簡支梁橋地震損傷演變過程分析及抗震設計建議

鐘聞華，游 新

(青海省交通規(guī)劃設計研究院有限公司，西寧 810008)

簡支梁橋是我國橋梁建設中使用最廣泛的橋型，其設計構造上一般采用板式橡膠支座作為支承，在橫橋向設置混凝土擋塊。在抗震設計理念上，簡支梁橋仍采用延性抗震設計方法，通過引入能力保護設計原則、延性構造細節(jié)和抗震措施來確保結構遭遇地震時滿足設防目標要求[1]。然而，在近期發(fā)生的地震中，采用板式橡膠支座的簡支梁橋震害主要表現(xiàn)為主梁移位、支座剪切變形或滑移、擋塊剪切破壞，而橋墩破壞率較低[2-3]。這種震害表現(xiàn)跟預期結構地震響應稍有差別，這引起了學者的廣泛關注。

對于板式橡膠支座的力學特性，李沖等[4]探討了不同壓應力下單面錨固板式橡膠支座的摩擦滑移、剛度及滯回耗能特性；李瑞[5]對不同錨固條件下板式橡膠支座進行了試驗，研究了3種不同連接方式的支座在不同加載工況下的本構關系；項乃亮等[6]對單面錨固形式支座與鋼板間的滑動摩擦效應進行了足尺試驗研究，并提出了力學模型。對于橫向混凝土擋塊，在近年來地震中，混凝土擋塊起到了較好的限位作用，且損傷比較普遍，各國學者對混凝土擋塊進行了大量試驗研究。Megally等[7-8]最早對混凝土擋塊進行了試驗研究，重新校核了已有擋塊能力設計公式的有效性及提供可用于準確計算擋塊能力的數(shù)值模型；汶川地震后，徐略勤等[9-11]基于混凝土擋塊試驗研究結果，提出了修正的滑移剛體模型，并設計了可保證損傷僅局限于擋塊處而蓋梁與臺帽基本完好的新型擋塊；鄭萬山等[12]對5個擋塊進行了試驗，提出了擋塊抗震能力計算公式，研究成果可為擋塊精細化設計計算提供理論依據(jù)。然而在改進采用板式橡膠支座簡支梁橋的抗震設計方法和量化抗震構造設計細節(jié)上還需進一步研究。

本文以一典型的3跨板式橡膠支座的簡支梁橋為研究對象，采用增量動力分析方法，對不同水平地震作用下結構構件損傷順序和損傷狀態(tài)進行分析，揭示簡支梁橋地震損傷過程，并探討相關重要因素的影響，以期為簡支梁橋的抗震設計方法改進及抗震構造措施設計提供參考。

1 工程背景及有限元建模

1.1 工程概況

選取1座單跨跨徑為30 m的3跨簡支梁橋進行分析。主梁由4片高1.5 m的小箱梁組成，每片主梁兩端由2個板式橡膠支座支承。橋墩為圓形雙柱式橋墩，單柱直徑1.6 m，墩高8 m，間距6.8 m。橋墩縱筋為32根直徑28 mm的HRB400鋼筋。蓋梁長10.8 m，寬1.8 m，高1.5 m。在墩臺橫橋向設置混凝土擋塊，初始間距2 cm。主梁采用C50混凝土，橋墩采用C30混凝土。橋址為Ⅱ類場地，抗震設防烈度為Ⅶ級。

1.2 有限元模型建立

采用OpenSees建立全橋有限元模型，如圖1所示，橋梁支座、鋼筋混凝土擋塊、橋臺和梁間縫單元等關鍵構件的本構模型如圖2所示。采用三維彈性梁單元來模擬主梁和蓋梁，采用平滑動支座單元(flatSliderBearing)來模擬板式橡膠支座，如圖2(a)所示，支座摩擦系數(shù)μ取0.20，屈服力Fd=μN(N為支座豎向反力，kN)。為考慮主梁與鋼筋混凝土擋塊間的碰撞作用，在OpenSees中可采用一縫(Gap)單元與鋼筋混凝土擋塊模型串聯(lián)，其中鋼筋混凝土擋塊模型參考湯虎等[13]建議的鋼筋混凝土擋塊簡化滯回模型，該模型建議采用2個并聯(lián)的滯回材料模型來分別模擬混凝土和鋼筋的貢獻，鋼筋混凝土擋塊的簡化滯回模型如圖2(b)所示，模型關鍵參數(shù)計算值如表1所示。對于橋臺，可將一彈塑性材料屬性賦予給一零長度(ZeroLength)單元，并通過串聯(lián)一個縫(Gap)單元來考慮主梁與橋臺間的碰撞，如圖2(c)所示，彈塑性材料力學參數(shù)參考Caltrans[14]，其中，剛度Kabut=1.26×106kN/m，屈服力Fy=1 674 kN。主梁間的碰撞采用剛度較大的縫(Gap)單元來模擬，如圖2(d)所示，剛度值Kg可取1×107kN/m。不考慮樁-土相互作用，墩底固結。

根據(jù)場地類別，建立目標譜[15]，生成3條人工地震波，其對應的反應譜、均值譜及目標譜如圖3所示。均值譜與目標譜相匹配，并沿縱橋向和橫橋向分別輸入，最終結果取3條地震波分析結果的最大值。本文采用增量動力分析方法，將3條地震波的峰值加速度由0.1g逐漸增加到0.8g。

(a) 三維視圖

表1 工程案例橋梁鋼筋混凝土擋塊模型關鍵參數(shù)計算值

圖3 分析用地震動反應譜和目標譜

2 簡支梁橋地震損傷過程分析

2.1 主要構件損傷狀態(tài)及指標

將橋梁各主要構件損傷狀態(tài)劃分為5級，即無損傷、輕微損傷、中等損傷、嚴重損傷及完全破壞。其中，以支座位移[16]、擋塊頂部位移[13]及橋墩曲率來分別建立支座、擋塊及橋墩的損傷指標；對于橋臺，其損傷狀態(tài)參考文獻[17]建立，具體信息如表2所示。

2.2 橫橋向損傷

1) 支座及擋塊位移

將生成的3條地震動沿橫橋向分別輸入，最終結果取3條地震波分析結果的最大值。P1號橋墩處支座在不同峰值地震加速度時的最大橫向位移值如圖4所示。由圖4可以看出，支座在 0.3g時超過了臨界滑移值，說明支座開始滑動，發(fā)生了輕微損傷。地震峰值加速度(PGA)達到0.4g時，支座發(fā)生中等損傷。當PGA為0.5g時，支座位移達到118.6 cm，此時支座出現(xiàn)了部分出現(xiàn)脫空，支座進入嚴重損傷狀態(tài)。當PGA達到0.7g時，支座發(fā)生完全破壞，支座將可能出現(xiàn)完全脫落。

表2 主要受力構件損傷狀態(tài)及指標

圖4 支座與擋塊位移響應

由圖4還可以看出，由于擋塊與主梁初始間距較小，在 0.1g時，主梁與擋塊發(fā)生碰撞，且隨后擋塊便進入輕微損傷狀態(tài)。在PGA為0.4g時，擋塊位移為79.2 mm，即發(fā)生了嚴重損傷。在PGA為0.7g時，擋塊完全破壞，失去了限位作用。

2) 橋墩響應

不同PGA時,P1-1號橋墩墩底曲率如圖5所示。由圖5可以看出，在PGA小于0.3g時，墩底曲率小于1.30×10-31/m，橋墩未發(fā)生損傷。PGA達到0.3g后，橋墩發(fā)生輕微損傷，橋墩墩身出現(xiàn)明顯裂縫，且部分鋼筋開始屈服。在PGA達到0.5g后，橋墩進入中等損傷，局部混凝土保護層出現(xiàn)壓碎和剝落，塑性鉸基本形成。但此后墩底曲率增加幅值較小，且未有破壞狀態(tài)改變。

圖5 橋墩橫向曲率變化

2.3 縱橋向損傷

1) 支座及橋臺位移

1號橋墩處支座在不同峰值地震加速度時的最大縱向位移值如圖6所示。由圖6可以看出，支座在 0.2g時超過了臨界滑移值，支座發(fā)生滑動，進入輕微損傷狀態(tài)。在PGA到0.3g時，支座發(fā)生中等損傷；在PGA達到0.7g時，支座位移為120.5 mm，支座進入嚴重損傷狀態(tài)。直到PGA達到0.8g，支座縱向位移也未超過174 mm，未進入嚴重損傷狀態(tài)。其主要原因是縱橋向相鄰跨和橋臺之間起到了相互限位的作用。

圖6 支座縱橋向位移

由圖6還可以看出，在0.3g時，主梁與橋臺發(fā)生了碰撞，且在PGA為0.4g時，橋臺位移為15.67 mm，橋臺發(fā)生屈服，進入了輕微損傷狀態(tài)。直到PGA為0.8g，橋臺最大位移為51.5 mm，橋臺剛進入中等損傷狀態(tài)。

2) 橋墩響應

不同PGA時，P1-1號橋墩墩底縱橋向曲率如圖7所示。由圖7可以看出，在PGA小于0.3g時，墩底曲率小于1.30×10-31/m，橋墩未發(fā)生損傷。在PGA達到0.3g后，橋墩發(fā)生輕微損傷，橋墩墩身出現(xiàn)明顯裂縫，且部分鋼筋開始屈服。在PGA達到0.4g后，橋墩進入中等損傷，局部混凝土保護層出現(xiàn)壓碎和剝落，塑性鉸基本形成。直到PGA為0.8g時，橋墩未進入嚴重損傷狀態(tài)。

圖7 橋墩縱向曲率變化

2.4 簡支梁橋損傷模式

根據(jù)上述構件損傷狀態(tài)分析可知，支座與橫橋向擋塊是最先發(fā)生損傷而且是損失最嚴重的構件，而橋墩損傷相對較輕，橋臺最遲發(fā)生損傷且損傷最輕。主要是因為板式橡膠支座通常是活動式的，沒有施加錨固措施，地震作用下易發(fā)生剪切變形及滑移，帶動了主梁移位，導致主梁與擋塊及橋臺發(fā)生碰撞，同時滑移起到一定的隔震作用，減輕了橋墩所受的地震力。簡支梁橋損傷過程及損傷狀態(tài)與近年來我國地震中采用板式橡膠支座的簡支梁橋實際震害相近。

3 簡支梁橋地震損傷影響因素分析

3.1 結構型式

為分析不同結構型式下結構的地震響應，將簡支梁橋研究對象改為相同條件的3×30 m的連續(xù)梁橋，并對2種橋型在縱橫橋向地震響應進行對比分析。2種結構橋墩墩底曲率對比如圖8所示。由圖8可以看出，2種結構橋墩損傷情況相似，發(fā)生損傷的狀態(tài)一樣，在PGA達到0.8g也僅處于中等損傷。

圖8 墩底曲率對比

2種結構橋臺位移對比如圖9所示。由圖9可以看出，連續(xù)梁橋結構的橋臺位移要明顯大于簡支梁橋，主因是連續(xù)梁橋上部結構質量大，產生的碰撞作用就更大。因此，對于采用板式橡膠支座的連續(xù)梁橋，更需要設置縱向限位。在主梁縱向碰撞方面，簡支梁橋要優(yōu)于連續(xù)梁橋，但簡支梁橋也需在伸縮縫處增加緩撞裝置。

3.2 支座摩擦系數(shù)

板式橡膠支座作為連接上下部結構的關鍵構件，其摩擦特性對上下部結構影響較大，對比分析了不同摩擦系數(shù)對支座位移及橋墩曲率的影響，如圖10、圖11所示。但限于篇幅，此處僅列出橫橋向響應對比情況。由圖10可以看出，支座摩擦系數(shù)對橋墩地震響應影響較大，墩底曲率隨著摩擦系數(shù)增加而增大，且PGA越大差值越大。由圖11可以看出，在PGA小于0.3g時，支座僅發(fā)生剪切變形，位移值相差較小。而隨著PGA增大，支座摩擦系數(shù)對支座位移影響增大，且有摩擦系數(shù)越大支座位移相對較小的趨勢。因此，支座摩擦系數(shù)對結構上下部結構影響較大，在采用板式橡膠支座的橋梁中可通過有效的措施來選擇合理的支座摩擦系數(shù)。

圖9 橋臺位移對比

圖10 摩擦系數(shù)對墩底曲率的影響

圖11 摩擦系數(shù)對支座位移的影響

4 結論

本文采用IDA分析方法分析了不同水平地震作用下簡支梁橋主要受力構件的地震響應，并討論了相關影響因素，主要結論如下：

1) 增量動力分析結果表明，板式橡膠支座和擋塊是簡支梁橋中最易損部位，但同時也起到結構地震保護的作用，下部結構損傷較輕，分析過程較好揭示了地震中簡支梁橋地震損傷過程。

2) 從抗震角度來看，相同條件下簡支梁橋主梁縱向碰撞作用小于連續(xù)梁橋，但由于簡支梁橋的橋面不連續(xù)性，需考慮增加梁間的防撞措施。

3) 支座摩擦系數(shù)對橋梁上下部結構地震響應影響較大。隨著支座摩擦系數(shù)增加，橋墩地震響應會增大，而支座位移會有減小。因此，可通過設計合理的支座摩擦系數(shù)來使結構損傷整體較小。