设有限位墩的典型长联梁桥抗震性能分析

王旭，魏延建，孙得璋，刘浪，刘怀林

(1.重庆交通大学 山区桥梁与隧道工程国家重点实验室培育基地，重庆400074；2.招商局 重庆交通科研设计院有限公司，重庆400074；3.中国地震局 工程力学研究所地震工程与工程振动重点实验室，黑龙江 哈尔滨150080)

设有限位墩的典型长联梁桥抗震性能分析

王旭1，2，魏延建1，孙得璋3，刘浪1，刘怀林2

(1.重庆交通大学 山区桥梁与隧道工程国家重点实验室培育基地，重庆400074；2.招商局 重庆交通科研设计院有限公司，重庆400074；3.中国地震局 工程力学研究所地震工程与工程振动重点实验室，黑龙江 哈尔滨150080)

我国现存大量梁式桥，而梁桥在近几次大地震中均出落梁现象，对梁的有效控制是桥梁抗震的关键问题之一。从国内外震害来看，限位墩是解决梁桥落梁现象的有效手段。以设有限位墩的典型长梁为研究对象，运用有限元分析手段，通过分别考虑主梁碰撞、联数不同、联长不同等因素来分析桥梁的动力响应。结果表明：碰撞对桥梁结构的动力响应影响很大，设计如果不考虑碰撞作用，可能引起结构的不安全。联数和联长的增加也使最大墩梁相对位移有所增加，但当联数增加到6联以上时，最大相对位移基本不变，此时限位墩限制位移作用达到极限状态。

桥梁工程；长桥；碰撞；联数；落梁震害；限位墩

桥梁作为重要的生命线工程在地震应急以及震后救援中发挥着重要的作用[1-3]。随着西部大开发的推进，大批中小跨径梁式桥得以应用[4]，其中梁式桥在地震中的落梁现象较为突出[5]。许多学者就落梁措施、碰撞机理、测量仪器等进行了分析研究[6-8]，但对于山岭地区多跨梁式桥的动力响应及不同联数和跨长对动力响应影响方面的研究较少。

笔者针对考虑主梁碰撞、不同联数、跨长变化等影响因素对设置限位墩梁桥进行有限元分析，研究了不同影响因素下梁桥的动力反应。其研究成果为防止梁桥地震作用下，主梁位移过大产生落梁现象提供必要的参考依据。

1限位墩概念及作用机理

1.1限位墩概念的提出

汶川地震桥梁震害表明[8]：长度较大的连续梁桥震害要比一般中小桥梁震害严重得多，出现震害的概率也比较大。研究发现[10-11]：桥梁长度较长的连续梁桥，需要设置的桥梁墩柱较多，伸缩缝也较多，在地震中主梁运动空间大，以及运动碰撞、叠加效应等，使长桥梁在地震作用下墩柱与主梁的相对位移比较大，从而导致落梁较多，震害较重。

受桥台限位作用启发，有学者提出能否在多联的长桥中的某一联或几联中设置一个墩，提高其刚度，使其具有抗震制动作用，即“限位墩”。主要作用是在地震作用下，减少主梁的移动空间，可弥补弱连接支座对主梁约束较差的弱点，减小墩梁相对位移，降低落梁的风险。

1.2限位墩作用机理

限位墩可看成是“缩小”的桥台，其形式与一般桥墩类似，但比一般桥墩要“强壮”。限位墩将一个长联桥分割为多个小的桥段，而限位墩承接各个桥联段。在地震作用下，除承受地震弯矩和剪力外，限位墩上的支座能够为各个联桥段提供更大的位移空间，而这是普通墩所无法提供的(图1)。

图1限位墩作用机理Fig.1Mechanism of restrainer pier

图1(a)～(c)为未设计限位墩情况。地震中，各个伸缩缝之间互相挤压〔图1(b)〕，如果相对位移超过限制就可能发生落梁〔图1(c)〕。而设置了限位墩的情况时〔图1(d)〕，位移在限位墩上得到释放，且由于各个桥联段内桥墩变少，使累积到限位墩上位移也变小，从而减小落梁震害。

2有限元模拟参数设定

针对目前高烈度地区常用的中小跨径长联桥，笔者采用主梁跨径25～35 m的各参数均相同的T型梁。桥墩采用双柱圆墩[12]，其参数如表1。桥墩和主梁分别采用C30和C50混凝土。伸缩缝间隙大小均为7 cm。

表1跨径25～35m结构具体参数

Table1Specificparametersofspanwith25～35mstructure

cm

图2为长桥简略示意。图2中，编号从小到大为正方向，反之则为反方向。有限元分析时，梁柱采用通用梁单元，主梁不考虑非线性性质，支座则需加以考虑[13]。笔者重点是考虑主梁碰撞等对落梁的影响，因此桥墩模型只考虑线性。

图2长桥简略示意Fig.2Brief sketch of the long bridge

2.1支座模拟

伸缩缝处支座采用四氟滑板橡胶支座，其他处支座采用板式橡胶支座[14]。支座滞回曲线模型如图3。有限元中，用非线性连接弹簧单元模拟支座作用。支座的滑动水平临界力Fcr与竖向最大支撑力N之间的关系可用式(1)表达。

Fcr=μN

(1)

式中：μ为接触面摩擦力。

图3支座滞回曲线模型Fig.3Hysteretic curve model of support

2.2伸缩缝碰撞单元模拟

桥梁伸缩缝除能满足一般功能变形外[15]，还能减少地震中主梁之间的碰撞，但也是桥梁抗震的薄弱环节。接触单元模型简单表示为在相邻的主梁间设有一个间隙和一个弹簧，同时也可能包含阻尼器。

单元接触模型的运动方程如式(2)：

(2)

式中：x为相邻单元的相对位移；M为等效质量；m1、m2分别为碰撞梁体的质量；u1、u2分别为梁体位移；gp为伸缩缝间隙。

笔者采用碰撞单元进行模拟，选择主梁刚度作为压缩刚度，碰撞单元如图4，参数如表2。

图4伸缩缝碰撞单元有限元模型Fig.4Finite element model of collision element of expansion joints

表2碰撞单元刚度Table 2Stiffness of collision element

2.3限位墩模拟

限位墩采用双墩加盖梁模型，墩柱截面采用矩形截面，盖梁顶部中间位置设置挡墙，挡墙顶端与主梁平齐，底端与盖梁整体浇接在一起。限位墩的模拟如图5。

2.4桥面连续模拟

由于桥面装置的刚度很小，不具备约束梁段的作用，因此，在有限元模拟时，将梁段竖向和弯曲自由度释放。为简化计算，墩底采用固定约束，不考虑土结相互作用。

图5限位墩模拟Fig.5Simulation of restrainer pier

3长桥地震响应分析

有限元分析计算时，桥梁所在的西部高烈度区场地卓越周期与El Centro波的周期比较接近。笔者选用El Centro波，并将地震波的峰值进行调整(0.4、0.7、1.0g)。

3.1碰撞对结构响应影响

选取一座6联长桥(6×4×30 m)，对比分析了考虑碰撞和不考虑碰撞作用下结构的动力响应，每联桥之间以限位墩过渡。

由图6、7可发现：针对设有限位墩梁桥考虑碰撞作用时，整体墩梁相对位移表现为沿着一个方向逐渐递减；在0.4、0.7g加速度输入下，无碰撞单元模型墩梁相对位移比碰撞单元模型墩顶位移大近一倍左右，按此设计易造成过度保守，成本浪费。最后，考虑墩梁碰撞效应更贴近于实际震害；并且从模拟结果来看，对于中部墩由于双侧梁均对墩顶部产生碰撞情况减小了墩梁的相对位移。由图8可知：当考虑碰撞作用时，墩梁最大相对位移发生在两端桥台处，设计时对于两端应加强设计；而不考虑碰撞作用时，各个伸缩缝处墩梁最大相对位移基本保持不变。由图9可知：由于碰撞是瞬时荷载，故是否考虑碰撞作用对墩底弯矩影响较小。由图10可知：在0.4g时，两种情况的墩顶位移变化非常小，在0.7、1.0g时，有碰撞单元模型结果在伸缩缝处位移比没有碰撞单元位移要大很多。

图6有碰撞单元墩梁最大相对位移Fig.6The maximum relative displacement of pier and girder with collision element

图7碰撞单元墩梁最大相对位移Fig.7The maximum relative displacement of pier and girder with collision element

图8落梁方向墩梁最大相对位移Fig.8The maximum relative displacement of pier and girder on girder falling direction

图9墩底最大弯矩Fig.9Maximum bending moment of pier bottom

图10墩顶最大位移Fig.10Maximum displacement of pier top

3.2联数增加的影响

为分析桥梁长度(联数)对桥梁抗震性能的影响，笔者选取10座桥，联数分别为1～10联。分析时依然采用El Centro波，但将地震波的峰值调整为0.1～1.0g，间隔0.1g。

表3为桥梁跨径参数，图11为纵桥向最大墩梁相对位移。

表3桥梁跨径参数Table 3Bridge span parameters

图11纵桥向最大墩梁相对位移Fig.11The maximum relative displacement of pier and girder on longitudinal direction

由表3和图11可知：桥梁长度对桥梁墩梁的相对位移影响是显而易见的，随着加速度的增大至一定范围之后基本保持不变。在加速度峰值小于0.5g时，桥梁长度影响范围为3联，而当加速度大于0.5g时，影响长度扩大至6联，即6联之后增加桥梁长度对大墩梁相对位移影响基本不变。

3.3联长对桥梁动力响应影响

为进一步分析联长对桥梁抗震动力响应影响，将跨长分别变为25、35 m，联长也相应变为100、140 m。采用El Centro波，将地震波的峰值调整为0.2、0.4、0.6、0.9g。所选的各桥参数如表4。

表4各桥参数Table 4Parameters of various bridges

图12为落梁方向最大墩梁相对位移。由图12可知：当峰值加速度0.2g时(相当于地震烈度为8度地区)，最大墩梁相对位移的差别很小，而且不同长度的桥梁规律基本不变。当为0.4g时(相当于地震烈度为9度地区)，25 m跨度的最大墩梁相对位移最大，其次是35、30 m的最小。桥梁长度影响范围为2联，之后最大墩梁相对位移基本保持不变。当大于0.6g时，35 m跨度的最大墩梁相对位移最大，其次是30、25 m的最小。桥梁长度影响范围为4联，之后最大墩梁相对位移基本保持不变。

图12落梁方向最大墩梁相对位移Fig.12The maximum relative displacement of pier and girder on girder falling direction

4结论

笔者对设有限位墩的典型长桥进行了主梁碰撞、不同联数、不同联长等影响因素的动力响应分析，得出以下结论：

1) 设有限位墩桥梁抗震性能分析时，考虑碰撞作用时在两端处出现墩梁相对位移最大值，此处最易发生落梁现象，在设计时应该着重考虑；

2) 考虑不同联长的影响时，以地震动峰值为0.5g为分界点，在加速度峰值小于0.5g时，桥梁长度影响范围为3联；而当加速度大于0.5g时，影响长度扩大至6联；当联长超过6联后，限位墩影响作用较小。全桥最大墩梁相对位移随着加速度的增大而增大，且从桥中向两端方向逐渐增加；

3) 在相同加速度峰值地震作用下，在相当于地震烈度为8度地区，不同联长对墩梁最大相对位移影响较小；当地震烈度达到9度以上时，在一定的范围内，桥梁长度的越长，墩梁相对位移越大，但是超过这一范围，随桥长的增加，全桥最大墩梁相对位移变化很小。

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(责任编辑：刘韬)

Seismic Analysis on Typical Long Bridges with Restrainer Piers

WANG Xu1，2，WEI Yanjian1，SUN Dezhang3，LIU Lang1，LIU Huailin2

(1.State Key Laboratory Breeding Base of Mountain Bridge and Tunnel Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，P.R.China; 2.China Merchants Chongqing Communications Research & Design Institute Co.Ltd.，Chongqing 400074，P.R.China; 3.Key Laboratory of Earthquake Engineering and Engineering Vibration，Institute of Engineering Mechanics，China Earthquake Administration，Harbin 150080，Heilongjiang，P.R.China)

There are many beam bridges in China.However，this kind of bridges often has the phenomenon of unseating of bridge girders in recent earthquakes.Therefore，the effective control of beam is a key problem of anti-seismic bridge design.According to the seismic damages at home and abroad，restrainer pier is an effective measure to solve the above problem.Taking typical long bridges with restrainer piers as the research object，the dynamic response of the bridge was analyzed by means of finite element analysis，taking the below factors into consideration，such as main beam ponding，different joint number and different joint length.The results show that girder pounding has a great impact on dynamic response of bridge structure.Therefore，the design without considering the girder ponding may result in structure insecurity.The increase of joint number and length also increases the maximum relative displacement of pier and girder.But the maximum relative displacement remains almost unchanged when the joint number increases above six joints，for the restrainer pier reaches the limit state of displacement restrain.

bridge engineering; long bridge; pounding; joint number; unseating damage of the bridge girders; restrainer pier

U 442.5+5

A

1674-0696(2017)10-001-07

2016-04-28；

2016-07-15

交通运输部建设科技项目(2013318800020)；中央高校基本科研业务费资助项目(310821161120)；重庆市教委科学技术研究项目(KJ1400333)；山区桥梁与隧道工程国家重点实验室培育基地(重庆交通大学)开放基金资助项目(CQSLBF-Y15-5)

王旭(1982—)，男，天津人，副教授，博士，主要从事桥梁抗震、结构抗风等方面的研究。E-mail： wx00012224@163.com。

孙得璋(1982—)，男，辽宁大连人，副研究员，博士，主要从事桥梁抗震及桥梁健康监测等方面的研究。E-mail： sundz@iem.ac.cn。

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.10.01