构的地震反应明显增大，其中墩底剪力最大增大了1.89倍，墩底弯矩最大增大了2倍左右。这样一来就可以控制桥梁的地震破坏形式，避免因发生落梁而使桥墩延性抗震能力得不到有效发挥的情况出现。另一方面，在对桥墩进行抗震能力设计时，应当充分考虑这种因安装防落梁装置带来的地震作用放大效应的影响。

表6 有、无防落梁装置时各桥墩的最大剪力比和弯矩比

3 结语

论文对高墩桥梁抗震性能进行了分析，结果表明采用常规结构约束体系较难满足抗震设防要求，在综合考虑桥梁的正常使用性能和抗震性能要求的基础上，提出通过设置防落梁装置来提高高墩桥梁的抗震性能，主要结论如下：1)在先简支后连续高墩梁桥中，当采用板式橡胶支座+聚四氟乙烯滑板支座的约束体系时，地震作用下板式支座会出现滑动，从而不能有效地约束上部结构的地震位移，过大的位移易引发结构破坏。2)在板式橡胶支座约束体系的高墩连续梁桥中设置防落梁装置，可以有效地减小因板式支座滑动引起的主梁与下部结构之间过大的相对位移，显著提升桥梁结构的整体抗震性能。但安装防落梁装置以后桥墩的地震反应会增大，在设计中应考虑到此种放大效应。

[1] 范立础,李建中.汶川桥梁震害分析与抗震设计对策[J].公路,2009(5):122-128.

[2] 范立础,聂利英,李建中.地震作用下板式橡胶支座滑动的动力性能分析[J].中国公路学报,2003,16(4):30-35.

[3] JTG/T B02—01—2008，公路桥梁抗震设计细则[S].

[4] 黄小国,李建中,张 哲.连续梁桥纵桥向防落梁装置结构模式对比研究[J].同济大学学报(自然科学版),2009,37(9):1146-1158.

[5] 聂利英,李建中,范立础.地震作用下结构碰撞模型的模型参数及其影响分析[J].工程力学,2005,22(5):142-146.

Seismic optimization for high-pier continuous bridges

Xu Xiang1Fan Pingyi2

(1.HuatianEngineering&TechnologyCorporation,MCC,Nanjing210019,China; 2.NanjingHydraulicResearchInstitute,Nanjing210029,China)

Based on the analysis of the seismic performance of the regular constraint system of some high-pier continuing girder bridge, the paper explores the design scheme to optimize the seismic performance of the continuing girder bridge, and puts forward the structural constraint system with the plate rubber bearing, sliding bearing, and vertical and horizontal stopper, promote the seismic performance of the bridge structure.

continuing girder bridge, seismic performance, structural constraint system, stopper

1009-6825(2016)10-0168-03

2016-01-25

许 祥(1984- )，男，硕士，工程师； 范平易(1985- )，女，硕士，工程师

U441.3

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