公路桥梁拉索式连梁装置设计参数化研究

2011-06-02张煜敏刘健新赵国辉

振动与冲击 2011年3期

张煜敏，刘健新，赵国辉

(长安大学公路学院，西安 710064)

地震爆发时所释放出的巨大能量会造成地表和人为工程大量破坏，而地震荷载是一种随机荷载，其强度、持时、规模均具有不确定性。针对抗震设计不能进行完全定量计算的情况，抗震措施被用于设防未预期地震引起的桥梁震害。

由梁搁置长度、限位装置和连梁装置构成的防落梁系统是防止落梁震害的有效措施［1］。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［2］。

1 国内外防落梁系统的研究

美国、日本等国的桥梁规范中均对连梁装置的设计方法有所规定。美国AASHTO规范提出，连梁装置的设计荷载等于梁体重量的一半，但该法仅将落梁时上部结构的质量作为静力进行计算，未考虑其动力作用。Caltrans(加州运输部规范)方法假定地震中支座完全失效，整个结构只有限位器的刚度。

日本也是较早重视防止落梁破坏的国家。1964年新泻地震后，日本抗震设计规范增加了防止落梁的构造措施。1995年兵库县南部地震后，桥梁抗震设计强制实施防止落梁措施。2002年3月刊布使用的《道路桥示方书·同解说·V耐震设计篇》要求特别考虑桥梁系统整体的抗震性能，把支座、连梁装置作为主要结构构件进行设计。规范要求连梁装置的设计抗拉力等于支座反力的1.5倍(以下称为1.5倍恒载反力法);大震时结构上、下部的最大相对位移小于梁搁置长度［3］。

虽然国外设计工作者也对防落梁系统的作用做了相关研究，但因桥梁结构的形式、设计方法与我国区别较大，所得结果并不能指导我国防落梁系统的设计。我国的桥梁通常为钢筋混凝土结构，上下部结构的连接形式多采用非隔震支座，使得结构在地震作用下的响应与国外桥梁有所不同，对连梁装置的设计承载力及刚度等参数的要求亦各异。我国桥梁结构多采用连接型连梁装置作为加固的措施，上下部结构间阻挡型连梁装置采用较少。

国内对防落梁系统的研究尚处起步阶段，在设计中所采用的抗震措施仍十分有限，我国规范没有对连梁装置的设计方法做详细规定。长安大学刘健新所做的公路桥梁减震装置及设计方法研究及汪芳芳、朱文正［4－6］的论文结论认为，采用 W/2(静力法)对连梁装置进行设计没有考虑到其动力作用，相对于日本规范所采用的1.5倍恒载反力法其作用于连梁装置上的荷载太小。

本文选择常用桥梁型式进行大震时程分析，采用1.5倍的恒载反力法对该桥的连梁装置进行设计，对比分析不同参数连梁装置在地震作用下的作动规律及防落梁效果，以便为连梁装置的设计提供参考。

2 连梁装置的选用及模拟

连梁装置一般布设在桥联边跨的梁端，有主梁与桥台连接、主梁与桥墩连接以及梁间连接三种形式［7］。连梁装置的类型有钢板式、连接杆式、高强钢棒式及拉索式，相比较而言，拉索式连梁装置的适用性好，并可控制其设计位移量。本文选用梁墩连接形式的拉索式连梁装置作为研究对象，其有限元模型简图如图1(a)所示。

在正常工作状态下或小震时，连梁装置不发挥作用，上部结构可自由伸缩或振动;大震到来时，连梁装置开始发挥作用，限制上部结构的振动，使桥梁上、下部结构相对位移不致过大，既允许结构在地震激励下发生大变位又对过大变位进行限制，如图1(b)所示，其中:

s为连梁装置的初始间隙，其数值即为控制连梁装置起动的设计位移量，满足公式:X≤s≤CFSE(其中，X为橡胶支座的允许剪切变形量，SE为梁的搁置长度;CF为连梁装置的设计移动系数，一般可取0.75，但当SE比较大或变位可能带来维修养护的困难以及影响支承功能时，可小于 0.75)。

d为桥梁上、下部结构相对位移;k为连梁装置的刚度;f为连梁装置作用力，其取值应按下式:

图1 连梁装置有限元模型Fig.1 Finite-element modal of unseating prevention devices

3 连梁装置分析算例

所采用算例为某5×30 m连续梁桥。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，其主梁横断面如图2所示。主梁材料为C50混凝土，盖梁和桥墩采用C30混凝土。桥面铺装由8 cmC50混凝土和11 cm沥青混凝土组成，防撞护栏单侧重量9.7 kN/m。

采用有限元软件Midas/Civil进行结构建模，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作用，不考虑桩基作用，连梁装置用于连接桥梁结构的边墩及主梁，模型如图3所示。

图2 主梁横断面图Fig.2 Cross-section of bridge

因落梁震害大多发生在顺桥向，因此选取大震时程波仅在顺桥向方向对结构进行激励，该地震时程为某场地100年超越概率为2%的地震时程，其峰值加速度为 0.371 g，特征周期为 0.85 s，地震持时长达 44 s，如图4所示。选用非线性时程分析类型对结构进行地震响应分析，分析采用直接积分法，时程类型选用瞬态。结构阻尼的计算方法采用质量和刚度因子法，直接输入质量因子0.04，刚度因子0.02，结构第一阶与第三阶的振型阻尼比为0.066。

图3 桥梁结构有限元模型Fig.3 Finite-element modal of bridge

图4 设计地震动时程Fig.4 Acceleration time history of design earthquake

据设计地震动时程计算结果，结构的支座高度为0.053 m，而支座位移量0.241 m已超过其允许剪切变形量0.080 m，主梁已脱座。因此，需设置连梁装置以限制桥梁上部结构的位移。

将结构自重及二期恒载组合作用下的结构反力进行统计，得到上部结构的支座反力Rd，由1.5倍恒载反力法(HF=1.5Rd)计算得到连梁装置的设计承载力HF=2526.39 kN［8］。选择抗拉设计强度 σb=1670 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=4000 kN。

4 连梁装置防落梁效果的分析研究

4.1 连梁装置参数选取范围

连梁装置的设计需要考虑到其初始间隙以及拉索的长度，文中连梁装置的初始间隙以2 cm为变量在8 cm～30 cm间进行选择，拉索长度在0.8 m～2.0 m范围内以0.2 m为变量选取。并将设置不同初始间隙、拉索长度连梁装置的桥梁结构在地震激励下的计算结果进行比较。

4.2 不同初始间隙连梁装置的防落梁效果对比

桥梁上、下部结构的相对位移是设计连梁装置的主要控制参数，其在设置连梁装置后的减小量也是衡量连梁装置防落梁效果最直观的标准。连梁装置的变形与桥梁上、下部结构的相对位移亦相关。

桥梁设置连梁装置后，上、下部结构相对位移较未采用连梁装置结构的相对幅值如图5所示。在0.8 cm到25 cm范围内，随着连梁装置初始间隙的增大，上、下部结构相对位移的减小幅度有所减小，当初始间隙超过25 cm之后，连梁装置不再起作用。说明当结构遭遇地震激励时，在连梁装置启动范围内，初始间隙越小，连梁装置越早发挥作用，其防落梁效果越好。连梁装置初始间隙为8 cm时，桥梁上、下部结构的相对位移可减至原结构的35%。

桥梁边墩墩底弯矩随连梁装置初始间隙的变化幅值如图6所示。设置连梁装置后，边墩墩底弯矩增大，间隙较小时增幅随间隙增大变大，其后，随着初始间隙的继续增大边墩墩底弯矩的增幅减小。其最大值出现在连梁装置初始间隙为13cm处，可达原结构墩底弯矩的4.8 倍。

4.3 不同拉索长度连梁装置的防落梁效果对比

上、下部结构相对位移以及桥墩墩底弯矩随连梁装置拉索长度的变化幅值如图7、8所示。当结构设置了连梁装置后，随拉索长度的变化，桥梁上、下部结构的相对位移均有减小，桥梁边墩的墩底弯矩有所增大，但其变化幅度均很小。

图5 相对位移随连梁装置初始间隙的变化Fig.5 Change of displacement between beam and pier with primary clearance

图6 墩底弯矩随连梁装置初始间隙的变化Fig.6 Change of pier-bottom bending moment with primary clearance

图7 相对位移随连梁装置拉索长度的变化Fig.7 Change of displacement between beam and pier with cable length

4.4 连梁装置内力随连梁装置设计参数的变化

当连梁装置起动之后，其受力与变形呈线性相关，变形越大连梁装置的内力越大。连梁装置内力随设计参数的变化见图9、图10所示。

由图9可见，随连梁装置初始间隙的增大左侧连梁装置的内力逐渐减小，当初始间隙达到16cm后，连梁装置在设计地震激励下不再发挥作用。右侧连梁装置的内力随初始间隙的增大有先增大后减小的趋势，大概在初始间隙值为15 cm左右时连梁装置的内力达到最大值，其作用发挥至初始间隙为26 cm时。

两侧0.8 m的连梁装置均出现了连梁装置的内力超过连梁装置拉索屈服拉力4000 kN的情况，左侧的出现在初始间隙较小时，右侧的出现在初始间隙为13 cm～20 cm时。

由图10可见，随连梁装置拉索长度的增长其内力逐渐减小，左侧初始间隙为8 cm及右侧初始间隙为8 cm、20 cm的连梁装置在拉索长度较短时出现了内力超过屈服拉力的情况。鉴于拉索长度的变化对连梁装置的防落梁效果影响较小，为保证连梁装置在地震激励下起到最终安全装置的作用，宜选择拉索长度较大的连梁装置，并在允许范围内选择较小的初始间隙。

据以上各类连梁装置防落梁效果的比较结果，初始间隙为8 cm、拉索长度为2 m的连梁装置防落梁效果较好、内力也较小。