梁侧横向挡块间隙设置对桥梁结构抗震响应分析

.规范El 反应谱
123456789 10 11
周期/S 图1
规范E l 反应谱与安评谱对比图
寻求强震作用下挡块的合理设置将十分有意义。

挡
块设计中最关键的两个方面即初始间隙和刚度，本 文着重对初始间隙进行研究。

初始间隙的设置，通常考虑施工的便利，实际运 用中随意性较大。

而不合理的间隙值，有可能使上部 结构在碰撞中损坏，同时会对桥梁下部结构抗震性
能产生不利影响。

国内外部分学者，在研究上部结构 与横向抗震挡块间的碰撞效应时发现，挡块的初始 间隙对结构的地震响应影响很大。

综上所述，本文结 合某实际工程，通过分析不同初始间隙下桥梁结构 对地震的响应，探讨挡块初始间隙的合理设置，以达 到强震作用下对桥梁下部结构的保护。

1
项目概况
本桥为装配式预应力混凝土连续T 梁桥，路基
0.45n ---------------------------------0
引g
近几十年来，世界范围内地震频发，特别是几次 大地震均造成了重大的人员伤亡和国民经济损失， 也对桥梁抗震设计理论产生了深远影响。

各种桥梁 震害中，落梁是比较突出且严重的，因此防止落梁也 成为桥梁抗震设计中重点关注点之一，而盖梁端部 设置的防震挡块是常见又实用的横向防落梁措施, 在桥梁设计中普遍采用。

常规的混凝土挡块设计中一般认为通过增大截 面或配筋以提高挡块的刚度，以此来抵御地震效应， 因此挡块应“越强越好”。

从最近几次震害调查中发 现，中小地震下横向抗震挡块等限位装置确实是越 强越好[11,因为它能很好地控制上部结构横向变位， 从而防止落梁。

但在强震作用下，其结果往往并非如 此。

上部结构的地震惯性力大部分甚至全部会通过 挡块传递给下部结构和基础，挡块如果过于强大，在 间隙较小的情况下，常用的板式橡胶支座不能充分 发挥其减震作用，传递的地震力将会对下部结构造 成严重损伤，不利于震后修复，更有甚者发生倒塌, 造成人员伤亡及重大经济损失。

目前国内现行的《公 路桥梁抗震设计规范》|2]、《城市桥梁抗震设计规范》[31 仅对挡块的设计提出一些概念或措施，对于挡块刚 度设计方法及构造要求均没有明确规定。

实际设计 中，往往也不区别烈度仅根据经验设置挡块。

因此，
第5期(总第266期） 山西交通科技
No .5
2020 年 10 月
SHANXI SCIENCE & TECHNOLOGY of COMMUNICATIONS _______________Oct .
梁侧横向挡块间隙设置对桥梁结构抗震响应分析
张科峰
(山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西太原
030032)
摘要:根据单墩横向简化力学模型，分析了桥梁横向各构件间的刚度关系；以一座装配式
预应力混凝土T 梁为分析对象，利用空间有限元分析软件Midas Civil 建立4 X
50 m —联的三维
模型，输入安评报告提供的3条地震波，研究其在不同挡块初始间隙下的地震响应。

通过分析桥 墩、桩基、挡块碰撞及支座剪切变形随初始间隙的变化规律，得出随着间隙的增大桥墩及桩基 内力整体上均呈减小趋势，在强震下适当增大挡块初始间隙有利于桥梁抗震。

但挡块的碰撞力 与间隙的变化不是十分规律，因此随意选取间隙是不合理的，在特殊情况下可能是不安全的。

关键词：分析模型；地震波;挡块初始间隙；桥墩;桩基
中图分类号:U 442.55 文献标识码：A 文章编号：1006-3528(2020)05-0053-05
40
35302520151005
收稿日期：2020-09-04;修回日期：2020-09-24
作者简介:张科峰(1983-),男，陕西眉县人，高级工程师，工程硕士,2007年毕业于长安大学桥梁工程专业。

•54-山西交通科技
2020年第5期
i
宽度26 m ，设计速度100 km /h ,桥面净宽2 x 12.75 m , 设计荷载采用公路I 级。

桥址区位于黄土高台塬区， 整体地势相对平缓，冲沟普遍发育，呈典型的“鸡爪” 地形;局部沟壁稍陡，切割强烈，呈“V ”或“U ”字形。

根据工程地质调绘及《中国地震动参数区划图》(GB 18306—2015 )，项目区地震基本烈度为V D 度，地震动安评报告，桥址区E 1地震反应谱明显放大,两者对 比见图1,其最大值提高了约2.07倍，为更接近实际, 本桥的抗震计算偏安全采用安评报告提供的地震参 数。

上部结构采用4 x 50 m —联的先简支后结构连 续预应力混凝土T 梁，分幅设置，单幅横向采用6片T b .侧面
图3
墩身一般横断面图
连续墩支座采用HDR 高阻尼隔震橡胶支座，型 号为HDR ( I )570 x 620 x 247-G 1.0;分联墩采用LNR 滑动型橡胶支座，型号为LNR (H )370x 470x 147。

基 础采用整体式群桩基础，桩径D =1.8 m ，一般构造如 图4所示。

卞
I
w
_*>4 ru 模型可如图5表
示，其中&代表盖梁、桥墩及基础的集成刚度,&代 表板式橡胶支座刚度，&代表防撞挡块刚度，M 代表 上部结构质量，A 代表挡块与主梁间初始间隙。

从模
型中可以看出，当主梁与桥墩间的相对位移A d 小于
A 时，挡块不会受到撞击，此时桥梁横向刚度为&与
Kh K
&串联后的合成刚度，即&=
K^+K
•,主梁受到的水峰值加速度〇.15g ,反应谱特征周期为0.40 s 。

而根据
梁，上部结构典型横断面如图2所示。

2600/2
图2上部结构典型横断面图（单位:cm )
下部结构盖梁采用矩形钢筋混凝土盖梁，距盖 梁端部各15 cm 设置混凝土防震挡块，挡块宽40 cm ,高60 cm ,长度方向与盖梁纵桥向同宽。

桥墩采用等 截面矩形空心薄壁墩，横向宽6.5 m ,纵向根据墩高 不同分别采用fi =2.5 m 、B =3.0 m 和B =3.5 m ,外侧四 角均设置/?=15 cm 的圆倒角，内侧设置40 x 40 cm 倒 角，壁厚纵横向均采用60 cm ,墩高大于45 m 时墩身 中部设置一道横隔板。

本次模型分析中的一联桥梁 桥墩纵向宽度fi =2.5 m ,墩高均为40 m ,墩身一般横 断面见图3。

I-I
图4
桥墩一般构造图
2
计算模型
2020年第5期张科峰：梁侧横向挡块间隙设置对桥梁结构抗震响应分析•55.
平力与位移关系为/>尺&。

当主梁与桥墩间的横向
相对位移A d大于4时，挡块受到撞击开始参与工
作，主梁受到的惯性力通过支座和挡块传递给桥墩,
此时横向刚度为尺1)与/：。

并联再与&串联后的合成刚
度，即尺2=队+尺具
K+Kb+Ka
，主梁受到的水平力/^/^。

+尺2
，主梁受力与墩梁相对位移的关系如图6所示。

挡块受到的撞击力与墩梁相对位移的关系式如式 (1)所示，示意图见图7。

^d>d0
A d^d0
(1)
3有限元模型及地震波
3.1三维有限元模型
图8为利用Midas Civil 2019建立的4 x50 m—联 三维有限元模型。

上、下部结构采用空间梁单元模 拟，以反映其质量及刚度在空间的分配。

桥墩、承台、桩基的连接均采用刚性连接，桩基考虑等代土弹簧的约束作用，地基水平抗力系数ma=2.5m#。

挡块与 主梁间隙采用程序中提供的间隙单元模拟，弹性刚 度按上述挡块尺寸计算确定。

图8 4x50 m_联三维有限元模型
支座恢复力模型如图9、图10所示，其中各主要 参数含义如下为屈服前刚度表为屈服后刚度；尺h为水平等效刚度;(?y为屈服力；为设计阻尼力;A 为屈服位移;Z为容许位移。

图9固定支座恢复力模型图
图10滑动支座恢复力模型
3.2地震波
E2作用下的地震波采用安评报告提供的桥位 处3条地表加速度时程曲线，如图11 ~图13所示。

分 别按纵向、横向输人，计算中取3条波计算结果的最
大值控制设计。

•56.山西交通科技2020年第5期
17.0
5 1&〇
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
初始间隙d 〇/cm
横桥向墩底最大剪力影响图
4结果分析
如前所述，本文主要针对挡块初始间隙进行研
究分析，因此为对比方便挡块刚度采用固定值。

模型 中通过设置不同初始间隙:〇.〇3 m 、0.05 m 、0.07 m 、 0.09m 、0.11 m 共5个类型，得到3条地震波下桥梁构 件随初始间隙的变化关系。

限于篇幅，本次主要以连 续墩为研究对象，图14〜图19分别为横桥向墩底最 大剪力、最大弯矩，桩基最大剪力、最大弯矩，挡块最 大剪力及支座剪切变形影响图。

0.310.26
-0• 34
0.33 0. 28 0. 23 0. 18 m 〇. 13
S 〇.〇8
毅 0.03 ® -〇. 02 jr * ~〇. 07 -
0. 12
-0.17
-0• 22
-0. 27 -0. 32
-i ~i ~i ~i ~~i ~~i ~i —i—i ~i ~i —i ~i —i ~i ~i ~i ~~i —i ~i ~i —i ~i ~i ~~
2 4 6 8 12 16 20 26 30 36 40 46 50
时间/s
图11波1时程曲线
0 2 4 6 8 12 16 20 26 30
时间/s
图12波2时程曲线
36 40
46 50
图15横桥向墩底最大弯矩影响图
—波1 一波2 —波3
图16横桥向桩基最大剪力影响图
+波1 —波2 一波3
图17横桥向桩基最大弯矩影响图
波1
波2 波3
图18横桥向挡块最大剪力影响图
目4.5
^ 4.0 X 3.5 ^ 3.0
■K 2.5
S 2.0
^ 1.5 自1 0
m °-5
似0•0
形最大值
+屈服位移 —容贿移 十极限位移
0123456789 10 11 12
初始间隙d。

/cm
图19横桥向支座剪切变形影响图
从图中可以看出，在强震作用下，随着挡块与梁
o
o o o o
la
ll.9.7.& 011><1/只铒¥噼
14
m i -二
1
2823181308030207121722273
2
2020年第5期张科峰：梁侧横向挡块间隙设置对桥梁结构抗震响应分析•57-
体初始间隙的增加，横桥向墩底剪力、弯矩均呈下降
趋势,7 cm之前减小非常明显：墩底剪力减小约
35%~ 48%,墩底弯矩减小约50%~ 60%;7 cm后有
所缓和:墩底剪力减小约17% ~ 30%，墩底弯矩减小
约25% ~ 40%。

桩基与桥墩类似，总体呈现减小趋
势，曲线趋势变化点基本也在7 cm位置处，减震效率
变化见表1。

可见，从抗震角度讲增大挡块初始间隙，
能较好地降低桥墩及桩基内力，起到保护下部结构
及基础的作用。

但并非间隙越大越好，间隙太大时挡
块限制梁体横向位移的能力将大大降低，增加了落
梁风险，同时盖梁尺寸加大，下部结构对地震的反应
有所加大，因此挡块间隙的设置应寻求各因素间的
平衡，以达到经济合理、安全可靠。

表1桥墩及桩基内力对比表
位置波型
减小率/%
墩底剪力墩底弯矩
桥墩地震波1
初始间隙7/初始
间隙3
4654地震波24860地震波33550地震波1
初始间隙11/初始
间隙7
1725地震波22440地震波33030
桩基地震波1
初始间隙7/初始
间隙3
4541地震波24432地震波32823地震波1
初始间隙11/初始
间隙7
23-11地震波23310地震波32722
挡块剪力随着挡块初始间隙的增加变化较大，但总体仍为减小趋势。

从图中可以看出，在初始间隙 7 cm时，挡块剪力相对较小，之后虽有部分增大，但 差值不大(剪力变化率见表2),可见设置7 cm的初始 间隙是合适的。

挡块剪力变化对比表见表2。

表2挡块横向剪力对比表
位置波型剪力减小率/%
挡块地震波1
初始间隙7/初始间隙3
13地震波220地震波314地震波1
初始间隙11/初始间隙7
19地震波29地震波34
由于本桥采用HDR高阻尼隔震橡胶支座，相比 一般普通板式橡胶支座拥有更大的剪切变形能力，本桥采用的型号其屈服位移为12 cm,因此本次间隙 设置中支座的剪切变形随挡块初始间隙的增加基本 呈线性增加。

若间隙设置再增大，超过支座的容许位 移，理论上挡块将不与梁体发生碰撞，即挡块剪切力 为0,下部结构及基础在地震下的横桥向内力将趋于 平稳。

5结语
本文以某实际工程为背景，通过设置不同挡块
初始间隙，分析在横向地震时程作用下挡块对桥梁
结构地震响应的影响，以此探讨挡块初始间隙的合
理设置。

从分析结果可得到以下几点结论：
a) 挡块初始间隙的设置对桥梁下部结构及基础 受力影响显著。

总体来看，随着挡块初始间隙的增
大，桥墩及桩基横桥向受力均呈现减小趋势，特别是
间隙较小时，减震效果更加明显。

因此，从抗震角度
讲适当增大挡块的间隙有利于提高桥梁的抗震能
力,在一定程度上起到保护下部结构及基础的作用。

b) 从影响曲线可见，初始间隙7 cm基本为曲线 的拐点，从对比表可知，7 cm之前减小效率显著，
7 cm之后仍能减小地震效应，但趋势有所变缓。

因
此，初始间隙设置在7 cm左右是经济合理的,这也与
实际工程中挡块的设置一致(实际工程中一般为5〜
10 cm)。

c)挡块的碰撞力即挡块横桥向剪力随初始间隙
的增大亦呈减小趋势，但并非间距越大剪力越小，即
最大碰撞力并非出现在间隙为0时。

因此，挡块初始
间隙的设置若不合理，有可能达不到预设的抗震效
果，甚至是不安全的。

d)本桥支座采用HDR高阻尼隔震橡胶支座，随
着初始间隙的增大，支座的横桥向剪切变形呈线性
增加，间隙越大隔震支座滞回耗能的特性越容易发
挥充分，因此下部结构及基础对地震的响应减弱，提
高了桥梁的抗震性能。

倘若挡块的初始间隙大于支
座的容许位移时,理论上挡块将不会受到碰撞，即挡
块的撞击力为0,而桥墩及桩基的地震内力也将趋于
平稳。

需要说明的是，为对比方便本文分析时挡块刚
度为固定值,而如引言所述，挡块的合理设置中刚度
是关键因素之一，因此挡块的合理设置必须结合刚
度与初始间隙、桥梁结构、支座刚度及地震波特性等
因素综合确定。

由于地震效应的复杂性，想要完全计
算清楚目前尚存在一定困难，因此实际设计中建议
除了加强计算分析外，应重视桥梁结构的抗震措施，
贯彻落实“多道设防、分级耗能”理念，确保桥梁结构
安全可靠。

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(下转第103页）
2020年第5期罗凯:反渗透设备在服务区中水回用系统中的应用.103.
的使用感受,使中水回用不再鸡肋，从而推动实现了 绿色服务区的构想，走可持续发展道路。

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Application of Anti-penetration Equipment in Reclaimed
Water Reuse System in Highway Service Area
LUO Kai
(Shanxi Transportation New Technology Development Co.,Ltd.,Taiyuan,Shanxi030012 ,China) Abstract：With the establishment of reclaimed water reuse system in part of highway service areas,the low utilization rate of reclaimed water is gradually concerned.It is necessary to improve the quality of reclaimed water to widen its application range.Therefore,the use of anti-penetration shows certain necessity for further treating the reclaimed water.On the basis of MBR,the anti-penetration technology can further improve the water treatment effect and higher removal rate of organic matter.At the same time,it can remove most of the hardness,salinity and all suspended matter,SS,chroma,etc.,and improve the water production utilization rate.
Key words:anti-penetration;reclaimed water reuse;MBR;service area
(上接第57页）
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Analysis on Seismic Response of Bridge Structure by
Space Setting of Transverse Retaining Block on Beam Side
ZHANG Ke-feng
(Shanxi Transportation Survey &Design Institute Co.,Ltd.,Taiyuan,Shanxi030032, China)
Abstract：According to the transverse simplified mechanical model of the single pier,the rigidity relationship among the transverse components of the bridge was analyzed.Taking an assembling prestressed concrete T-beam as the analysis objective,Midas Civil 2019, a spatial finite element analysis software,was used to establish a 4 x 50m 3D model.Three seismic waves provided by the safety evaluation report were input to study their seismic response under different initial block spaces.Through the analysis of the change rules of pier,pile foundation, retaining block and bearing shear deformation with the initial space,it was concluded that the internal forces of the pier and pile foundation decreased as a whole with the increase of the space,and under strong earthquake, increasing the initial space of the retaining block was beneficial to the seismic resistance of the bridge.However, the collision force of the block and the change of the space were not regular,so it was unreasonable to choose the space randomly and might be unsafe under special circumstances.
Key words：analysis model;seismic wave;initial block space;bridge pier;pile foundation。