隔震桥梁横桥向挡块设计研究

第２ ８卷第 ３期
２ １ 年 ９月 ０１
土
木
工
程
Hale Waihona Puke Baidu
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Ｖ０ ． ８ Ｎｏ ３ １２ ． Ｓ ｐ２ １ ｅ ． ０１
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隔 震 桥 梁 横 桥 向 挡 块 设 计 研 究
果见 表 ３ 。在表 ２中 １ 地 震 波 （ ９ ０ Ｅ ｅｔ ， ＃ １４ Ｌ Ｃ ｎｒ ｏ
了挡块 的屈服强 度 ， 而在设 置缓 冲装 置时 ， 碰撞力
地震力 ， ： 即
Ｆ＝ Ｋ Ｇ ２ ｈ （） １
０ Ｂ０ Ｌ ７ ｏ Ｂ０ Ｒ０ Ｌ ５ Ｒ ０
图 ２ 引桥 隔震 支座平 面布置／ ｍ
式 中 ， 为挡 块 的设 计 屈 服 强 度 ； ｈ 场 地 基 本 Ｆ Ｋ 为
第期 ３
朱 正 ：震 梁 桥 挡 设 研 文 等隔桥 横 向块 计 究
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图 １ 大桥立面 、 面图／ｒ 平 ｅ ａ 表 １ 橡胶 隔震支座参数
烈度对 应 的水 平 地震 系数 ； Ｇ为支座 反力 。
２ 挡 块 设 计
度 ｋ 为 ５×１ ｋ ／ 其 数 值 等 于 橡胶 垫 的 弹性 ０ Ｎ ｍ，
模 量
点 的相 对位 移没 有 超过 初 始 间距 ， 时接 触 单 元 这 不 起作用 ；２ 当结 构 在 碰 撞 点 的相 对 位 移 有 超 （）
越 初始 间距 的趋势 时 ， 修改结 构 特性 ， 在接 触点 加 人 弹簧 和阻尼 器 ， 到碰 撞分 离 。 直
Ｌｎ ｉｋ单元 模 拟 ， 座 采 用 粘 滞 阻 尼 单 元 模 拟 ， 支 梁
体 碰撞 及挡 块 采 用 Ｇ ｐ单 元 模 拟 ， ａ 不考 虑桩 土 相
互作用 ， 在墩底固结 。图 ４为单 墩横 向碰撞模 型图。
图 ３
桥 梁
、
ｒ
算 模 型
ｄ２＋ ＜０
Ｆ
Ｉ Ｉ
４ 时 程 分 析 法 计 算 分 析
４ １ 地 震动 输入 ．
由于地震 具 有 强 烈 的 随 机性 ， 便 是 同 次地 即 震在 同一 场地 上 得 到 的地 震 记 录 也 不尽 相 同 ， 另 外 ， 构 的地 震反 应 随输 入 地 震 波 的不 同 而具 有 结 很 大 差异 。 因此 ， 保 证 时程分 析 结果 的合理 性 ， 要 必 须合 理选 择 输 入 地 震 波 。 目前 ， 震 设 计 中有 抗
本 文选 取 表 ２中 的 ８条 地 震 波 沿 横 桥 向输
入， 因为 桥梁 位 于地震 烈度 ８度 区 ， 故将 每条 地震 波 的加速 度 峰 值 调 整 到 ０ ２ 。分 析 时 梁 体 与 挡 ．ｇ
块 间初 始 间 隙 取 为 ０ ０ Ｉ缓 冲 装 置 的 厚 度 为 ．５Ｉ， Ｔ
桥 梁每个 桥 墩 （ ） 分 别 布 置 ３个 隔震 支座 ， 台 上 具 体 布置 如 图 ２所 示 ， 采用 隔震 支 座 的性 能参 数 所
见表 １ ［
作者简介 ：朱文正（ ９ １） 男 ， １ ７ 一 ， 河南上蔡人 ， 副教授 ， 博士 ， 究方向为桥梁减 抗震 与加固（ｈ ７０ ＠１３ ｃｍ） 研 ｚｕ １ １ ６ ．ｏ 基金项 目：国家 自然科学 ￣ ＿ （ １７ ０ ３ ； ５０ ８ ９ ） 广东省交通科技项 目（ ０００ ４１ ） ２ １ －２ ）４
ｍ， 间设 置系 梁 。桥 台为 一字 型 桥 台 ， 用双 排 桩 采 桩基 础 ， 径 为 １ ２ ｍ， 梁 立 面 、 面如 图 １所 桩 ． 桥 平
刁 。
始 间 隙 和 结 构 周 期 影 响很 大 ， 忽 略 碰 撞 效 应 ， 若
将会低 估 挡块及 下部 结构 的地震 需 求 ， 抗震 设 在
：！ ：
因为该 桥处 于 ８度 设 防 区域 ， 基 本 烈 度 水 其
线 性动 力 时程分 析 方法 对设 计结 果 进行 验证 。分
平 地震 系数 为 ０ ２ ， 据 该 桥 上 部 结 构 的构 造 ． 根 情 况 ， 算得 挡块 设计 屈 服强 度为 １０ Ｎ 计 ５０ｋ 。
ｄ ＋ ＜ ≤ｄ ＋ １ ０ ２ （） ２
ｄ１－ ＞ ０ Ｉ １ －
式 中 ： 为 缓 冲装 置 与 梁 的间 隙 ； 为 缓 冲 装 置 ｄ ｄ
， ●● ● ●● ‘ ●● ● ●【
的允 许 变形量 ； 和 ｋ 别 为 ｄ 和 ｄ 分 。 ：的接 触 刚 度 ； ＋ 地震 作用 下 梁体 与挡 块 的相对 位移 。 为 ０ ＋ 接触 单元 刚度 ｋ ：的取值 由于缺 乏试 验 依据 ，
关 地震 动加 速度 时程 的选择 主要 有直 接利 用强 震
记 录 、 用人 工 地 震 加速 度 时程 和规 范 标 准 化地 采
图 ５ 非线 性 接 触 单元
震 加速 度时 程 。
为 了模拟 梁体 与 挡 块 问 可能 发 生 的碰 撞 ， 采
用 图 ５所 示 的非 线性 力一 移关 系模 拟 接 触单 元 ， 位 即不 考虑 碰撞过 程 中能量 损失 。当挡块 前设 置缓 冲装 置时 ， 恢复力 模 型见 图 ５ 图 ５中 ｄ 为 初 始 。
收 稿 日期 ： ０ ｌ ７１ ２ １－ —３ ０
每 个支 座所 承 担 的竖 向轴 力 。另 外 ， 座 还需 要 支 有 足够 的初 始刚度 和 屈服 强度 以避 免在 正常使 用 荷载 下 （ 风 、 车制 动力 等 ） 构 发 生 屈服 和 有 如 汽 结 害振 动等 。根 据 桥 梁 计 算 分析 结 果 ， 隔震 设 计 在
根据 桥梁 防落 梁 系 统 的设 计 思 想 ， 块 在 基 挡
本 烈度地 震 发 生 时 应 该 保 持 完 好 状 态 。 由于
地震作用是一种随机性很强 的冲击荷载 ， 一般不
能 确定其 普遍 的 荷 载形 式和 持 续 时 问 ， 工程 安 为
全和计算方便 ， 常其动力放 大系数可近似取为 通 ２ 因而 挡块 的屈服 荷载 取 ２倍 于基 本 烈度 的水 平 ，
考 虑 弯 曲 刚 度 和 剪 切 变 形 的影 响 ， 参 考 文 献 并
图 ４ 桥 墩 横 向 碰撞 模 型
［］ ５ 的试验 研 究 结 果 ， 块 的碰 撞 刚 度 取 ２×１。 挡 ０
ｋ ／ 破 坏荷 载为 １ ０ Ｎ； 置橡 胶缓 冲垫 的 刚 Ｎ ｍ， ５ ０ｋ 设
碰 撞现 象是一 种状 态非 线性 过程 。分析 时将 结 构 的运动 过 程 分 为 两 种 状 态 ： １ 结 构 在 碰 撞 （）
０． ０３ ｍ
间距 ，：为 缓 冲 装 置 的 允许 变 形 量 ； ｄ 当无 缓 冲 装 置时 ， 复 力模 型为 图 ５中去掉 ． 恢 的部分 。则 设 置缓 冲装置 时 的单元 力与 位移关 系 为 ：
赈
４ ２ 计算 结果 分析 ． 采用 时程 分析 法 ， ＃ 墩处 梁 体 与挡 块最 大 ４桥 相 对位 移 、 挡块 最 大 变 形 以及 最 大 碰 撞 力计 算 结
的确 定 提 供 依 据 。
关键词 ： 桥梁 ； 抗震挡块 ； 缓冲装置 ； 设计方法 ； 时程分析
中 图分 类 号 ：Ｕ ２ ． ２ Ｔ ７ ９７ 文献标识码 ： Ａ 文 章 编 号 ：０ ５０ ８ （０ １ ０ －４ ７０ ２９ －９５ ２ １ ）３００ －５
结构 的碰撞 问题 被认 为是 影 响结构 地震 反应 和结 构抗震 性 能 的一 个 重 要 因 素 ¨ 。桥 梁 地 震 震 害 表 明 ：横桥 向碰 撞 引 起 的挡 块 剪 断 、 裂 破 剪 坏是地 震 中桥 梁 最 为普 遍 的破 坏 形 式 。抗 震 挡 块是 改善 桥梁 横 向抗 震性 能 、 防止 落 梁 的重 要 限位措施 。现行规 范 的抗震 挡块 设计 指导 思想 是
朱文正， 徐忠根
（ 广州大学 土木工程学院 ， 东 广 广州 ５ ００ ） １０ ６
摘
要： 首先简要介绍 了某隔震桥梁 的隔震设计情况 ， 分析 了横桥 向抗 震挡块 的设计思 想和方 法 ； 然后选择 一
座两跨 连续 隔震 桥梁建立了计算模 型 ， 并考虑梁体 与挡块 的非线性 碰撞效 应 ， 利用 多条地震波 进行 了桥梁基 本 烈度下 的横桥 向非线性 时程分 析。计算 结果表明通过合理设置缓 冲装 置 ， 本文所 提设 计方法 可 以保证 挡块 在 基本烈度地震条件下处 于完好状 态。研究认 为 ， 挡块 的碰撞 刚度对桥梁 的横向地震 性能影响较大 ， 但其取值 缺 乏必要 的试验研究作 为参考 ， 有必要对桥梁挡块 的力学性能进行碰撞试验研究 ， 为碰撞刚度和屈服 强度等参数
强 力阻 止落 梁 ， 块 越 强越 好 挡 ， 设 计 中通 常 在
法 的可行 性 。
１ 桥 梁概 述
该 桥设 计 行 车 速 度 为 ３ ｍ ｈ 荷 载等 级 为 ０ｋ ／ ， 公路 Ｉ 级 ， Ｉ 场地 类 别 为 Ｉ 类 ， 震 设 防烈 度 为 ８ Ｉ 抗
度 。 主桥采 用两 跨 ５ ５ｍ独 塔悬 索结 构 ， 引桥采 用 两跨 ２ ｑ 配 式 预应 力 简 支 箱 梁 ， 高 １４ｍ， ５１装 １ 梁 ． 宽 ２ 在 桥 墩 处 采 用 连 结 措 施 由简 支 变 为 连 １ｍ，
计 中造 成 不 安 全 的结 果 。因 此 在 地 震 反 应 分 析 中， 有必 要考 虑挡 块对 桥梁 动力 响应 的影 响 。
在进行 结 构 隔震 设 计 过 程 中 ， 先 应 根 据 桥 首 梁 上部 结构 的重 量 和作用 在结 构 上 的荷 载来 确定
本文 在 一座 隔震桥 梁设 计 时考虑 了抗 震挡 块 对横 桥 向地震 性 能 的影 响 ， 先 介 绍 了该 隔 震 桥 首 梁 的隔震 设计情 况 ， 对 抗 震 挡 块 的设计 思 想 和 并 设计 方法进 行 了说 明 ； 后 建 立 隔 震 桥梁 的 动 力 然 计 算模 型 ， 虑梁 体与 挡块 的碰撞 效 应 ， 过 多条 考 通 地震 波输 入 的非线 性 时程分 析研究 了在设 防烈 度 地震 作用 下设 置 和不设 置缓 冲装 置两 种情 况下 的 挡块 最大 变形 和 最 大撞 击 力 ， 讨 了挡 块 设计 方 探
析 时采 用 结 构 分 析 软 件 Ｍｉａ／ ｉｌ ０６进 行 模 ｄｓｃ ｉ２０ ｖ 型计 算 ， 算模 型 （ ３ 中 的 梁 体 和桥 墩 均 采 用 计 图 ）
线 单 元 模 拟 ， 台采 用 空 间 板 壳 单 元 ， 座 采 用 桥 支
３ 计 算 模 型
为验算 挡块 设 计 方 法 的适 用 性 ， 文采 用 非 本
续， 上铺 １ ｌ 厚 Ｃ ０混 凝 土 找 平 层 。引 桥 下部 ０Ｃ Ｉ Ｔ ４ 结 构 采 用 双 柱 式 桥 墩 ， 筋 混凝 土 盖 梁 ， 梁 高 钢 盖
１６ｍ， １８ １。桥墩 直径 为 １ ６ｍ， 径 为 １ ８ ． 宽 ． １ １ ． 桩 ．
是 套用 通 用 图 ，不对 其 力 学 性 能 进 行 分析 计 算 。 但桥 梁震 害调 查结 果 表 明 ， 震 挡 块 参 与 了桥 梁 抗 的地震 响应 ， 变 了结 构 的受 力状态 ， 其是 对桥 改 尤 墩 的 内力 分 布 和 横 向 变 形 影 响显 著 Ｊ ｈ ｌｉ 。Ｓ ｅ ｎ ｖ Ｍａｅｉ ７ 简支 梁 桥 上部 结 构 与 横 向约 束 挡 块 ｌ ’ 对 ｋ １ 问碰 撞 效 应 进 行 了研 究 ，分 析 表 明 碰撞 刚度 、 初