基于不同挡块分析模型的连续梁桥横向抗震性能研究

摘要：以西南地区高速公路中一联连续梁为依托建立有限元模型，分别设置不同的挡块数学分析模型进行横向非线性时程分析，对比桥梁的地震响应研究盖梁挡块的抗震性能。分析表明：地震发生时，挡块的设置能够一定程度上限制墩梁之间相对位移，但会使下部结构抗震需求变大。在地震力相对小时，设置挡块的不同分析模型时桥梁的横向地震响应相差不多；当地震力足够大时，考虑挡块损伤模型分析桥梁的横向抗震性能更为合理。

关键词：横向碰撞"时程分析"挡块模型"地震响应

Research"on"Lateral"Seismic"Performance"of"Continuous"Beam"Bridges"Based"on

Different"Block"Analysis"Models

SUN"Bingcan""WANG"Mingshuan

Zhengzhou"Metal"Products"Research"Institute"Co.，"Ltd.，"Sinosteel"Group"Co.，"Ltd.，

Zhengzhou，"He’nan"Province，"450000"China

Abstract："A"finite"element"model"is"established"based"on"anbsp;continuous"beam"of"a"highway"in"the"southwest"region"of"China."Different"mathematical"analysis"models"are"set"up"for"lateral"nonlinear"time-history"analysis，"and"the"seismic"response"of"the"bridge"is"compared"to"study"the"seismic"performance"of"the"cover"beam"blocks."Analysis"shows："when"an"earthquake"occurs，"the"setting"of"blocks"can"to"some"extent"limit"the"relative"displacement"between"piers"and"beams，"but"it"will"increase"the"seismic"demand"of"the"lower"structure."When"the"seismic"force"is"relatively"small，"the"lateral"seismic"response"of"the"bridge"does"not"differ"much"when"different"analysis"models"with"blocking"blocks"are"set;"When"the"seismic"force"is"strong"enough，"it"is"more"reasonable"to"consider"the"damage"model"of"the"retaining"block"to"analyze"the"lateral"seismic"performance"of"the"bridge.

Key"Words："Lateral"collision;"Time-history"analysis;"Block"model;"Seismic"response

地震导致桥梁挡块破坏[1]普遍比较严重，其中，桥梁主梁和盖梁挡块的横向碰撞问题，以及碰撞所导致的下部结构地震响应被普遍认为是影响桥梁的横向抗震的重要因素。在对碰撞研究过程中，众多学者有不同的分析和研究进展。石岩等人[2]对正斜交简支梁桥、连续梁桥与非规则梁桥、斜交桥、高速铁路梁桥的横向碰撞体积限位装置的研究进展进行了总结，其中提到利用减隔震技术是解决桥梁抗震的新思路。

在对盖梁挡块本身的抗震性能研究中，众多学者研究出了许多新型挡块。顾鑫等人[3]基于蜂窝结构面并结合保险丝理念研究出蜂窝芯型挡块，与混凝土挡块相比，蜂窝挡块有延性变形能力、耗地震能量能力强的特点。董俊等人[4]在典型连续梁桥关键构件的地震易损性分析中，研究了钢筋混凝土名义强度和初始间隙对桥梁各关键构件地震易损性的影响规律，提出了高烈度区典型公路连续梁桥钢筋混凝土挡块合理设计参数取值范围。王秋懿等人[5]等在X形钢挡块的研究中表明，合理设置横向约束程度使结构横向地震响应分布均匀，且结构各关键截面内力随着挡块约束程度增加而增加。

1""有限元模拟与地震动输入

本文选取西南地区某高速公路中的一联为研究对象，建立三维空间有限元分析模型，研究比较不同受力模型挡块的横向抗震性能。该桥梁整体施工为简支变连续施工，桥跨为4×30"m，上部结构为预制小箱梁，下部结构为钻孔灌注桩，桥梁支座为板式橡胶支座。考虑橡胶支座的滑动[6]特性，挡块施工时，与盖梁整体浇筑，为钢筋混凝土挡块，挡块模拟做法是在主梁两侧处向下延伸钢臂与盖梁向上延伸钢臂之间用单元连接，采用有限元软件进行模拟（如图1所示）。

选取之前发生的地震记录（如表1所示），输入所选地震波的作用时程和频谱特性，对每一条地震记录按照比例进行缩放或扩大，截取前30"s后，对所选的地震波加速度峰值进行调幅横向输入，分别设置为0.2"g和0.8"g，同时对5条地震记录的桥梁地震响应的平均值结果进行统计。

2""不同挡块分析模型的地震响应对比

将挡块和盖梁之间的初始间隙设置为60"mm，分别设置4种工况来研究挡块的抗震效果，以及对比不同挡块的受力模型桥梁的抗震性能。本次以2#墩处的地震响应进行对比分析。

工况一：主梁与盖梁之间不设置挡块。

工况二：主梁和挡块之间使用线弹性模型，主梁与盖梁之间弹簧刚度为2.6×105"kN/m。

工况三：主梁和挡块之间使用弹塑性模型，主梁与盖梁之间弹簧刚度为2.6×105"kN/m，在挡块位移为2.6"mm时，弹簧刚度折减为0。

工况四：主梁和挡块之间使用多线段自定义模型，主梁和盖梁之间用2个多线段的弹簧单元，分别代表钢筋和混凝土的贡献。

从挡块与盖梁在地震作用下的碰撞力时程分析（如图2所示）中可以看出，在0～30"s内没有碰撞力产生，当地震发生时，主梁横向移动的范围还处于初始间隙范围内，随着地震力继续作用，在第6"s时，主梁和盖梁之间发生瞬时碰撞。

对比工况一和工况二的地震响应（如图3所示），可以明显看出，没有挡块设置时，地震力作用上部结构和下部结构之间刚度不一致，对于地震的响应不一致，上、下部结构的相对位移越来越大，设置挡块限制了主梁的过大位移，说明挡块的设置能够减少墩梁相对位移，在一定程度上能够阻止落梁震害发生。通过桥墩地震响应来看，有挡块设置的桥墩的墩底剪力比无挡块的大，说明在地震时，有挡块的上、下部结构碰撞中，碰撞的地震能量会通过挡块传递给下部结构桥墩，会使下部结构地震需求量变大。

从不同地震力下挡块滞回曲线（如图4所示）对比来看，地震力小时，主梁与挡块碰撞后，挡块产生变形，3种挡块模型滞回曲线一致。当地震力大时，3种工况一致保持弹性，工况二挡块变形最大位移达到一定位移后没有持续增加，工况三挡块位移和滞回退化模型挡块随着地震作用挡块变形都越来越大，工况四挡块位移更大，可以看出，当地震能量一定的情况下，有刚度折减特性的挡块变形更大，同时力与位移曲线的包络面积更大，说明能消耗的地震能量更多。

地震力增加时，墩梁相对位移时程曲线（如图5所示）中，工况三、工况四的墩梁相对位移比完全弹性模型墩梁相对位移大。工况二挡块没有屈服阶段，力与位移一直保持一定的刚度，过程中类似弹簧，地震力增加，挡块一直保持恒定刚度，墩梁相对位移一直比较小，没有持续增加。有刚度退化的模型，对比工况二，另外两种模型挡块所能抵抗地震的能力就会降低，但随着地震力作用，挡块变形就会越来越大，再加上主梁与桥墩刚度不一致，主梁与桥墩之间的相对位移会越来越大。

从墩梁地震响应（如图6所示）来看，地震力小时，无论是墩梁相对位移，还是下部结构墩的地震响应，时程曲线都是一致的。随着地震力的增加，有刚度退化的工况三、工况四桥墩的地震响应明显小于工况二，表明有刚度折减的挡块能够消耗一部分地震能量。

3""结语

地震时挡块的设置能够有效控制墩梁之间产生过大相对位移，但是，上、下部结构碰撞上部结构的地震能量会通过挡块传递给下部结构，同样会使下部结构地震需求变大。地震力相对小时，挡块不同分析模型抗震效果无过多差异，且下部结构的地震响应相差不多，在设计施工时，挡块可仅作构造设施考虑；当地震力相对大时，研究地震的横向抗震性能时，考虑挡块刚度折减更接近实际情况。

参考文献

[1]"唐伟健，王东升，张蒙，等.桥梁震害的历史回顾（下）"[J]."地震工程与工程振动，2021，41（5）："90-105

[2]"石岩，王军文，秦洪果，等.桥梁横向地震碰撞响应研究进展[J].石家庄铁道大学学报（自然科学版），2012，25（1）：20-24.

[3]"顾鑫，常军.蜂窝芯型挡块的设计及抗震性能研究[J].噪声与振动控制，2023，43（6）：270-274，294.

[4]"董俊，文娟娟，杨转运.高烈度区典型连续梁桥限位挡块设计参数研究[J].铁道科学与工程学报，2022，19"（12）："3678-3692.

[5]"王秋懿，谭文明，马明娟.X形钢挡块横向约束程度对公路桥梁抗震性能的影响[J].结构工程师，2022，38（4）："90-95.

[6]"苏俊，葛雄，魏征，等.地震作用下简支板梁桥横向滑移效应分析[J].公路工程，2021，46（3）：39-44，117.