X形钢挡块横向约束程度对公路桥梁抗震性能的影响

王秋懿 谭文明 马明娟

X形钢挡块横向约束程度对公路桥梁抗震性能的影响

王秋懿 谭文明*马明娟

（云南功东高速建设指挥部，昆明 654100）

为了探究X形钢挡块横向约束程度对公路桥梁抗震性能的影响，对某实际大跨连续公路桥梁分别在无挡块约束、挡块弹塑性约束以及完全固接约束工况下的结构地震响应进行了弹塑性时程分析。分析结果表明：随着横向挡块约束程度的增加，结构各关键截面内力增加，支座位移减小；合理考虑X形钢垫块的弹塑性约束作用能够使结构横向地震响应分布更加均匀，提升结构整体耗能能力。

X形钢挡块， 公路桥梁， 弹塑性时程分析， 抗震性能

0 引 言

我国公路桥梁多采用搁置型橡胶支座，在横向地震作用下，支座位置处产生滑移会导致主梁与横向挡块之间产生较大的相互作用力［1］。尽管合理的相互作用力可以防止主梁脱落，但过强的横向约束可能会增大结构底部的地震作用，造成设计的不安全。此外，我国现行的桥梁抗震设计规范中缺乏横向挡块的力学性能设计，更缺少相关考虑挡块影响的抗震设计要求，这对公路桥梁的抗震设计带来了一定的潜在隐患［2］。

现使用普遍的横向挡块主要分为钢筋混凝土挡块与钢挡块两种。相关研究发现，钢筋混凝土挡块的力学性能主要受纵筋配筋率及位置［3-4］、拉结钢筋位置［5-6］以及混凝土强度［7］等参数影响，且主要发生剪切或弯曲破坏。钢挡块形式多样，主要包括X形钢挡块、H形钢挡块以及工字钢挡块等，且主要发生钢材屈服的破坏模式［8］。由于混凝土裂缝的开展与钢筋的屈服，钢筋混凝土挡块屈服后常呈现刚度退化的特征，而钢挡块则充分发挥了钢材的塑性特征，其耗能能力更优，且屈服后延性较好。

合理考虑延性挡块的约束作用对桥梁结构抗震设计具有重要意义。庄鑫等［9］对某采用种X形钢挡块梁式桥结构进行了弹性反应谱分析与弹塑性时程分析，研究结果表明，与完全固结或无挡块约束的分析结果相比，X形钢挡块使桥梁的横向地震作用分布更加合理，且随X形钢挡块刚度增加，结构墩底内力响应增大；王克海等［10］结合汶川地震中不同桥梁的抗震表现提出，通过使桥梁内外挡块优先屈服能够耗散大量的地震能量，以此可实现“多道设防，分级耗能”的抗震理念；项乃亮等［11］分别对采用摩擦性挡块与常规混凝土挡块的某桥梁结构进行了抗震对比分析，分析结果表明，通过发挥摩擦挡块优异的耗能能力，结构的抗震性能得到了明显的提升，但过强的挡块约束会增大下部结构的地震荷载。

本文旨在探讨X形钢挡块横向约束程度对公路桥梁横向抗震性能的影响，分别对无挡块横向约束、有X形钢挡块约束与完全固接约束的某桥梁案例进行了弹塑性时程分析，对比了三种约束情况下的地震响应，相关结果可为公路桥梁工程的抗震设计提供一定参考。

1 桥梁案例简介

某两联大跨连续桥立面图如图1（a）所示，其跨径布置为（3×25+4×25） m，采用混凝土T型连续梁，梁高1.7 m；桥墩采用双柱式桥墩，墩柱直径1.8 m，墩下桩径2 m；采用高阻尼橡胶支座，每个桥台及桥墩处均采用5个HDR（I）-d570×217-G1.0圆形高阻尼隔震橡胶支座，高阻尼橡胶支座的屈前刚度为52 350 kN（每个支座为10 470 kN/m，共5个支座），屈服力y为615 kN（每个支座123 kN，共5个支座）；桥梁截面细部构造如图1（b）所示。

2 分析模型

采用SAP2000有限元分析软件，建立动力空间计算模型（图2）。计算模型以顺桥向为轴，横桥向为轴，竖向为轴。主梁、墩柱均采用空间梁单元模拟，单桩上每隔1 m施加一个土弹簧考虑桩土共同作用，弹簧刚度根据土层性质根据m法确定。

在弹塑性时程分析当中，采用非线性弹簧单元模拟高阻尼橡胶支座与挡块。高阻尼橡胶支座的弹塑性力学模型如图3所示，其屈服承载力、初始刚度、屈服后刚度均按照《公路桥梁高阻尼隔震橡胶支座》（JT/T 842—2012）［12］取值。X形钢挡块的弹塑性力学模型如图3所示，其屈服力取相应恒载反力的8%，每墩取320 kN，屈服位移为0.02 m，屈服前后刚度比为0.03。

3 地震荷载与工况条件

3.1　地震荷载

该桥梁所处地区地震动加速度为0.4，属于地震烈度9度区，按《公路桥梁抗震设计细则》（JTG/T B02-01—2008）［13］中的规定划分为A类桥梁。图4与图5分别给出了当地遭受E1（50年超越概率10%，考虑结构重要性系数0.5）或E2（50年超越概率2.5%）地震作用时的地震动加速度时程曲线，分析最终结果取每组三条地震动加速度输入结果包络值。

3.2　工况条件

本文分别设计了三种工况，具体为：

（1） 工况1假设混凝土挡块足够弱，不考虑混凝土挡块的横向约束效应，考虑板式橡胶支座、滑板支座与梁底支间的滑动效应；

（2） 工况2在工况1基础上，考虑X形钢挡块的弹塑性约束作用；

（3） 工况3在工况1的基础上，认为挡块约束为完全固接。

主桥相应的性能目标确定为：遭受E1地震作用时，主桥桥墩、过渡墩以及各桥墩桩基础基本不发生损伤或不需要修复可继续使用；遭受E2地震作用时，应保证不致倒塌或产生严重结构损伤，经加固修复后仍可继续使用。

4 分析结果

4.1　E1地震作用

在E1横向地震作用输入下，各桥墩关键截面地震响应见图6（a）～6（b），桩基础最不利单桩地震响应见图6（c），及支座位移情况如图6（d）。

4.2　E2地震作用

在E2横向地震作用输入下，各桥墩关键截面地震响应见图7（a）、（b），桩基础最不利单桩地震响应见图7（c），及支座位移情况见图7（d）。

图7　E2横向地震作用下分析结果

由图6与图7可知，在遭受相当于基本烈度的E1横向地震荷载或相当于罕遇烈度的E2横向地震荷载时，与不考虑X形钢挡块约束的工况1相比，考虑X形钢档块弹塑性约束工况2模型各支座位移有一定的减小，且各桥墩关键截面及桩基最不利截面处各内力值均有所增大；考虑横向固接的工况3模型与工况2模型相比较，各桥墩关键截面内力及单桩的最不利反力均有大幅增加。这是因为随着横向约束的增强，结构整体刚度上升，结构底部所受地震荷载增加。此外，相较于工况1模型，工况2模型各桥墩内力分布更加均匀，且在保持内力增长幅度不大的同时支座处仍具有一定的位移，这反映了X形钢挡块的存在能够使结构横向地震响应分布更加合理，且对结构整体耗能能力有一定提升作用。

5 结 论

本文分别对无挡块横向约束、有X形钢挡块约束与完全固接约束的某桥梁案例进行了弹塑性时程分析，对比了三种约束条件下结构的抗震性能，主要结论如下：

（1） 随着模型中考虑X形钢挡块约束程度的增加，结构各关键截面内力增加，支座位移减小。

（2） 采用X形钢挡块横向约束能够使结构横向地震响应分布更加合理，有助于避免结构薄弱区域的产生。

（3） 挡块约束为完全固接约束相比较，通过引入X形钢挡块，利用X形钢挡块的弹塑性变形，可以减小桥墩所受地震力。

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Ministry of Transport of the People's Republic of China.JT/T 842—2012 High damping and isolation rubber bearings for highway Bridges［S］.Beijing：China Communication Press，2012.（in Chinese）

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Chongqing Communications Technology Research & Design Institute Co.LTD. JTG/T B02-01—2008 Detailed rules for seismic design of highway Bridges［S］.Beijing：China Communications Press，2008.（in Chinese）

Influence of the Lateral Restraint Degree of X-Shaped Steel Block on the Seismic Performance of Highway Bridge

WANGQiuyi TANWenming*MAMingjuan

（Yunnan Gongdong Expressway Construction Headquarter， Kunming 654100， China）

To evaluate the influence of the lateral restraint degree of X-shaped steel block on the seismic performance of highway bridge， the elasto-plastic time history analysis was carried out on the seismic response of a real long-span continuous highway bridge under the conditions of no restraint， elasto-plastic restraint and fully fixed restraint，respectively.The results show that the structure internal forces increase and the support displacement decrease when strengthening the restraint degree of the steel block. By considering the elasto-plastic restraint of the X-shaped steel block， the lateral seismic response distribution of the structure become more uniform， and the energy dissipation capacity of the structure is improved.

X-shaped steel block， highway bridge， elasto-plastic time history analysis， seismic performance

2021-08-11

王秋懿，男，正高级工程师，主要研究领域为桥梁施工与设计。E-mail： 951549901@qq.com

联系作者：谭文明，男，高级工程师，主要研究领域为桥梁方向。E-mail： 55534555@qq.com