装配式连续梁桥抗震性能分析

刘米多 钱鼎 李惊涛 尹雪梦 覃吉宁

摘 要：支座是桥梁抗震设计的薄弱环节，文章对装配式连续梁桥抗震性能进行分析，以某连续梁桥为计算实例印证了大震条件下考虑桥梁的支座损伤，即支座作为保险丝式单元优先破坏，可以比较有效地控制梁体位移和墩底的地震反应。

关键词：斜拉桥；抗震分析；动力特性

1 工程概况

近几年来，世界范围内发生多次强烈地震，不仅造成了重大的人员伤亡，而且损毁了城市的基础设施，特别对桥梁结构造成了严重的损毁破坏，导致了巨大的财产损失[1]。与桥梁结构抗震相关问题的研究工作变得尤为迫切。

以某五跨预应力混凝土連续梁桥为工程背景，跨径布置为96+3×160+90 m，主桥上部采用五跨预应力混凝土变高度直腹板连续梁，单箱单室。单幅箱梁顶板宽13.50 m，底板宽7.0 m，悬臂宽3.25 m。梁高在主墩处为8.5 m，在主跨跨中和边跨端部为3.5 m，箱梁梁高和底板厚度均按二次抛物线变化。下部结构主墩采用带帽梁圆柱实体墩，直径5 m。上部箱梁采用C55号混凝土，墩帽、墩身采用C40号混凝土。分析了地震作用下该桥的抗震性能。采用有限元程序MIDAS Civil对全桥建立三维空间有限元模型，分析了地震作用下该桥的抗震性能，如图1所示。分析了支座损伤和限位装置的非线性对桥梁结构弹塑性地震反应的影响，不仅提出了可以综合考虑支座损伤和与限位装置接触以及材料非线性的单元滞回曲线模型，同时也印证了当活动支座丧失滑动性能，即发生破坏且与限位装置发生接触时，既可以限制梁体的位移，又可以有效地降低固定墩的地震反应。

2 结构有限元建模

计算分析中，不考虑地基、桩基础和桩土结构等的相互作用，墩底与地面固结，用限位装置模拟支座损伤（见表1）。桥墩均采用非线性弹塑性单元，非线性变形规律采用修正的Takeda计算模型（Modified Takeda Type），塑性铰设置在墩底，塑性铰长度取2/3b，其中b为矩形截面的短边尺寸或者圆形截面直径。为了简化分析，在有限元模型中略去了碰撞力的作用，沿桥梁横桥向布置限位装置且仅对桥梁横桥向的地震反应进行研究。

（1）方案一：忽略支座摩擦力，简称桥墩弹塑性方案，是连续梁桥进行弹塑性抗震分析时的惯用方案。

（2）方案二：考虑活动支座的摩擦力，不考虑限位装置作用，简称支座摩擦方案。将支座简化成理想弹塑性模型，取活动支座的摩擦系数为μd=0.02，屈服位移为xy=0.005，支座发生滑动后刚度为0。

（3）方案三：支座滑动一定距离后，限位装置阻止其相对滑动，不考虑限位装置的破坏，即按弹性考虑，简称弹性限位装置方案。支座限位装置初始位移取0.1 m。

（4）方案四：限位装置进入塑形状态，或者支座发生剪切破坏，简称非线性限位装置方案。此方案通过在模型中调整限位装置的临界屈服力和刚度来实现[2]。

3 有限位装置的活动支座单元模型

地震作用下，存在支座限位装置的支座活动范围受限，当梁桥纵向变形较大时可能引起碰撞接触问题，从而主梁和下部结构桥墩间的支座和限位装置等连接构件将可能进入非线性状态。这个过程可以分为以下5点来描述。

（1）活动支座未开始滑动，支座处于弹性状态，桥墩与主梁弹性连接。

（2）活动支座开始滑动，但支座刚度较小，可忽略，桥墩与主梁之间仅有摩擦力作用。

（3）位移达到一定程度，活动支座继续滑动，限位装置开始起作用，桥墩与主梁通过限位装置连接，传递力为活动支座摩擦力与限位装置的作用力之和。

（4）活动支座继续滑动，限位装置进入非线性，传递力仍为活动支座摩擦力与限位装置的作用力之和。

（5）主梁反方向运动，卸载。

用滑动摩擦单元（理想弹塑性模型）模拟活动支座，根据滑动摩擦单元和碰撞接触单元的特性建立可以同时考虑支座摩擦及限位装置双重非线性作用的支座单元[3]。

4 动力特性计算与分析

选用El Centro波（峰值加速度0.356 9 g，持续时间53.72 s）并扩大2倍系数模拟大震条件，分别输入横向+竖向（2/3）组合、纵向+竖向（2/3）组合作用下的地震动。

通过对桥梁进行动力特性计算，结果如图2—3所示。

（1）当采用方案一时，各桥墩墩底的弯矩和曲率最大，且全面进入塑性状态，极有可能发生破坏。当采用方案二时，各桥墩墩底的弯矩和曲率最小。

（2）当采用方案三时，考虑活动支座的摩擦和限位装置的弹性作用，各桥墩墩底的弯矩和曲率均较方案二、四大，且2#、5#活动墩的内力变化非常明显。

（3）当采用方案四时，考虑活动支座的摩擦和限位装置的非线性作用，各墩墩底的截面弯矩和曲率均较方案三有所减小，但进入塑性的中活动墩墩底曲率几乎没有变化，而固定墩墩底曲率减小22.8%，非常明显。说明当限位装置进入非线性后，耗散了更多的地震动能量，从而有效地降低了固定墩墩底的地震反应[4]。

5 结语

本文建立了考虑支座、限位装置及墩身弹塑性的桥梁整体计算有限元模型并进行地震反应分析，结果表明：（1）在大震条件下，当活动支座丧失滑动性能，极有可能造成桥墩的破坏，在抗震设计时需要对桥墩配置一定量的钢筋保证其延性。（2）采用限位装置可以比较有效地限制梁体位移、降低固定墩的地震反应，同时均衡各墩间的分布地震力作用。（3）当活动支座丧失滑动性能且与限位装置发生接触时，既可以限制梁体的位移，又可以有效地降低固定墩的地震反应。（4）对于不同的桥梁结构，可以通过改变限位装置与活动支座的初始距离、限位装置的刚度和屈服强度，以及支座的摩擦系数和刚度等，寻求既能有效地防止上部结构位移过大、又能降低固定墩的地震反应以及均衡地震动输入能量在各墩之间的均衡分配的优选方案。

[参考文献]

[1]倪永军，朱晞.以地震动衰减关系为基础的设计谱研究[J].地震学报，2001（6）：663-668.

[2]KANEKO Y，CONNOR J J，THANASSIS T C，et al.Shear keys：fracture mechanics approach for failure of concrete shear key.I theory[J].Journal of Engineering Mechanics，1993（4）：681-699.

[3]刘荣灿，王克成，唐红梅，等.桥梁抗震设计中滑移挡块作用机理[J].重庆交通学报（自然科学版），2010（2）：171-173，279.

[4]许祥，刘伟庆，徐秀丽.新型抗震挡块的抗震性能[J].东南大学学报（自然科学版），2009（2）：165-168.