公路桥梁横向防落梁设施抗震性能评价

刘龄嘉，邵 妍，贺拴海

(1.长安大学桥梁与隧道陕西省重点实验室，陕西西安710064;2.西安市市政设施管理局，陕西西安710016)

0 引言

建国以来陕西境内未发生过6级以上地震，近十年来对陕西省影响比较大的是2008年四川省汶川5.12大地震及其余震.5.12汶川地震使陕西省受影响的公路47条、桥梁338座，桥梁主要病害为梁体纵、横向移位、伸缩缝损坏、支座变形和钢盆断裂、挡块开裂、露筋、混凝土脱落、损坏等［1］.地震波的空间变化以及行波效应会引起桥梁挡块和主梁间不同相运动，导致二者间产生碰撞，物体在碰撞过程中，因为各自出现了形变而产生的弹力即为碰撞力［2］.笔者在分析前人研究［3-9］的基础上，运用ANSYS结构软件对装配式T梁、空心板梁和小箱梁在不同等级横向地震荷载作用下所受最大撞击力进行分析计算，并对钢筋混凝土挡块进行模拟分析，由此对其实际抗震能力进行评价.

1 结构动力分析

1.1 横向限位装置的非线性有限元分析

根据我国装配式混凝土简支梁常用的T梁、空心板梁和小箱梁作为研究对象，利用ANSYS结构软件建立一跨简支梁桥空间三维有限元模型［2-4］，其中上部主梁结构、盖梁和墩桩均采用beam4单元模拟，二期恒载质量用mass21单元模拟，橡胶支座用combin14单元模拟，挡块与主梁之间的连接用combin40单元模拟.梁与盖梁通过支座单元进行连接，约束桩底单元节点的所有自由度，桩-土-结构作用采用link10单元模拟.

1.2 地震波激励的选择

根据我国《公路桥梁抗震设计细则》［10］，选用EL-Centro波和Hollywood Storage P.E波作为地震响应分析的地震波.由于这些波加速度峰值较大，波频范围较宽，因此被工程界广泛利用.选取其相应20 s，时间间隔为0.02 s，共1 000个时间点.并将 amax调幅到 amax=0.05 g、0.10 g、0.20 g、0.30 g、0.40 g进行分析.地震波波形如图1所示.

图1 计算选用地震波Fig.1 Choose seism ic calculation

1.3 有限元分析模型

(1)无间隙模型.横向限位装置与主梁间没有间隙，二者原则上紧贴在一起.由于支座等外部原因的影响，发生地震时二者相当于一个整体，基本一起同步运动.

(2)间隙有限元模型.间隙设置为非线性碰撞单元，碰撞单元属于状态非线性单元，其运动过程可分为两种:①结构在碰撞点的相对位移未超过初始间距，此时接触单元不起作用;②结构在碰撞点的相对位移有超过初始间距的趋势时，修改结构特性，在接触点加入弹簧—阻尼器直至接触分离.

在ANSYS中选用Combin40单元，在工程中可用摩擦问题及碰撞问题模拟.Combin40单元由弹簧单元、阻尼单元、滑移单元、间隔单元和质量组成，如图2所示.通过设置阻尼和间隔为零，可以使单元只具备弹簧-滑移功能，这样单元的恢复力模型就为两折线模型，如图3所示.图中:K1为初始刚度，K2为碰撞接触刚度.

图2 Combin40单元Fig.2 Combin40 unit

挡块与主梁间因地震产生的碰撞力为

图3 Combin40单元的恢复力模型Fig.3 The restoring forcemodel of Combin40 unit

式中:d0为初始间隙;Xs为地震力作用下主梁与挡块的相对位移.

1.4 挡块地震响应分析

对标准图中跨径为20 m的空心板、T梁和小箱梁进行分析.在加速度峰值为0.05 g、0.10 g、0.20 g、0.30 g、0.40 g，梁与挡块间间隙为 30 mm，阻尼为c=2×107N·s/m，间隙接触刚度(即恢复力模型中的K2)为结构的地震响应，此时，k1=3×105N·m-1，k2=3×106N·m-1，k3=3 ×107N·m-1，k4=3 ×108N·m-1，k5=3 ×109N·m-1，k6=3×1010N·m-1(k1～k6的值根据挡块与主梁间常见填充物刚度范围选取).挡块所受最大碰撞力［1］如图4，5所示.图4为20 m简支T梁挡块间隙变刚度最大碰撞力(c=2×107N·s/m).图5为20 m简支空心板梁挡块间隙变刚度最大碰撞力(c=2×107N·s/m).

图5 挡块在Hollywood Storage P.E波下所受最大撞击力Fig.5 Stop in Hollywood Storage P.E wave under themaximum im pact force

2 钢筋混凝土挡块模拟分析

依据挡块的实际使用情况、使用尺寸及受力特点，对挡块进行单独受力分析，挡块混凝土采用C30，纵向长均为1.20 m，横截面及配筋图如图6所示，纵向采用 HRB335的 φ20、φ25钢筋、箍筋为R235的φ8钢筋.计算中采用混凝土开裂应变为67με，R235钢筋屈服为1 119 με，HRB335钢筋屈服为1 675με.应用ANSYS结构软件进行建模，其中混凝土单元用Solid65单元模拟，钢筋用link8单元模拟，采用钢筋与混凝土分离的建模方式，挡块与盖梁接触截面采用固结.

图6 挡块横截面图Fig.6 Figure block in cross section

经计算分析，挡块混凝土开裂破坏时受力特性见表1所示.挡块破坏状态见图7、挡块荷载与变形关系见图8所示.

表1 混凝土开裂破坏时挡块受力特性Tab.1 Stop for concrete cracking destruction mechanical characteristics

由图8分析可知:①3种形式挡块中小箱梁对应的挡块较其他两种能承受更大的碰撞力.②挡块变形均由下向上逐渐增大，其最大位置均位于挡块顶部.③挡块最早的开裂位置均位于挡块与盖梁相交处.④3种形式挡块荷载与变形均遵循钢筋混凝土结构规则，小箱梁对应的挡块形式收敛性能更为突出.

3 抗震性能评价

(1)3种截面形式简支梁，其挡块所承受的最大碰撞力均随地震动加速度峰值的增大而增大，基本呈线性增加.

(2)若梁的横向不设限位挡块，为防止地震中横向落梁发生，抗震等级越高，梁端与墩台顶帽端部需预留的横向距离越大.

(3)挡块所受最大碰撞力均随接触刚度的减小而减小，接触阻尼越大，减小的效果越显著.

(4)在现行设计中挡块与梁之间一般采用两种方式设计，其一是挡块与梁之间留有10～50 mm间隙，中间大部分填塞橡胶块(相当于间隙刚度k=3×108N·m-1)、个别填塞木块(相当于间隙刚度k=3×109N·m-1)，空心板梁和T梁多采用这种方法设计;其二是挡块与梁之间密贴(相当于间隙刚度k=3×1010N·m-1)，部分小箱梁采用这种方法设计.笔者分析可知，这两种设计方式在抗震设防烈度≥6度时挡块均已破坏，可见目前所采用的钢筋混凝土挡块抗震性能很低.

4 结论

挡块与梁间填塞刚度较大的物质不能起到防撞效果;若填塞刚度较小的物质，在运营时梁体又易产生横向移动.挡块与梁间填塞橡胶块时应增大支座阻尼或结构阻尼，既限制梁体在运营中的横向移动又减小挡块在地震中的破坏.由于现行设计的盖梁端部钢筋混凝土挡块抗震性能很低，建议采用大阻尼抗震型支座以减小横向撞击力，或采用其他防落梁设施取代钢筋混凝土挡块.

［1］ 邵妍.桥梁横向限位装置抗震性能评价［D］.西安:长安大学公路学院，2010.

［2］ 聂利英，范立础.地震作用下城市立交抗震挡防撞措施分析［J］.中国公路学报，2006，19(3):49-53.

［3］ 朱文正，刘健新.限位装置静力设计研究［J］.公路交通科技，2006，23(3):65-69.

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［5］ 王军文，李建中，范立础.非规则梁桥横桥向地震碰撞反应分析［J］.振动与冲击，2010，18(3):25-30.

［6］ 聂利英，李建中，范立础.地震作用下结构碰撞的模型参数及其影响分析［J］.工程力学，2005，22(5):142-147.

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［10］重庆交通科研设计院.JTG/TB02-01—2008，公路桥梁抗震设计细则［S］.北京:人民交通出版社.