【摘要】根據(jù)我國目前《公路工程抗震設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定，通常在結(jié)構(gòu)分析中對構(gòu)造措施不予考慮。本文通過一個算例討論了擋塊對隔震橋梁動力響應(yīng)的影響，并對不同類型檔塊對結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)特性的影響進行了分析。
從分析結(jié)果可知，對于隔震橋梁，其響應(yīng)對這些影響因素是比較敏感的，建議在隔震橋梁分析中，應(yīng)根據(jù)實際情況，判別其是否發(fā)揮作用，并在分析模型和設(shè)計中給予適當(dāng)?shù)目紤]。
關(guān)鍵詞 防落梁裝置 隔震 橋梁抗震
一、概述
在遭受大地震時，為了避免落梁等災(zāi)難性損壞，在橋梁構(gòu)造措施中，通常要設(shè)置防落梁裝置等。在上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)之間設(shè)置防落梁裝置，當(dāng)防落梁裝置不發(fā)揮作用時，上部結(jié)構(gòu)可自由振動，當(dāng)其開始發(fā)揮作用時，上部結(jié)構(gòu)的振動受到約束。因此，防落梁裝置等構(gòu)造措施發(fā)揮作用及不發(fā)揮作用時橋梁的動力響應(yīng)和各橋墩分擔(dān)慣性力的關(guān)系是不同的。對于隔震橋梁，為了充分發(fā)揮隔震支座的減震作用，通常要求上部結(jié)構(gòu)的可自由變形比較大，由于隔震橋上部結(jié)構(gòu)較大的變形，導(dǎo)致這些構(gòu)造措施可能在較低水準(zhǔn)地震作用下，就已發(fā)揮作用。但設(shè)置擋塊等防落梁裝置目的是為了限制上部結(jié)構(gòu)與橋墩頂部的相對變形，這也與隔震設(shè)計的原則有一定的沖突。因此，為了設(shè)計合理可靠的隔震橋梁，保證其在地震作用下的預(yù)期性能，必須對防落梁裝置等構(gòu)造措施對隔震橋梁動力特性的影響進行深入的研究。
隨著隔震橋梁在一些國家建造數(shù)量的增加，如新西蘭、日本、美國等，構(gòu)造措施如擋塊等防落梁裝置以及相鄰上部結(jié)構(gòu)碰撞等對隔震橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)影響的研究正逐漸引起一些研究人員的注意，LiMin
Sun、Yozo Goto［1］，對設(shè)有耗能能力的擋塊在不同地震水準(zhǔn)作用下，對限制上部結(jié)構(gòu)與墩頂相對位移及其對結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響進行了分析。分析表明，在中、小地震作用下，可以通過引入檔塊達(dá)到限制上部結(jié)構(gòu)與墩頂相對位移在需求的范圍內(nèi)，且下部結(jié)構(gòu)保持在彈性范圍內(nèi)。但在大地震作用下，設(shè)有擋塊的橋墩將進入非線性。參數(shù)分析表明，擋塊阻尼較大或擋塊間隙較小時，擋塊起到的作用較好，但下部發(fā)生的損傷也較大。川島一彥，長島博之[2]對設(shè)有防落梁裝置的隔震橋進行了振動合試驗研究和理論分析。研究表明，采用碰撞剛度來描述防落梁裝置是可行的，當(dāng)防落裝置發(fā)揮作用時，設(shè)置防落梁裝置的橋墩分擔(dān)的慣性力明顯增加。川島一彥，莊司學(xué)[3]對相鄰梁間設(shè)有橡膠緩沖墊和防落梁連接裝置對減輕上部結(jié)構(gòu)間的相互碰撞進行了研究。分析羨明，約束裝置對橋梁的響應(yīng)影響比較大，約束裝置的阻尼大小對結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響比較小，這是因為其耗能所占比值對整個結(jié)構(gòu)是很小的。文中同時還對應(yīng)變硬化型、應(yīng)變軟化型約束裝置對結(jié)構(gòu)響應(yīng)影響進行了比較，發(fā)現(xiàn)應(yīng)變硬化型約束裝置對限制上部結(jié)構(gòu)相對變形和整個結(jié)構(gòu)的響應(yīng)比較有效。R．Jankowski，K．Wilde，Y．Fujino[4]對隔震橋縱橋向、橫橋向在地震作用下，上部結(jié)構(gòu)相鄰梁間的碰撞進行了分析，分析參數(shù)包括相鄰梁間距、地震波特性、行波效應(yīng)等因素。研究表明，碰撞對整個結(jié)構(gòu)的響應(yīng)影響是比較大的，隨相鄰梁間距由小到大的變化，下部結(jié)構(gòu)最大剪力也由小逐漸增加并達(dá)到最大值，隨后減小，直到不發(fā)生碰撞為止。行波效應(yīng)中波速對碰撞及結(jié)構(gòu)響應(yīng)影響也比較重要，橫橋向所受影響相對縱橋向比較小。
從國內(nèi)目前的研究情況看，研究的比較少。同濟大學(xué)葉愛君在博士論文中對縱橫向擋塊設(shè)置方式進行了分析比較，橋臺在縱向?qū)χ髁旱南尬蛔饔脤φw結(jié)構(gòu)的抗震是有利的，橫橋向擋塊與主梁間不設(shè)間隙對橋墩抗震是有利的，橡膠擋塊的設(shè)置可降低橋墩的受力。從我國目前的規(guī)范可知，在橋梁的抗震分析和設(shè)計中均不直接考慮構(gòu)造措施對結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的影響，僅是從構(gòu)造要求而設(shè)置，但這可能存在以下幾個問題：
其一，有些構(gòu)造裝置在中等地震作用下，就開始發(fā)揮作用，影響結(jié)構(gòu)的響應(yīng)和傳力路徑，如擋塊、防落梁裝置等，而在分析煤型中對此沒有考慮，似有不妥。
其二，構(gòu)造措施是針對大地震而設(shè)置的，即，希望其在大地震作用下發(fā)揮作用，但目前設(shè)置的裝置究竟在大震下性能如何，這些裝置在大地震下又是如何影響結(jié)構(gòu)的性能和傳力路徑的，都是未知的。但從震害調(diào)查表明[5],[6]，構(gòu)造措施在結(jié)構(gòu)抗震中起的作用比較大，當(dāng)構(gòu)造措施發(fā)揮作用時，其傳力路徑已發(fā)生較大變化。隨著對橋梁抗震性能目標(biāo)要求的日趨明確、嚴(yán)格，針對較高水準(zhǔn)地震的作用，必須在分析模型中考慮這些裝置的影響。
二、算例
下面針對一個采用隔震設(shè)計的三跨連續(xù)梁橋縱橋向進行分析，討論擋塊對隔震橋梁動力響應(yīng)的影響，并對不同檔塊剛度、擋塊類型進行比較。假定在兩個橋臺處設(shè)置縱向限位擋塊，以達(dá)到限制上部結(jié)構(gòu)縱向相對橋墩頂部的變形。該橋分析模型見圖1，2號、3號橋墩高度為6m。地震波僅取EI－centro波，加速度峰值為0.4g；兩類擋塊分析模型見圖2，類型Ⅰ模似橡膠類型的彈性擋塊，類型Ⅱ近似反映混凝土擋塊，表1
結(jié)出了分析工況和計算結(jié)果。
從表1可知，當(dāng)在上部結(jié)構(gòu)梁兩端橋臺處設(shè)置限位擋塊后，各橋墩處上部結(jié)構(gòu)與墩頂?shù)南鄬ξ灰拼_實得到了約束，但在限制位移的同時，設(shè)置擋塊的橋臺也同時承擔(dān)了很大的沖擊力。總的說來，在連續(xù)梁橋縱橋向設(shè)置擋塊，對于不設(shè)檔塊的其它橋墩，所承擔(dān)的慣性力有減小的趨勢，但對于設(shè)置擋塊的橋臺或橋墩，在擋塊發(fā)揮作用時，由于上部結(jié)構(gòu)與擋塊的碰撞，將承擔(dān)較大的沖擊力，且隨擋塊剛度的增加，在增強限位能力的同時。擋塊的抗力和設(shè)置擋塊的橋臺或橋墩所承擔(dān)的力也跟著迅速增大。圖3給出設(shè)置不同剛度的擋塊時，擋塊的抗力及碰撞隨時間的變化關(guān)系圖。從圖中可直觀看出，擋塊剛度增加，擋塊抗力峰值增大，且擋塊與上部結(jié)構(gòu)相互作用的時間也縮短，即沖擊力增加。因此，在設(shè)置擋塊時，對擋塊剛度的選擇應(yīng)給予注意。此外，為了比較橡膠擋塊和混凝土擋塊對隔震橋響應(yīng)的影響，分析中取橡膠檔塊的第二剛度與混凝土擋塊的剛度相同，擋塊間距相同的條件下進行響應(yīng)分析，從圖3中橡膠擋塊與混凝土擋塊的響應(yīng)值可知，由于橡膠擋塊初始剛度較低，起到了應(yīng)有的緩沖作用，橡膠擋塊的內(nèi)力和設(shè)有擋塊的橋合所承擔(dān)的慣性力同混凝土擋塊相比顯著降低，但其對上部結(jié)構(gòu)與墩頂相對位移的約束也有所減弱。圖4．5給出設(shè)置擋塊后隔震橋動力響應(yīng)與不設(shè)檔塊動力響應(yīng)的比較，從圖中可直觀看出，擋塊的設(shè)置，在其發(fā)揮作用限制上部結(jié)構(gòu)與敬頂相對位移的同時，改變了橋墩的受力，即結(jié)構(gòu)的響應(yīng)特性發(fā)生了變化。
三、結(jié)論
通過一系列分析表明，設(shè)置防落梁等構(gòu)造措施后，當(dāng)發(fā)揮作用時，對隔震橋響應(yīng)的主要影響有以下幾個方面，其一，其在限制上部結(jié)構(gòu)相對位移的同時，由于擋塊與上部結(jié)構(gòu)的碰撞，作用于設(shè)有擋塊的橋臺或橋墩的所承擔(dān)的地震力顯著增大；其二，改變了不設(shè)檔塊橋墩所承擔(dān)的地震力；其三，擋塊類型、剛度、擋塊間距等參數(shù)的選擇對擋塊在橋梁中發(fā)揮的作用及對隔震橋動力響應(yīng)的影響差異十分明顯。對于隔震橋梁，由于隔震支座的引入，總的說來，上部結(jié)構(gòu)的變形增加，設(shè)置的擋塊等防落梁裝置在地震作用下同傳統(tǒng)橋梁相比，更易較早的發(fā)揮作用，且從上邊的分析可知，其對響應(yīng)的影響也較大。
通過本文的研究表明，防落梁裝置等的設(shè)置對橋梁的動力響應(yīng)特性影響比較重要。因此，建議在進行隔震橋梁設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)擋塊等防落梁裝置是否起作用，在分析模型中給予考慮，而不應(yīng)向傳統(tǒng)橋梁抗震設(shè)計一樣，僅認(rèn)為防落梁裝置為構(gòu)造措施，而在分析中不予考慮。此外，應(yīng)對擋塊類型、各參數(shù)的選擇給予充分的注意，最好是通過分析來協(xié)助選取合理的參數(shù)，以切實保證能達(dá)到預(yù)期的抗震性能目標(biāo)。
參考文獻
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