强震下斜交桥地震反应与减隔震性能分析

石 岩,裴银海,张展宏,赵昊淼,朱明德

(兰州理工大学 土木工程学院,甘肃 兰州 730050)

0 引言

斜交桥以其能适应地形地物的限制和改善道路线性等特点,在高等级公路、城市道路和立交枢纽中得到了广泛应用[1]。由于斜交桥主梁平面的不规则性以及支承非对称的特点,当发生地震时,斜交桥常常遭受破坏,在历次发生的大地震中,不乏斜交桥遭受破坏的例子,如Foothill Boulevard立交桥桥墩严重破坏和Gavin峡谷立交桥主梁落梁[2-3],以及我国2008年汶川地震后,都汶2级公路中77.8%的斜交桥遭受了严重的破坏,而正交桥遭受中等破坏所占的比重仅有39.5%[4]。因此,斜交桥的抗震研究一直备受关注[5-9]。

为了揭示斜交桥的震害机理,国内外学者针对斜交桥做了大量的研究：卢明奇等[10]把不同斜度的斜交桥梁作为研究对象,深入探究其在地震时的扭转效应,认为产生扭转位移现象的主要原因是主梁与桥台之间存在一定的碰撞;王军文等[11]对三跨斜交桥的桥面旋转机理以及斜度与桥面旋转之间的关系进行了深入探究,发现桥面旋转主要是纵向碰撞导致的,而对于横向碰撞而言,则对桥面旋转有一定的抑制作用;WANG等[12]研究了在远场和近断层地震动作用下,地震动入射角对采用屈曲约束支撑加固的斜交桥地震反应的影响,发现斜交桥梁对入射角的敏感性较低,且屈曲约束支撑能进一步降低地震动入射效应;沈贤等[13]通过研究板式橡胶支座的摩擦滑移效应与支座的动摩擦系数、局部脱空等参数对斜交桥地震反应的影响,得到了考虑摩擦滑移会导致斜交桥桥面位移和转角增大、支座剪切刚度增大可以减小桥面位移和转角等结论;MALLICK等[14]探讨了双向地震动作用下考虑非线性土结构相互作用时,斜交角对整个桥梁系统地震反应的影响,认为在地震作用下桥面系的旋转会导致主梁发生较大位移,且桥墩的剪力和弯矩对斜度的影响敏感,斜度会同时增大桥墩剪力和弯矩的需求。虽然斜交桥的震害机理已得到广泛关注,但对斜交桥的减隔震措施以及减隔震技术对斜交桥地震反应的影响等问题的研究尚缺乏。

由于减隔震技术可以有效降低地震对结构造成的损伤,故在桥梁和建筑结构中得以广泛应用[15]。铅芯橡胶支座支座(LRB)是常见的隔震装置之一,因其良好的隔震性能,许多学者将其应用在桥梁抗震研究中。其中：陈水生等[16]研究了LRB参数选择和硬化比对斜拉桥地震响应的影响,结果表明采用单指标分析可以有效选择LRB参数,支座硬化比对斜拉桥地震响应的影响较小;YI等[17]对采用LRB隔震的两跨简支梁桥模型进行了振动台试验,发现LRB可以有效保护简支梁桥;陈之健等[18]将由上部荷载引起的支座反力作为LRB选择的考虑因素,得到了连续梁桥LRB竖向承载力与支座反力的最佳比例。

此外,我国的基础设施建设虽已取得长足进步,但还存在较大发展空间,特别是西部地区,这些区域板块构造活动强烈,致使近年来发生的破坏性地震主要集中在此,再加上断层带广泛分布,工程结构临近断层甚至于跨断层问题突出,近两年发生在青海的玛多地震和门源地震就是典型例子[19-20]。尤其是：玛多地震中的野马滩大桥和门源地震中的硫磺沟大桥都采用了隔震橡胶支座,但在强烈的近断层地震动下发生了落梁、梁板倾斜等严重破坏,所引发的抗震问题值得深思。为深入研究强震下斜交桥的地震反应和LRB对斜交桥减隔震性能的影响,以一座4跨斜交连续梁桥为研究对象,选择具有不同脉冲特性的近断层地震动作为输入地震动,同时选择一远断层地震动作为对比,通过动力时程分析计算传统非隔震斜交桥和全桥采用LRB的隔震斜交桥的地震反应以及损伤状况。

1 桥梁分析模型及地震动的选择

1.1 桥梁概况与分析模型

本文的研究对象为一座4×25 m的斜交连续梁桥,如图1所示。该桥上部结构由4片等截面小箱梁拼接而成,下部结构选用双柱式排架墩的结构形式,核心混凝土和保护层混凝土均采用C30混凝土,纵筋和箍筋均采用HRB335型钢筋。上部结构与下部结构由4个支座进行连接,桥墩采用直径1.5 m的圆形截面,设置8 m和12 m两种不同的高度,其中两边墩高度相等均为8 m。

图1 桥梁结构总体布置图(单位：m)Fig. 1 Longitudinal and transverse view of the bridge(Unit：m)

利用OpenSees程序创建与研究对象对应的有限元动力分析模型,如图2所示。桥梁上部结构的4片小箱梁均通过Elastic-Beam Column单元进行模拟,各箱梁之间通过长为5m的刚性横梁模拟连接成整体。模型支座部分,板式橡胶支座和铅芯橡胶支座分别通过Flat Slider Bearing单元和Elastomeric-Bearing Plasticity单元进行模拟。下部结构的桥墩通过纤维模型的Disp Beam-Column单元进行模拟。混凝土和钢筋分别采用concrete04材料和steel02材料模拟。主梁与桥台的碰撞作用通过在箱梁与桥台间设置的接触单元来考虑[1],接触单元通过考虑碰撞过程能量损失的Hertz-damp模型进行模拟[21]。当主梁与桥台的相对位移大于设定的初始间隙0.05m时,主梁将与桥台发生碰撞。

图2 全桥有限元模型Fig. 2 Finite-element model of the prototype bridge

挡块的力学模型参考SILVA等[22]的研究成果,参数值设置见表1。建模时通过3个非线性弹簧对挡块进行模拟,其中：2个并联的非线性弹簧1和非线性弹簧2通过Hysteretic材料模型,分别对钢筋和混凝土的剪力分配项进行模拟;非线性弹簧3通过Elastic-Perfectly Plastic Gap Material材料模型和Two Node Link单元对主梁与挡块的间隙进行模拟。非线性弹簧1、非线性弹簧2和非线性弹簧3串联并连接主梁和刚性梁,实现对主梁与挡块之间的横向碰撞作用的研究。全桥的阻尼通过阻尼比为5%的Rayleigh阻尼进行模拟。此外,模型不考虑桥梁结构桩-土相互作用和桥台背后填土作用。

表1 钢筋混凝土挡块的力学模型参数值Table 1 Parameter values of mechanical model of reinforced concrete shear keys

1.2 地震动的选取与输入

为了研究强震作用下的斜交桥地震反应特点,本文选取了广泛使用的10组远场强地震动记录和27组近断层脉冲地震动记录[23-24]。近断层地震动根据脉冲特性分为3类：向前方向性效应、滑冲效应以及无速度脉冲效应。计算全部4类地震动的平均放大系数谱,如图3所示。每组地震动记录均由2组不同的水平分量组成,将其中峰值加速度较大的分量的PGA按一定比例调整为0.4 g后沿着纵桥向输入;而峰值加速度较小的分量则根据相应的比例进行调幅后沿着横桥向输入。

图3 4类地震动的放大系数谱 Fig.3 Normalizedresponsespectrums of4typesofgroundmotions表2 铅芯橡胶支座的力学参数Table2 Mechanicalparametersoflead-rubberbearings支座位置桥台1/3#墩2#墩型号Y4Q420Y4Q470Y4Q471屈服前刚度/(kN·m-1)8200810010600屈服后刚度/(kN·m-1)130013001700屈服力/kN618181支座高度/mm133128128

2 斜交桥的地震反应与损伤分析

为了研究隔震与非隔震斜交连续梁桥在地震作用下反应的差异,建立了2种不同的模型和工况。工况1：在1#桥墩处设置固定支座,其余桥墩和桥台处设置板式橡胶支座的非隔震桥梁;工况2：全部桥墩和桥台处都设置铅芯橡胶支座(LRB)的隔震桥梁。铅芯橡胶支座的设计采用基于位移的抗震方法[25],力学参数的设置见表2。

为了研究不同斜度斜交桥在地震作用下的反应的差异,设置了5种不同的斜度(0°、15°、30°、45°和60°)。将4类地震动分别输入到2种工况下5种不同斜度的斜交桥动力分析模型后,得到相应的斜交桥地震反应及损伤情况。

2.1 地震反应

2.1.1 梁体旋转

主梁发生旋转是斜交桥常见的地震反应之一,为了量化这一反应的强烈程度,引入了梁体旋转度γ[1],如式(1)所示：

γ=(Δy1+Δy2)/L

(1)

式中：(Δy1+Δy2)为主梁梁体两端横向的相对位移之和;L为梁长;γ越大表明梁体旋转更明显。

4类强地震动作用下2种工况的斜交桥梁体旋转度随斜度的变化曲线如图4所示,可以看出：(1)随着斜度的增加,隔震与非隔震斜交桥梁体旋转度均呈现先增大后减小变化趋势,而曲线峰值出现的位置不相同,隔震和非隔震桥梁分别在斜度为45°和30°时旋转度最大;(2)梁体的旋转度在4类地震动作用下的响应大小存在明显的差异,在具有滑冲效应的近断层地震动作用下最大,而在无脉冲效应的近断层地震动作用下最小并且基本不随斜度变化,可见滑冲效应对斜度极其敏感,其主要原因是无论是隔震还是非隔震斜交桥的周期都大于1.1s,而从图3可以看出当周期大于1.1s后滑冲效应的放大系数最大从而对桥梁结构具有更大的破坏力;(3)采用铅芯橡胶支座的隔震斜交桥的梁体旋转度明显小于非隔震斜交桥的梁体旋转度。

图4 4类地震动下2种工况梁体旋转度与斜度关系Fig. 4 Relationship between rotation and slope of skew bridge under 4 types of ground motions

2.1.2 碰撞效应

为了研究桥台的损伤与斜度之间的关系,计算得到了4类地震动作用下2种工况桥台锐角和钝角处纵向最大碰撞力随斜度的变化曲线,如图5所示。

图5 4类地震动下纵向最大碰撞力与斜度的关系Fig. 5 Relationship between maximum longitudinal impact force and slope under 4 types of ground motions

可以看出：(1)非隔震与LRB隔震斜交桥桥台处的碰撞力总体上都与斜度负相关;(2)桥台钝角处的碰撞力普遍大于锐角处;(3)在具有滑冲效应的近断层地震动作用下斜交桥纵向碰撞力最大,而在无脉冲效应的近断层地震动作用下最小;(4)采用LRB隔震的斜交桥在桥台处的纵向碰撞力比非隔震斜交桥大,主要原因是隔震斜交桥没有固定墩的约束,而LRB对主梁位移的约束能力有限,从而导致主梁与桥台发生更剧烈的碰撞。所以,减隔震设计要求在主梁与桥台间设置足够的初始间隙以满足其位移需求,使减隔震装置的作用得到充分发挥。

2.2 地震损伤分析

2.2.1 桥墩损伤

HWANG等[26]把无量纲的桥墩位移延性系数比μd作为评价指标,用μd=1.0、1.20、1.76和4.76将桥梁震后损伤依次划分为无损伤、轻微损伤、中等损伤、严重损伤和完全损伤状态。

4类地震动作用下2种工况固定墩(1#桥墩)的位移延性系数随斜度增加的变化曲线如图6所示,可以发现：(1)不同类型地震动作用下,LRB隔震与非隔震斜交桥固定墩的位移延性系数总体上都与斜度正相关,其中在具有滑冲效应的脉冲型近断层地震动作用下,位移延性系数受斜度的影响程度大于其他3类地震动;(2)桥墩位移延性系数在具有滑冲效应的近断层地震动作用下最大,而在无速度脉冲效应的近场地震动作用下最小,主要原因是脉冲型近断层地震动对中长周期结构的破坏作用更强;(3)在相同地震动作用下,非隔震斜交桥的桥墩损伤较隔震桥梁更加严重,非隔震斜交桥的损伤状态均处在严重损伤以上,而隔震斜交桥在除具有滑冲效应的地震动作用外,桥墩的损伤状态均在严重损伤以下,结果表明LRB可以起到较好的减隔震作用。

图6 不同地震动下1#桥墩的位移延性系数与斜度关系Fig. 6 Relationship between displacement ductility coefficient and slope of 1# pier under 4 types of ground motions

为了研究铅芯橡胶支座的减震效果,将减震率作为评价指标,其定义为非隔震与隔震斜交桥的地震响应的差值与非隔震斜交桥地震响应的比值,其中地震响应选取固定墩(1#桥墩)的墩顶位移。

将4类地震动的2组分量分别沿纵桥向和横桥向输入,得到地震动作用下隔震斜交桥减震率与斜度的关系曲线,如图7所示。可以得出：(1)采用LRB进行隔震后,固定墩处的地震响应得到了显著降低,纵桥向和横桥向的减震率均在50%以上;(2)除具有滑冲效应的近断层地震动外,其他3类地震动作用下的减震率都处于较高水平,主要原因是LRB的滞回耗能能力在具有短时和大脉冲特点的滑冲效应地震动作用下无法得到有效发挥;(3)除具有滑冲效应的近断层地震动外,其他3类地震动作用下的斜交桥纵桥向的减震率与斜度呈正相关性,而横桥向的减震率则与斜度呈负相关性。综上所述,设置铅芯橡胶支座可以明显降低强地震动作用下斜交桥固定墩的墩顶位移响应,提高了斜交桥的抗震性能。

图7 不同类型地震动下减震率与斜度关系Fig. 7 Relationship between damping rate and slope under 4 types of ground motions

2.2.2 挡块损伤

为了衡量挡块的损伤情况,将挡块顶部位移Δ作为损伤评价指标,并参考SILVA等[22]和徐略勤等[27]采用的挡块力学简化模型和试验研究成果,将挡块的损伤状况划分为不同等级,见表3。表中：Δ表示挡块实际位移,ΔII至ΔV以及ΔF表示挡块简化滞回模型中拐点2至5的位移值,具体数值见表1。

表3 钢筋混凝土挡块的损伤状态划分[28]Table 3 Classification of damage state of RC shear keys

由于地震作用下两端桥台处的挡块受损程度相近,且都比桥墩处挡块受损严重,所以仅将左端桥台处的挡块作为研究对象。输入4类地震动作用后,得到两种工况下不同斜度的斜交桥左端桥台处挡块的损伤状态,见表4。

表4 斜交桥桥台处挡块的损伤状态Table 4 Damage state of the shear keys of the skew bridge abutments

(2)括号外表示传统非隔震桥梁(工况1),括号内表示LRB隔震桥梁(工况2)。

可以看出：(1)挡块在脉冲型近断层地震动作用下的损伤相较于无脉冲和远场地震动更加严重,主梁锐角处挡块甚至会达到完全损伤状态;(2)隔震斜交桥桥台挡块的损伤程度相较于非隔震斜交桥更加严重,主要原因是铅芯橡胶支座通过位移进行耗能,导致主梁产生较大位移并与挡块发生碰撞。所以,梁体与两侧挡块之间应设置足够的间隙,以减轻桥梁横桥向的碰撞以及导致的挡块损伤,避免减隔震桥梁在地震作用下发生结构破坏。

3 结论

本文基于OpenSees平台建立了多个不同斜度的非隔震斜交连续梁桥和采用LRB隔震的斜交连续梁桥模型,输入远场强地震动和3类近断层地震动,计算地震反应和损伤状态,研究了强震作用下斜交连续梁桥地震反应的特点和LRB对斜交连续梁桥减隔震性能的影响,得到以下结论：

1)随着斜度的增加,斜交连续梁桥梁体旋转度均呈现先增大后减小的变化趋势;4类地震动作用下的梁体旋转度大小存在明显差异,在具有滑冲效应的近断层地震动作用下最大,而在无脉冲效应的近断层地震动作用下最小且基本不随斜度变化;采用LRB隔震后斜交桥梁体旋转度明显减小。

2)斜交桥桥台处的纵向碰撞力总体上与斜度负相关,桥台钝角处的碰撞力普遍大于锐角处;碰撞力在具有滑冲效应的近断层地震动作用时最大,在无脉冲效应的近断层地震动作用时最小;采用LRB隔震后会增大斜交桥桥台处的碰撞力。

3)斜交桥固定墩的位移延性系数总体都与斜度正相关,同时位移延性系数在具有滑冲效应的脉冲型近断层地震动作用下最大;采用LRB进行隔震可使桥墩位移削减50%以上,有效降低固定墩的损伤;但近断层脉冲型地震动作用下的地震反应相较无速度脉冲效应和远场地震动明显强烈,尤其是在具有滑冲效应的近断层地震动作用下,LRB隔震桥梁的墩柱仍会产生严重损伤,且斜交桥斜度较大时横桥向的破坏更为突出。

4)挡块在具有滑冲效应的脉冲型近断层地震动作用下损伤最严重,达到完全损伤状态;采用LRB隔震会加剧斜交桥挡块的损伤,为使LRB隔震斜交桥达到预期隔震效果,应结合当地地震风险等级和设计位移留出足够的初始间隙。