连续梁桥组合降震设计功效分析研究

温瑞霖

摘 要：在对案例路桥混凝土预应力连续梁桥的地震反应分析基础上，针对强烈的近断层地震脉冲效应，提出了在案例路桥桥梁中选用降震榫和拉索限位器相结合的方法，在公路桥梁中将铅芯橡胶支撑座和拉索限位器组合在一起，以构成组合降震系统方案，开展连续桥梁的地震反应实验。

关键词：连续梁桥;组合降震;设计功效;分析研究

在强地震中，许多桥梁结构已经受到严重损坏，所以降震技术已经成为提高强地震区桥梁抗震功效的重要课题。原始的抗震方法是借助加增结构部件的强度和抗形变能力来抵抗地震作用，这在一定程度上难以完成，而且会导致很大的浪费。减隔震技术的出现和快速发展带来了新的地震思想。

1 工程案例概况

以某（40 + 64 + 40）m混凝土预应力连续梁路桥作为工程背景参照，开展了地震反应分析。为了考虑相邻梁间碰撞和相邻跨度的影响，在连续梁的两端，设有1孔32 m简支标准箱形梁。连续梁和相邻的简支梁的上部结构都是混凝土预应力双线可变断面箱形梁。整个桥梁的下部结构是双流线型圆端实心墩，墩体的高度见图1具体所示。桥址位处8度范围，设计地震峰值加速率为0.2g，罕见地震强度为0.38g。

2 组合降震系统设计

2.1 连续梁桥降震设计

（1）正常应用阶段：桥上列车的制动力为列车垂直静动荷载的10%，即960 kN;滑移支撑座的摩擦力= 66 000 kN× 0.02=1 320 kN，即支撑座的摩擦力可以抵抗列车的制动力。

（2）在地震频繁的状态下：当在侧墩（2#和5#）和中墩（3#和4#）分别配置6和8个降震榫时，应用降震榫的弹塑性刚度，以多振型分解反应谱法获得降震榫的形变为5.4 mm，降震榫不屈服，符合需求。

（3）在设计地震影响下：取降震榫在设计目标移位（30 mm）下的等效刚度开展等效线性化分析，得出降震榫的形变量为28.8 mm，未达设计目标移位。除前述起始空隙外，拉索限位器的设计参数还涉及拉索限位器的数量和长度，它们决定了拉索限位器的最大许可约束移位和刚度。通过数次试算和设计，发现当降震榫的形变从限位器发挥作用到降震榫的极限移位（72 ram）时，降震榫和拉索限位器的恢复力增量之和，应大于等于上部结构重量的0.05倍，这样才能以保证降震榫的安全性，获得限制器的刚度为45 000 kN/m，进而确定了限制器的长度及其它参数。

2.2 动力设计分析计算模型

用梁柱单元模拟梁柱和墩柱，用双线性滞后单元模拟盆橡胶支撑座和降震榫。降震榫的滞后参数为：屈服荷载Fy =325 kN，屈服移位dy=0.006 m，极限荷载Eu =383 kN，最大塑性形变du=0.072 m。盆式橡胶支撑座选用双线性滞回单元模拟，忽略桩土结构的互相作用，即在桥墩底部固结。弯矩与桥墩曲率间的关系请参见表1具体所示。用非线性触接元件模拟了相邻梁的碰撞功效和拉索限位器，碰撞空隙为0.05 m，拉索限位器空隙为0.03 m。

为了分析组合降震系统在连续梁桥中的降震功效，做出了以下规定：

忽略盆式支撑座故障引发的能量耗散。

临时跨度的简单支承梁不选用抗震设计，在1#和6#墩上设有固定支撑座。

在不带减振装置的连续梁中，3#墩装配有固定支撑座，其余装配有滑移支撑座。

应用降震装置时，把中间墩（3#）的固定支撑座改为滑移支撑座，而且在全部墩上安置降震榫。

建立的模型和分析条件如下：

工作条件1：传统的非降震桥固定支撑座，即3#桥墩装有固定支撑座，其余都装有不带降震装置的滑移支撑座，用于比较降震功效。

工作条件2：带降震榫的降震桥，即把墩3#的固定支撑座变为活动支撑座，在中间墩和侧墩上配置降震榫。

工作条件3：选用带有降震榫和拉索限位器的降震桥，来验证所提出的组合隔离和限制系统的有效性。

2.3 近断层地震输入

近断层脉冲地震存在显著速率脉冲的特性，主要是因为滑移冲击效应和正向效应所引发。当断裂锋面向观测点传播，并且传播速率接近岩石破裂速率时，将在该点发生正向效应，其速率脉动主要产生在垂直于断层平面的方向，一般在断层上。

滑移推力效应，是指在断层部位附近的某个方向上的移位时程骤然上升或降低而构成一个台阶，而且由它引发的速率脉冲，一般在平行于断层滑移的方向上，并呈单向特点。

为研究不同地震速率脉冲类型的桥梁震动影响，本研究选取了10个无脉动效应的地震和20个有速率脉冲特性的近断层地震。顺桥向时程输入，峰值加速率分别为0.389和0.29，分别代表罕见地震强度作用和设计地震作用，并用各种地震的均值作为分析根据。

3 连续梁桥地震反应分析

3.1 限位器配置的影响分析

屈服后，降震榫加增了结构的柔韧性，延长了结构的应用寿命，并且结构的形变主要集中在降震榫上，因此，降震榫在地震中的工作状况决定了整体结构的抗震功效。表2显示了在配置限制器之前和以后3#墩上降震榫的形变。可以发现，没有配置限制器，在没有速率脉冲的地震的影响下，降震榫的形变在设计区域内，可以保证其抗震安全性。但在有速率脉冲状态下，设计地震（0.2g）下的降震榫的形变接近极限值，约为60 mm。在罕见的地震（0.38g）下，其形变超出极限移位，最大达100 mm，而且比没有速率脉冲的相应地震输入大得多。可以发现，因为降震榫屈服后的刚度和移位能力相对有限，因此在罕见的近断层地震状态下，其形变很难控制，安全性大受影响，这是提出限位器与降震榫的组合降震方案的主要原因。

为了控制降震榫在速率脉冲近断层地震影响下的过大形变，分别在3#支撑架和4#调谐墩上装配了限位器。配置好索式限位器，在带速率脉冲的近断层（稀有）地震中，降震榫的移位从高出100 mm降低到小于70 mm，移位控制功效显著。另外，因为脉冲地震的特殊性，在设计地震下不能将降震榫的形变控制在设计移位内，但是在罕见地震强度下不会超过极限移位，因此可以认为组合降震系统是有效的。实际上，假如要在设计地震下将降震榫控制在设计移位区域内，则可以经过调整拉索限位器的起始空隙和拉索数量来开展控制。限位器配置有可能会加大桥墩的内部应力和形变。表3给出了限位器配置对3#墩墩底弯矩的影响，由表可知，在设计和罕见地震强度的影响下，限位器的配置使墩底的弯矩加大了约10%。在设计地震下，墩底弯矩小于屈服弯矩，桥墩具有弹塑性。在罕见地震强度下，墩底的平均弯矩小于屈服弯矩。实际上，该墩在局域地震下已屈服，可是其塑性曲率尚未到达极限值，处在可接受的区域内。

3.2 降震功效分析

为充分揭示降震装置的降震功效，选择降震比指标开展分析，其计算公式为：

（1）

公式中：ei系为降震桥梁的地震响应峰值;en系为非降震桥梁的地震响应峰值;Ρ系为降震率，降震率越大，显示降震功效越好。

以非隔离状态下固定墩3#的移位为例开展分析。

图2为设计地震标准下，不同类型的地震和相邻梁间的碰撞，对降震榫的降震功效影响分析成果。在图中，给出了在有和没有碰撞的状态下，不同类型的地震的平均降震率及其對应的百分率。数据揭示：

（1）降震榫能达较佳的降震功效，不同地震类型的降震率≥70%，脉冲近断层地震要大于无脉冲近断层地震，二者均达80%，缘于降震榫可以承受比较大塑性形变。

（2）应用非脉冲近断层地震时，冲击对降震率影响很小，这主要是因为冲击比较小的原因。

（3）对于有正向作用和滑移冲击作用的脉冲地表运动，冲击作用显著，在忽略冲击的震结构的降震率时，不能不考虑碰撞的影响。

4 结语

鉴于强烈的近断层地震脉冲效应，开展了连续桥梁的地震响应测试。提出降震榫头与拉索限位器，铅橡胶支撑座与拉索限位器的组合降震系统的设计方案，限位器控制降震装置的过度形变并避免落梁损坏，借助降震榫或铅橡胶支撑座的消能功效，来降低桥梁的地震响应，降低地震对桥梁结构的破坏。通过降震反应功效测试分析揭示，这种设计对路桥防震降震具有功效。

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