简支梁桥地震损伤演变过程分析及抗震设计建议

钟闻华，游 新

(青海省交通规划设计研究院有限公司，西宁 810008)

简支梁桥是我国桥梁建设中使用最广泛的桥型，其设计构造上一般采用板式橡胶支座作为支承，在横桥向设置混凝土挡块。在抗震设计理念上，简支梁桥仍采用延性抗震设计方法，通过引入能力保护设计原则、延性构造细节和抗震措施来确保结构遭遇地震时满足设防目标要求[1]。然而，在近期发生的地震中，采用板式橡胶支座的简支梁桥震害主要表现为主梁移位、支座剪切变形或滑移、挡块剪切破坏，而桥墩破坏率较低[2-3]。这种震害表现跟预期结构地震响应稍有差别，这引起了学者的广泛关注。

对于板式橡胶支座的力学特性，李冲等[4]探讨了不同压应力下单面锚固板式橡胶支座的摩擦滑移、刚度及滞回耗能特性；李瑞[5]对不同锚固条件下板式橡胶支座进行了试验，研究了3种不同连接方式的支座在不同加载工况下的本构关系；项乃亮等[6]对单面锚固形式支座与钢板间的滑动摩擦效应进行了足尺试验研究，并提出了力学模型。对于横向混凝土挡块，在近年来地震中，混凝土挡块起到了较好的限位作用，且损伤比较普遍，各国学者对混凝土挡块进行了大量试验研究。Megally等[7-8]最早对混凝土挡块进行了试验研究，重新校核了已有挡块能力设计公式的有效性及提供可用于准确计算挡块能力的数值模型；汶川地震后，徐略勤等[9-11]基于混凝土挡块试验研究结果，提出了修正的滑移刚体模型，并设计了可保证损伤仅局限于挡块处而盖梁与台帽基本完好的新型挡块；郑万山等[12]对5个挡块进行了试验，提出了挡块抗震能力计算公式，研究成果可为挡块精细化设计计算提供理论依据。然而在改进采用板式橡胶支座简支梁桥的抗震设计方法和量化抗震构造设计细节上还需进一步研究。

本文以一典型的3跨板式橡胶支座的简支梁桥为研究对象，采用增量动力分析方法，对不同水平地震作用下结构构件损伤顺序和损伤状态进行分析，揭示简支梁桥地震损伤过程，并探讨相关重要因素的影响，以期为简支梁桥的抗震设计方法改进及抗震构造措施设计提供参考。

1 工程背景及有限元建模

1.1 工程概况

选取1座单跨跨径为30 m的3跨简支梁桥进行分析。主梁由4片高1.5 m的小箱梁组成，每片主梁两端由2个板式橡胶支座支承。桥墩为圆形双柱式桥墩，单柱直径1.6 m，墩高8 m，间距6.8 m。桥墩纵筋为32根直径28 mm的HRB400钢筋。盖梁长10.8 m，宽1.8 m，高1.5 m。在墩台横桥向设置混凝土挡块，初始间距2 cm。主梁采用C50混凝土，桥墩采用C30混凝土。桥址为Ⅱ类场地，抗震设防烈度为Ⅶ级。

1.2 有限元模型建立

采用OpenSees建立全桥有限元模型，如图1所示，桥梁支座、钢筋混凝土挡块、桥台和梁间缝单元等关键构件的本构模型如图2所示。采用三维弹性梁单元来模拟主梁和盖梁，采用平滑动支座单元(flatSliderBearing)来模拟板式橡胶支座，如图2(a)所示，支座摩擦系数μ取0.20，屈服力Fd=μN(N为支座竖向反力，kN)。为考虑主梁与钢筋混凝土挡块间的碰撞作用，在OpenSees中可采用一缝(Gap)单元与钢筋混凝土挡块模型串联，其中钢筋混凝土挡块模型参考汤虎等[13]建议的钢筋混凝土挡块简化滞回模型，该模型建议采用2个并联的滞回材料模型来分别模拟混凝土和钢筋的贡献，钢筋混凝土挡块的简化滞回模型如图2(b)所示，模型关键参数计算值如表1所示。对于桥台，可将一弹塑性材料属性赋予给一零长度(ZeroLength)单元，并通过串联一个缝(Gap)单元来考虑主梁与桥台间的碰撞，如图2(c)所示，弹塑性材料力学参数参考Caltrans[14]，其中，刚度Kabut=1.26×106kN/m，屈服力Fy=1 674 kN。主梁间的碰撞采用刚度较大的缝(Gap)单元来模拟，如图2(d)所示，刚度值Kg可取1×107kN/m。不考虑桩-土相互作用，墩底固结。

根据场地类别，建立目标谱[15]，生成3条人工地震波，其对应的反应谱、均值谱及目标谱如图3所示。均值谱与目标谱相匹配，并沿纵桥向和横桥向分别输入，最终结果取3条地震波分析结果的最大值。本文采用增量动力分析方法，将3条地震波的峰值加速度由0.1g逐渐增加到0.8g。

(a) 三维视图

表1 工程案例桥梁钢筋混凝土挡块模型关键参数计算值

图3 分析用地震动反应谱和目标谱

2 简支梁桥地震损伤过程分析

2.1 主要构件损伤状态及指标

将桥梁各主要构件损伤状态划分为5级，即无损伤、轻微损伤、中等损伤、严重损伤及完全破坏。其中，以支座位移[16]、挡块顶部位移[13]及桥墩曲率来分别建立支座、挡块及桥墩的损伤指标；对于桥台，其损伤状态参考文献[17]建立，具体信息如表2所示。

2.2 横桥向损伤

1) 支座及挡块位移

将生成的3条地震动沿横桥向分别输入，最终结果取3条地震波分析结果的最大值。P1号桥墩处支座在不同峰值地震加速度时的最大横向位移值如图4所示。由图4可以看出，支座在 0.3g时超过了临界滑移值，说明支座开始滑动，发生了轻微损伤。地震峰值加速度(PGA)达到0.4g时，支座发生中等损伤。当PGA为0.5g时，支座位移达到118.6 cm，此时支座出现了部分出现脱空，支座进入严重损伤状态。当PGA达到0.7g时，支座发生完全破坏，支座将可能出现完全脱落。

表2 主要受力构件损伤状态及指标

图4 支座与挡块位移响应

由图4还可以看出，由于挡块与主梁初始间距较小，在 0.1g时，主梁与挡块发生碰撞，且随后挡块便进入轻微损伤状态。在PGA为0.4g时，挡块位移为79.2 mm，即发生了严重损伤。在PGA为0.7g时，挡块完全破坏，失去了限位作用。

2) 桥墩响应

不同PGA时,P1-1号桥墩墩底曲率如图5所示。由图5可以看出，在PGA小于0.3g时，墩底曲率小于1.30×10-31/m，桥墩未发生损伤。PGA达到0.3g后，桥墩发生轻微损伤，桥墩墩身出现明显裂缝，且部分钢筋开始屈服。在PGA达到0.5g后，桥墩进入中等损伤，局部混凝土保护层出现压碎和剥落，塑性铰基本形成。但此后墩底曲率增加幅值较小，且未有破坏状态改变。

图5 桥墩横向曲率变化

2.3 纵桥向损伤

1) 支座及桥台位移

1号桥墩处支座在不同峰值地震加速度时的最大纵向位移值如图6所示。由图6可以看出，支座在 0.2g时超过了临界滑移值，支座发生滑动，进入轻微损伤状态。在PGA到0.3g时，支座发生中等损伤；在PGA达到0.7g时，支座位移为120.5 mm，支座进入严重损伤状态。直到PGA达到0.8g，支座纵向位移也未超过174 mm，未进入严重损伤状态。其主要原因是纵桥向相邻跨和桥台之间起到了相互限位的作用。

图6 支座纵桥向位移

由图6还可以看出，在0.3g时，主梁与桥台发生了碰撞，且在PGA为0.4g时，桥台位移为15.67 mm，桥台发生屈服，进入了轻微损伤状态。直到PGA为0.8g，桥台最大位移为51.5 mm，桥台刚进入中等损伤状态。

2) 桥墩响应

不同PGA时，P1-1号桥墩墩底纵桥向曲率如图7所示。由图7可以看出，在PGA小于0.3g时，墩底曲率小于1.30×10-31/m，桥墩未发生损伤。在PGA达到0.3g后，桥墩发生轻微损伤，桥墩墩身出现明显裂缝，且部分钢筋开始屈服。在PGA达到0.4g后，桥墩进入中等损伤，局部混凝土保护层出现压碎和剥落，塑性铰基本形成。直到PGA为0.8g时，桥墩未进入严重损伤状态。

图7 桥墩纵向曲率变化

2.4 简支梁桥损伤模式

根据上述构件损伤状态分析可知，支座与横桥向挡块是最先发生损伤而且是损失最严重的构件，而桥墩损伤相对较轻，桥台最迟发生损伤且损伤最轻。主要是因为板式橡胶支座通常是活动式的，没有施加锚固措施，地震作用下易发生剪切变形及滑移，带动了主梁移位，导致主梁与挡块及桥台发生碰撞，同时滑移起到一定的隔震作用，减轻了桥墩所受的地震力。简支梁桥损伤过程及损伤状态与近年来我国地震中采用板式橡胶支座的简支梁桥实际震害相近。

3 简支梁桥地震损伤影响因素分析

3.1 结构型式

为分析不同结构型式下结构的地震响应，将简支梁桥研究对象改为相同条件的3×30 m的连续梁桥，并对2种桥型在纵横桥向地震响应进行对比分析。2种结构桥墩墩底曲率对比如图8所示。由图8可以看出，2种结构桥墩损伤情况相似，发生损伤的状态一样，在PGA达到0.8g也仅处于中等损伤。

图8 墩底曲率对比

2种结构桥台位移对比如图9所示。由图9可以看出，连续梁桥结构的桥台位移要明显大于简支梁桥，主因是连续梁桥上部结构质量大，产生的碰撞作用就更大。因此，对于采用板式橡胶支座的连续梁桥，更需要设置纵向限位。在主梁纵向碰撞方面，简支梁桥要优于连续梁桥，但简支梁桥也需在伸缩缝处增加缓撞装置。

3.2 支座摩擦系数

板式橡胶支座作为连接上下部结构的关键构件，其摩擦特性对上下部结构影响较大，对比分析了不同摩擦系数对支座位移及桥墩曲率的影响，如图10、图11所示。但限于篇幅，此处仅列出横桥向响应对比情况。由图10可以看出，支座摩擦系数对桥墩地震响应影响较大，墩底曲率随着摩擦系数增加而增大，且PGA越大差值越大。由图11可以看出，在PGA小于0.3g时，支座仅发生剪切变形，位移值相差较小。而随着PGA增大，支座摩擦系数对支座位移影响增大，且有摩擦系数越大支座位移相对较小的趋势。因此，支座摩擦系数对结构上下部结构影响较大，在采用板式橡胶支座的桥梁中可通过有效的措施来选择合理的支座摩擦系数。

图9 桥台位移对比

图10 摩擦系数对墩底曲率的影响

图11 摩擦系数对支座位移的影响

4 结论

本文采用IDA分析方法分析了不同水平地震作用下简支梁桥主要受力构件的地震响应，并讨论了相关影响因素，主要结论如下：

1) 增量动力分析结果表明，板式橡胶支座和挡块是简支梁桥中最易损部位，但同时也起到结构地震保护的作用，下部结构损伤较轻，分析过程较好揭示了地震中简支梁桥地震损伤过程。

2) 从抗震角度来看，相同条件下简支梁桥主梁纵向碰撞作用小于连续梁桥，但由于简支梁桥的桥面不连续性，需考虑增加梁间的防撞措施。

3) 支座摩擦系数对桥梁上下部结构地震响应影响较大。随着支座摩擦系数增加，桥墩地震响应会增大，而支座位移会有减小。因此，可通过设计合理的支座摩擦系数来使结构损伤整体较小。