采用预压限位挡块的连续梁桥抗震性能研究

郑万山，谢皓宇，刘怀林 ，高文军

(1.桥梁工程结构动力学国家重点实验室，重庆 400067；2.招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400067)

我国是一个多地震国家，1976年唐山地震和2008年汶川地震给我国人民生命财产安全及经济发展造成重大损失。公路交通既是震后救援的主通道，也是极其重要的生命线。公路损毁使震中区与外界的交通运输生命线完全中断，救援人员及物资不能及时到达，给震后应急救援工作带来了极大困难[1-2]。交通干线的桥梁是咽喉要道，一旦震塌或破坏，则会中断交通，短期无法恢复，延误生命救援时间。调研大量震害现象表明，桥梁遭遇强烈地震后主要震害为桥墩弯曲或剪切破坏、上部结构位移过大而落梁、支座超出承载能力而破坏等[3-7]。目前，我国高烈度区的中小跨径桥梁主要采用减隔震支座或加装阻尼器的方式进行抗震设计[8-9]。减隔震装置不仅利用其柔性结构延长结构周期以减小地震力，还利用它的耗能来控制因结构周期延长而引起的位移[10]。常用的减隔震装置有铅芯橡胶支座、高阻尼橡胶支座等，这些橡胶制品在大气环境中易老化，其耐久性能使用寿命远低于桥梁混凝土结构的使用寿命，且大量使用减隔震装置的成本较高，对量大面广的中小桥梁建设会造成巨大的经济压力。为此，本文提出一种预压限位挡块与滑板支座组合的中小桥梁抗震体系，以提高桥梁减隔震耐久性能，大幅降低建设和运营成本。

1 预压限位挡块概念及计算模型

对于中小跨径的连续梁桥，通常在交接墩顶设置聚四氟乙烯滑板支座，而在中墩墩顶设置普通板式橡胶支座。在遭遇强烈地震作用时，普通板式支座与梁体或垫石之间可能会产生滑移破坏，并因墩梁相对位移过大而失去控制，若超出预留搭接长度则造成落梁破坏。为避免上部结构落梁，在盖梁顶布置横桥向和顺桥向的抗震挡块来限制墩梁的相对位移。大量震害表明，单纯依靠混凝土挡块来限制墩梁相对位移较为困难，并且梁体与挡块之间的强烈碰撞力会传递到桥墩，造成桥墩破坏。

为解决普通板式支座抗震的缺陷，将连续梁桥支座全部更换为滑板支座，并在盖梁与梁体之间安装预压限位挡块。其原理是事先对弹性体(螺旋弹簧等)施加一个预压力Fy后固定，然后将其安装在盖梁与梁体之间。遭遇地震作用时，梁体的惯性会对该挡块施加压力，若该力小于预压力，则墩梁之间无相对位移，可认为墩梁固结；若该力大于预压力，则墩梁之间会产生相对滑移dy，此时墩梁之间相当于安装一个柔性弹簧，瞬间降低桥梁水平刚度，达到减小地震响应的目的。该挡块的力学模型如图1所示，在合理设置预压力情况下，挡块能够控制墩梁之间的相对位移，减小桥墩地震内力。

图1 预压限位挡块力学模型

2 工程概况

以1座常见的一联4跨40 m T梁为研究对象，其桥型布置如图2所示。下部结构采用钢筋混凝土圆形双柱墩。1号和3号桥墩墩高10 m，2号桥墩墩高20 m，桥墩直径2.0 m，材料为C40混凝土。上部结构为预应力混凝土T梁，横向桥设置5榀，材料为C50混凝土。每个桥墩墩顶设置10个GJZ4000×450×84板式橡胶支座，两端桥台各设置5个GJZF4400×450×86滑板橡胶支座。

单位：cm

3 有限元模型

桥墩和上部结构采用梁单元模拟，混凝土材料密度2 500 kg/m3，主梁弹性模量3.45×104MPa，桥墩弹性模量3.25×104MPa，泊松比0.2。单个普通板式橡胶支座水平刚度3.6×103kN/m，滑板支座在模型中采用释放水平自由度模拟，即不考虑滑板支座摩擦力对抗震有利的影响因素。

因采用非线性分析，故选取3条天然地震波(El_centro波、Taft波和天津波)进行模拟分析，地震波最大幅值统一调整为0.15g，模拟Ⅶ度区地震作用。调幅后的El_centro波和Taft波如图3所示。计算结果取3条地震波最大值。由于模型为钢筋混凝土结构，因此结构阻尼比取0.05[11]。计算阻尼比采用瑞雷阻尼[12-15]，并根据桥梁结构第1阶和第20阶自振频率确定瑞雷阻尼系数，其计算公式如下：

(a)El_centro波

(1)

(2)

式中：ω1为桥梁结构第1阶模态圆频率；ω2为桥梁结构第20阶模态圆频率；ξ为桥梁结构阻尼比；α和β为瑞利阻尼系数。

4 采用预压限位挡块的连续梁桥抗震性能

为了对比分析采用预压限位挡块后连续梁桥的抗震性能，对4种模型进行了数值模拟。各个模型选用的支座类型和预压限位挡块参数见表1。限于篇幅，仅分析Taft波作用下的纵桥向减震效果，横桥向还是采用传统的混凝土挡块来抵抗上部结构的横向地震响应。

表1 分析模型参数

采用板式橡胶支座的连续梁桥在不考虑桥墩材料非线性情况下，其体系属于线弹性结构。模型1在Taft地震波作用下，其主梁位移和边墩墩底弯矩如图4所示。由图4可知，主梁纵桥向最大地震位移为6.25 cm，边墩墩底最大弯矩为1.69×107N·m。

(a)梁体纵向位移

采用预压限位挡块的连续梁桥在不考虑桥墩材料非线性情况下，其体系属于非线弹性结构。由于预压限位挡块等效水平刚度与其受力密切相关，当其水平力小于预压力时，其刚度较大，此时整个桥梁结构的水平刚度也较大。当遭遇的地震作用较强时，挡块承受的水平力大于预压力，挡块刚度迅速变小，桥梁结构的整体水平刚度也随之变小，可有效降低地震响应。模型2在Taft地震波作用下，其主梁位移和边墩墩底弯矩如图5所示。由图5可知，主梁纵桥向最大地震位移为8.80 cm，边墩墩底最大弯矩为1.65×106N·m。与模型1相比，其主梁纵向位移有所增大，而边墩墩底弯矩则较大幅度降低，并且时程曲线也呈现不同的特点。

(a)主梁纵向位移

模型3、模型4在Taft波激励下梁体纵向位移时程曲线如图6所示。从图5(a)、图6可以看出，随着预压限位挡块预压力的不断增加，桥梁梁体的纵向位移呈现不同频率特性的响应规律，模型2到模型3再到模型4响应的频率越来越高，能够直观判断结构的水平等效刚度也在逐渐增加。

(a)模型3

4种桥梁模型分别在3条地震波作用下的地震波最大值统计见表2，各模型2号墩、1号墩墩底最大地震弯矩对比如图7所示，各模型2号墩、1号墩墩底最大地震剪力对比如图8所示。

表2 4种桥梁模型分别在3条地震波作用下的地震波最大值

(a)1号墩

(a)1号墩

由表2和图7、图8可以看出，在采用预压限位挡块后，1号桥墩和2号桥墩的墩底地震弯矩和剪力大幅下降，其中模型2的地震内力最小。随着预压限位挡块预压力的逐渐增大，1号和2号桥墩墩底的地震内力(弯矩和剪力)也逐渐增大。从1号和2号桥墩地震内力可以得出如下结论：预压限位挡块对不同高度桥墩均具有减震作用。

各模型梁体最大纵向位移对比如图9所示。由图9可以看出，除模型3的主梁纵桥向位移比模型1小外，模型2和模型4的主梁纵向位移均比模型1大。说明通过优化预压限位挡块的预压力能够显著减小桥梁主梁的地震位移。对于采用预压限位挡块的桥梁结构，如果预压力调整过大或者过小，则上部结构的纵桥向位移有可能大于采用普通橡胶支座结构的纵桥向位移。

图9 各模型梁体最大纵向位移对比

各模型1号墩、2号墩墩顶最大纵向位移对比如图10所示。由图10可以看出，采用预压限位挡块后，1号和2号桥墩的墩顶纵向位移大幅下降，其中模型2桥墩的墩顶位移最小，其原因与前述一致。

(a)1号墩

综上所述，随着挡块预压力的增大，则桥梁的地震内力和位移也随着增大。这是由于安装预压限位挡块桥梁结构的水平等效刚度与预压力直接相关，采用小的预压力可使结构变柔，延长结构的自振周期，减小地震响应。而设置较大预压力的结构刚度较大，随之自振频率也较之变大，这会增大地震响应。

5 结论

本文针对常见的中小跨径连续梁桥，提出一种简单有效的抗震结构体系，即采用滑板橡胶支座和预压限位挡块组合的桥梁结构体系，通过研究，主要认识如下：

1)该体系构造简单、耐久性强，并且通过合理调整挡块参数能够达到减小地震响应的作用。

2)采用预压限位挡块和滑板橡胶支座组合减震系统后，通过系统参数优化，可有效减小连续梁桥的地震位移和地震内力，提高桥梁的抗震性能。

3)随着预压限位挡块的预压力增大，该桥梁结构的等效水平刚度也逐渐增大，其地震响应也会随之增大。

4)预压限位挡块可采用钢结构制作，该结构体系的耐久性能明显优于传统橡胶减隔震支座系统，抗震性能的温度稳定性也优于传统系统。