高墩刚构桥地震响应及减震控制研究

2019-12-17解梦飞段树金王军文

石家庄铁道大学学报(自然科学版) 2019年4期

李勇，解梦飞，段树金，王军文

（石家庄铁道大学土木工程学院，河北石家庄 050043）

随着高墩刚构桥的不断修建，目前已建或在建的高墩刚构桥已达几百座，且已逐步成为交通运输线上的重要组成部分。高墩刚构桥多跨越山谷沟壑，且多建于西部地区，由于高墩刚构桥桥墩较高，导致整体刚度较柔，自振周期长［1］，其结构特性及场地特性均不再适用于《公路桥梁抗震设计细则》的规定，不仅要注意设计加速度反应谱长周期段的可靠性，且当墩高超过40 m 后，可能进入塑性的高墩桥梁应做专项研究。

与简支梁和连续梁结构体系不同，刚构桥的桥墩和主梁之间为现浇刚性节点［2-3］，只在梁端部设置单向滑动支座，所以高墩刚构桥无法使用减隔震支座进行减震控制，若采用阻尼器进行减震控制，也只能安装在梁-台、梁-过渡墩之间［4］，且既有的位移型或速度型阻尼器也多为单向耗能阻尼器，对高墩刚构桥的纵向地震响应可进行控制，无法对高墩刚构桥的横向地震响应进行减震控制。本文首先分析了高墩刚构桥梁的地震响应特性，进而对不同于普通阻尼器的多阶段出力耗能阻尼器的减震控制进行了研究，并与防落梁拉杆的控制效果进行了对比。

1 高墩刚构桥工程概况

某大桥桥梁全长461．73 m，其中主桥为三跨预应力混凝土连续刚构桥，主梁为单箱单室箱型截面，采用C50混凝土，主桥支座设置于4＃和7＃过渡墩墩顶，分别设置GPZ3000DX 单向和GPZ3000SX 双向滑动盆式支座各1套；桥墩采用整体式钢筋混凝土空心墩，墩身横桥向宽7 m，纵桥向宽6．5 m，壁厚0．7 m，采用C40混凝土。两侧引桥均为跨径组合为4×20 m 的预应力混凝土箱梁桥，采用C50混凝土，在0＃和11＃桥台，1＃、3＃、8＃和10＃引桥桥墩，及4＃和7＃过渡墩上均采用GPZ4DX 单向活动支座，在2＃和9＃桥墩设置GPZ4GD 固定支座；4＃和7＃过渡墩采用2．0 m×1．8 m 矩形钢筋混凝土实心墩，引桥桥墩采用直径1．5 m 的双柱墩。本桥设防烈度为7度，设计基本加速度峰值为0.15g，抗震措施按照8度设防。桥型布置如图1所示。

图1 桥梁布置及横截面（单位：cm）

2 高墩刚构桥地震响应规律

2.1 有限元建模

上部结构采用普通梁单元模拟，不考虑其非线性特性，考虑预应力钢筋和普通钢筋对于截面刚度的提高和容重的增加；固定支座及单向活动支座的限位方向均近似认为具有很大的刚度［5］；单向活动支座的滑动方向，其纵桥向的往复摩擦采用双线性理想弹塑性滞回模型进行模拟［6］；在地震动作用下，桥墩底部、桥墩（仅考虑有盖梁时）顶部以及横系梁梁端可能出现塑性铰的部位设置非弹性铰［7-8］。其中非弹性铰采用Takeda（武田）三折线型滞回曲线来近似模拟钢筋混凝土柱的材料非线性特性；在0＃和11＃号桥台及4＃和7＃过渡墩处均设置了梁-台、梁-梁弹性碰撞单元。有限元建模考虑的桥梁非线性特性如图2所示。

图2 非线性模拟示意图

2.2 地震波选择

选用3条地震波，分别为El-Centro波、唐山波以及拟合规范反应谱的人工波，如图3所示。本桥抗震设防类别为A 类，所以E1和E2地震作用的重要性系数取值为1．0和1．7，场地系数取值为1．0，阻尼调整系数取值为1．0，则得到E1和E2地震输入有效加速度峰值分别为0.1g 和0.17g。

图3 选择的地震波

2.3 设计地震作用下的桥梁抗震性能

选取武田模型作为塑性铰的滞回模型，该塑性铰的屈服状态分为3个状态：第一屈服代表横截面的垂直方向应力达到了屈服应力状态，在受弯状态时，参考位置在离中和轴最远的点；第二屈服代表横截面的垂直方向应力达到了混凝土的极限强度或者钢筋的屈服强度状态，在受弯状态时，参考位置位于中和轴；第三屈服代表混凝土的破坏或者钢筋的极限强度状态。

E2地震作用下，部分墩柱发生了损伤，产生了弹塑性变形，其中以引桥固定墩2＃和9＃桥墩的塑性变形较为明显，塑性铰屈服状态达到第二屈服状态。由于在3条地震波作用下，结构只是部分桥墩进入了第一屈服状态，所以，桥墩塑性铰的转角很小，均满足规范要求，如图4所示。

图4 E2地震波输入桥墩塑性铰屈服状态

桥墩抗剪按照能力保护构件计算，其值可近似取等效屈服弯矩My与墩高Hn的比值［2］。塑性铰区域沿纵桥向斜截面抗剪承载力满足规范要求，且由于桥墩塑性铰发展程度较低，墩顶位移均小于各墩的墩顶容许位移。如图5所示。

图5 E2地震波输入桥墩抗剪与墩顶变形验算

3 高墩刚构桥减震控制

高墩刚构桥由于墩梁固结［9］，若采用单向被动耗能阻尼器，只能安装在过渡墩或者桥台处，如图6（a）所示。单向出力阻尼器主要包括速度型阻尼器和位移型阻尼器，但是这些阻尼器只具备耗能功能，而不具备大震下“锁死”相邻结构的功能，若使用锁定装置如“Lock-up”又不具备耗能的功能。所以，选用既能耗能又能锁死的两阶段出力阻尼器，则能实现在中小震下耗能、大震下迅速增大出力使得相邻结构形成临时纵向固结以共同抵抗地震的作用，如图6（b）、图6（c）所示。

图6 两阶段出力阻尼器布置位置及滞回模型

选取阻尼器第一屈服水平段设计位移d2为6 cm，主桥和引桥的阻尼器第一水平屈服力F1设置为200～700 k N（以D20～D70表示）变化，第一阶段弹性刚度k1和卸载刚度k4均取值为107k N／m，屈服刚度k2取值为0，第二阶段出力刚度k3取值为105k N／m，主要考察E2地震作用下刚构桥的减震效果，如图7所示。由图7可以看出，随着阻尼器出力的增加，主桥和引桥的墩底弯矩均有所降低，减震率为33%～55%，使得桥墩能够保持在弹性受力范围之内，图7（f）所示阻尼器既发挥了耗能作用，也发挥了限位的作用，避免了梁端碰撞。

图7 安装阻尼器后各桥墩弯矩减震效果分析

4 设置防落梁拉杆的桥梁减震控制

由于高墩刚构桥多为大型重要桥梁［10］，抗震设防措施均应该按照提高1度进行设防，往往需要在桥台和过渡墩处设置防落梁装置［11］，以防止主梁在地震作用下与桥墩相对位移过大而发生落梁现象。但防落梁装置往往不具备耗能作用，只能在大震下锁定墩台与主梁，而无法发挥耗能作用。图8给出了考虑D50复合式金属阻尼器与防落梁拉杆分别加在桥梁上进行减震控制的对比。由图8可以看出，对于本桥阻尼器要比防落拉杆的减震率更高，因为阻尼器具有耗能功能，而防落梁拉杆只有当梁端相对位移过大时才会起作用，当梁端相对位移较小时不具有耗能作用。