地震序列下桥梁连梁装置的防落梁效果分析

2010-01-24张煜敏赵国辉刘健新

灾害学 2010年3期

张煜敏，赵国辉，刘健新

(长安大学公路学院，陕西西安710064)

0 引言

在一定时间内，发生在同一震源区的一系列大小不同的地震，且其发震机制具有某种内在联系或有共同的发震构造的一组地震总称为地震序列，具有丛集的特征。强度等级高的地震，往往会伴随着强余震的发生。结构遭遇强震之后，较强烈的余震会使震害进一步加深，有时余震对结构物的倒塌起着决定性的作用［1］。如唐山7.8级大地震中，主震后15h内发生了6.8和7.1级强余震各一次。滦河大桥在主震中并未倒塌，而是在7.1级的强余震中发生桥墩折断、桥梁落架、倒塌。1952年7月21日美国加州南部发生7.7级地震，而Bakersfield城却毁于8月22日发生的5.8级强余震中。

桥梁结构在防灾减灾工程中属于生命线系统工程，是现代城市交通生命线的重要组成部分［2］。其在地震序列下的抗震性能对城市的防震救灾工作起到至关重要的作用，而抗震措施用以在整个地震序列作用下防止桥梁发生毁灭性的破坏。由梁搁置长度、限位装置和连梁装置构成的防落梁系统被用来防止相邻桥联在强烈地震中产生过大的相对位移［3］，连梁装置作为该系统的最后一道防线，在防止桥梁结构发生落梁时起到至关重要的作用。

本文选取具代表性的集集地震序列作为分析时的地震荷载，考虑余震对结构造成的破坏，分析设置连梁装置的桥梁结构在地震序列下的响应，为更进一步进行桥梁结构抗震设计提供参考。

1 地震序列作用下的结构响应

1.1 地震序列的分类与选取

按序列中最大地震与次大地震震级差ΔM，并兼顾最大地震与次大地震的时间差ΔT，将地震序列分为4类:孤立型地震、主震－余震型地震、双震型地震、多震型地震。我国大陆的地震序列中，主－余震型的地震序列占主要地位，约占60%左右，而主－余震型地震发生强余震的比率随主震的震级增大而提高，而且强余震的震级随主震震级增大提高［4］。

通过收集已发生的主－余震地震序列发现，我国台湾主震为7.6级的集集地震序列规模惊人，震级6.5以上的强烈余震在主震后7d内便已发生4次，是全世界相当罕见的例子［5］。整理地震台站TCU078所收集的集集地震序列记录，取其中具代表性的部分作为地震荷载进行动力时程分析计算，序列中的主震时程如图1所示。因落梁震害通常发生在顺桥向，计算时采用主余震依次沿顺桥向输入的累积方式对结构进行地震激励，余震在前震持时之后进行激励，该地震序列的参数如表1所示。

表1 集集强震序列时程参数统计表

1.2 工程背景

采用5 m×30 m连续梁桥，主梁横断面如图2所示，梁宽17 m、高1.6 m，墩高10 m，墩径1.8 m，边墩采用滑板支座，中墩采用板式支座，支座高度为0.053 m。主梁材料为C50混凝土，盖梁和桥墩采用C30混凝土。主梁、盖梁与桥墩均采用梁单元模拟，橡胶支座模拟为弹性连接，墩底采用固结方式模拟地基，不考虑桩基作用。其有限元模型如图3所示。

图2 主梁横断面图

图3 桥梁结构有限元模型

1.3 地震序列下的结构响应

通过对桥梁结构进行地震序列动力时程分析，得到该地震序列作用下桥梁结构的地震响应结果(表2)。

表2 桥梁结构地震响应结果统计表

由表2中数据可见，地震序列作用下，桥梁结构的主梁发生了较大位移，主梁与桥墩相对位移也较大。因边跨采用滑板支座，地震荷载主要靠中墩分担，边墩的墩顶位移与墩底弯矩较中墩明显小，而边墩的梁墩相对位移则相对较大。

结构梁墩相对位移(亦即支座发生的位移)为0.161 1 m，本桥支座的允许剪切变形量为0.080 m(支座高度为0.053 m，板式橡胶支座的允许剪切变形量为1.5H，H为支座的橡胶总厚度)。通过比较可见，在主震作用下主梁已脱座，在地震序列激励下会有发生落梁的危险。

2 防落梁装置的使用效果分析

因桥梁上部结构在主震作用下发生落座，在余震序列作用下有发生落梁的危险，因此对桥梁结构设置防落梁措施。连梁装置作为防落梁系统的最后一道防线，在桥梁结构遭遇未预期地震作用、支座因变形过大而丧失支承功能后，可以避免桥梁上、下部结构之间的相对变位进一步增大至梁的搁置长度，从而防止落梁发生，以满足“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设计原则［6］。本文采用连梁装置于桥梁边跨连接上部结构与下部结构，其有限元模型简图如图4所示。

图4 连梁装置的简化模型

2.1 连梁装置的设计

结合国内外桥梁抗震措施的相关研究［7－8］以及规范中对连梁装置设计方法的规定，采用日本《道路橋示方书(V耐震设计篇)·同解说》中连梁装置的设计抗拉力等于支座反力的1.5倍(简称1.5倍恒载反力法)设计连梁装置［9］。

得到连梁装置的设计承载力HF=1.5Rd=2 526.39 kN。选择抗拉设计强度σb=1 670 MPa，型号为PES(H)5－061的拉索，桥梁单侧所有连梁装置的总破断索力Pb=4 000 kN。

2.2 采用连梁装置后的结构响应

对设置连梁装置的桥梁结构进行地震序列动力时程分析，将结构地震响应与未设置连梁装置时相比较，如表3所示。

表3 桥梁结构设连梁装置后计算结果

由表3中计算结果可见，设置连梁装置后，桥梁结构在强震序列(除余震1)作用下的主梁位移和上、下部结构相对位移均有减小，连梁装置的作用使支座变形减小至其允许剪切变形范围内，起到了防落梁效果;边墩墩顶位移与墩底弯矩增大，边墩与中墩墩底弯矩值较为接近，说明在连梁装置的作用下结构抗推刚度及整体性均有所增大，边墩亦参与分担地震荷载，使地震力在各墩间平均分配。在地震序列中连梁装置均发挥其防落梁作用，能够保证结构安全。

在余震1作用工况下，中墩的梁墩相对位移在设置连梁装置之后反而较不设置时大，其原因是主震引起的边墩上、下部结构相对位移数值大于结构在余震1单独激励时所产生的相对位移。主震激励下结构边墩墩顶位移时程如图5所示，主震时程到20 s之后边墩墩顶产生了永久变位。对桥梁结构进行弹塑性时程响应分析，结果显示桥墩墩底发生了塑性破坏，墩体一侧保护层混凝土破碎，如图6所示，结构在后续余震激励下的变形在此残余变形基础上发生。