地震序列作用下板式橡胶支座简支梁桥响应特点研究

2021-09-18潘哲

城市道桥与防洪 2021年8期

潘哲

（杭州市地铁集团有限责任公司，浙江杭州 310000）

0 引言

板式橡胶支座于1936 年第一次实际运用于桥梁工程中，并在第二次世界大战后被广泛运用于桥梁工程中。目前，因板式橡胶支座构造简单、制造容易、成本低廉、安装方便等优点，已替代了原有的刚性支座，被广泛运用于我国公路、市政梁式桥体系中。由于板式橡胶支座的大量运用，汶川地震中，震区简支梁桥出现了新的震害特点。

陈乐生[1]对汶川地震中实际烈度在7～11 度范围内的958 座简支梁桥进行了震害统计，归纳出其主要震害特征为：支座震害多、桥墩震害少；主梁移位多、落梁少。统计表明，在实际烈度7 度及以上的区域，支座的破坏率为16.6%，而桥墩破坏率仅为0.76%；主梁移位率达19.5%，但处于运营状态的桥梁仅有7 跨发生落梁，占桥跨总数（总跨数3 298跨）的0.2%。震区简支梁桥的桥墩及其基础的震害比例大为减小，震害特点与国内外其他地震中简支梁桥的表现明显不同。

肖旭红[2]通过计算分析与振动台试验，定量解释了地震中梁体与板式橡胶支座之间的相对滑动释放了主梁的地震作用是汶川地震中简支梁桥桥墩震害少的主要原因。

范立础等[3]提出对于使用板式橡胶支座的桥梁，地震作用中梁底与支座之间发生的相对滑动，实际上起到了隔震作用，能够有效减少下部结构的地震作用，同时提出对于这种体系桥梁的抗震设计关键是:（1）采用合理的梁体限位装置；（2）设置合理的梁墩搭接长度，将梁体控制在不发生落梁的范围内，以达到减少墩柱地震作用的目的。

最新出版的《公路桥梁抗震设计规范》（JTG/T 2231-01—2020）明确，对于采用板式橡胶支座的桥梁，在E2 地震作用下，当支座抗滑性能不能满足规范要求时，应更换支座类型或按抗震体系类型Ⅱ（减隔震支座）进行抗震设计。

采用板式橡胶支座的简支梁桥多为中小跨径，其数量多、分布广，在E2 地震作用下，板式橡胶支座的抗滑移性能或难以满足规范要求，因此研究板式橡胶支座桥梁在抗震体系类型Ⅱ设计原则下的地震响应特点具有实际意义。本文以地震序列作用下板式橡胶支座简支梁桥支座位移的响应特点为切入点，展开相关研究。

1 地震序列简介

根据地震学的定义，在一定时间区间内，在同一震源区域内发生的具有一定相关性的1 组大小不同的地震总称为地震序列。在地震序列中，震级最大的地震称为主震，发生在主震前的地震称为前震，发生在主震后的地震称为余震。

1.1 地震序列中强余震发生的普遍性

根据文献[4]中关于地震的统计，在发生强地震后可能伴随发生等级较高的余震。文献[5]从结构抗震分析的角度给出了强余震的概念定义：强余震是在同个地震序列中，在主震发生后的20 d 内，发生在同一震源机制下、震级不小于5 级的余震。

吕晓健等[6]对1966 年邢台地震以来我国发生的21 次主震震级大于7 级的地震序列进行了统计研究。统计发现，除了1969 年的渤海地震以外，其余的地震序列中都伴随着强余震。其中，12 次地震序列中发生了震级大于6 级的强余震，占统计总数的57%，强余震发生次数最多的达到31 次。其中包含了多震型地震序列，包括邢台地震序列（发生4 次震级大于6 级的强余震）；龙陵地震序列（发生6 次震级大于6级的强余震）。可见，在强震过后，强余震的发生是比较普遍的。

1.2 考虑强地震序列作用对板式橡胶支座简支梁桥抗震设计的影响

目前的抗震设计中，对于板式橡胶支座简支梁桥地震响应分析，往往选取单次的地震作用展开设计计算。而在实际工程中，在较强的地震序列作用下，桥梁结构将依次受到主震与各余震的地震作用，桥梁结构在主震作用与余震作用下的动力响应有着一定的差异，其主要差异在于，在主震发生前桥梁结构并无损伤，桥梁结构性能良好，而在余震作用下的桥梁结构往往在之前的主（余）震中发生了损伤，使结构性能有所下降。对于板式橡胶支座简支梁桥，在单次地震作用后，梁体与桥墩间将产生残余位移，由于板式橡胶支座没有自恢复能力，这种残余位移将在后续的余震作用中得到累计。可以预想，这种残余位移的累计效应将大大降低桥梁的抗震安全性，增加桥梁发生破坏的可能性。

本文将选取算例，对地震序列作用下板式橡胶支座简支梁桥的响应特点展开研究。

2 算例

2.1 工程概况

桥例为3 跨（3×20 m）预应力混凝土简支梁桥，其主梁由6 片跨径20 m 后张法预应力混凝土预制空心板组成，并简支于下部结构。下部结构桥墩采用双柱柱式墩接钻孔灌注桩基础；桥台采用一字墙桥台扩大基础。支座与伸缩缝的设置见图1 所示的桥型布置图。桥墩处支座采用矩形板式橡胶支座（12×GJZ 250×300×47 mm），桥台处支座采用聚四氟乙烯滑板支座（12×GJZF4 250×300×49 mm）。

图1 桥型布置图（单位：m）

2.2 相关参数选取

2.2.1 支座摩擦系数的选取

本文板式橡胶支座摩擦系数取为0.3，聚四氟乙烯支座摩擦系数取为0.05，不考虑摩擦系数的速度相关性。

2.2.2 地震序列的选取

本文选择同一地震测站所收集到的集集地震主震与余震记录，并进行整理筛选，挑选出具有代表性的主震与余震记录，其参数信息见表1 和图2～图7。

图7 余震2 竖向分量加速度时程

表1 集集地震主震及具有代表性的余震地震信息

图2 主震纵向分量加速度时程

图3 主震竖向分量加速度时程

2.3 计算结果

2.3.1 强地震序列作用下简支梁桥各支座位移时程分析

图4 余震1 纵向分量加速度时程

图5 余震1 竖向分量加速度时程

图6 余震2 纵向分量加速度时程

图8 ～图13 列出了6 个支座在地震序列作用下的位移时程。为方便数据分析，将主震、余震1、余震2 的结构响应时程绘制于同一张图中，其中0～100 s为主震发生时段；100～170 s 为余震1 发生时段；170～240 s 为余震2 发生时段（下同）。

由图8～图13 可知：（1）历次主震、余震过后，各个支座均产生了残余位移，随着地震序列的发生，这种支座位移的残余效应将得到累计，对于整座桥梁而言，这种支座位移的累计效应无疑是危险的，这将加大桥梁破坏的可能性，降低桥梁后续的抗震及运营能力；（2）由于主（余）震后支座残余位移的贡献，余震作用中的支座最大位移要大于主震作用下的支座最大位移，此时余震作用中梁体发生落梁震害的可能性将大于主震情况；（3）主震过后，在余震1、2的作用下，支座位移基本都停留在负值上，这说明在余震的影响下，简支梁所有梁体都向1 号伸缩缝靠近，这将减小1、2 号伸缩缝的实际工作宽度并增大4号伸缩缝的实际工作宽度，那么梁体于1、2 号伸缩缝位置发生碰撞的可能性将有所增大，而梁体于4号伸缩缝处发生碰撞的可能性将减小，并增加了梁体于右侧桥台（6 号支座处）发生落梁的风险。

图8 强地震序列下1 号支座位移

图9 强地震序列下2 号支座位移

图13 强地震序列下6 号支座位移

2.3.2 强地震序列作用下板式橡胶支座简支梁桥伸缩缝碰撞力分析

桥梁结构在伸缩缝处发生分段，伸缩缝左右桥梁构件并非一体，在地震作用中伸缩缝左右构件可能发生碰撞，这种碰撞的发生将导致构件的损伤甚至破坏，对桥梁结构的安全性及震后的正常通行造成不可忽视的影响。强地震序列作用下的桥梁伸缩缝碰撞计算结果见图14～图17。

图10 强地震序列下3 号支座位移

图11 强地震序列下4 号支座位移

图12 强地震序列下5 号支座位移

图14 强地震序列下1 号伸缩缝碰撞力

图15 强地震序列下2 号伸缩缝碰撞力

图16 强地震序列下3 号伸缩缝碰撞力

图17 强地震序列下4 号伸缩缝碰撞力

由图14～图17 可知：（1）在余震作用下，1、2 号伸缩缝处发生的碰撞响应，不管是从碰撞的次数还是碰撞力的大小上，都要强于3、4 号伸缩缝处的碰撞响应（其中4 号伸缩缝处并未发生碰撞响应）；（2）余震作用中，1、2、3 号伸缩缝处均发生了碰撞，并且碰撞力的大小都超过了其在主震作用中的最大碰撞力，这将造成伸缩缝构件的破坏并大大加大梁体、桥台发生局部损伤的可能性。