挡块对连续梁桥板式橡胶支座隔震效果的影响研究

蒋智伟

（新疆维吾尔自治区交通规划勘察设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830006）

0 引言

桥梁作为交通基础设施的结点和枢纽工程，尤其是中、小跨径简支梁桥或连续梁桥更是当前高速公路的重要组成部分，在道路交通系统中扮演着极为重要的角色，桥梁结构的抗震安全已成为工程界最为重视的问题之一［1］［2］［3］。据统计，2008年5·12汶川地震中遭受毁坏的桥梁高达5 560座，其中大多数中、小跨径梁式桥的横向震害多数与挡块发生了斜截面脆性剪切破坏相关，这一现象引发了国内外工程师对桥梁，尤其是中、小跨径简支梁桥或连续梁桥抗震安全的担忧和思考。

采用板式橡胶支座的中、小跨径桥梁一般都选用T梁、小箱梁、空心板作为上部结构。这类桥梁在国内的设计、施工上基本就是将板式橡胶支座直接置于支座垫石上，没有其他的连接构造措施，这种薄弱的横向约束方式在地震的往复作用下很容易发生破坏，引发落座、落梁等灾害。为了控制主梁的横向位移，国内的工程师们通常会按照构造措施，在桥墩盖梁的两侧或桥台台帽的两边设置钢筋混凝土挡块。根据已有资料，在地震作用下，钢筋混凝土挡块的破坏非常普遍，而且非常严重，主要以脆性的斜截面和竖截面剪切破坏为主。因此在考虑水平地震力作用时，挡块是受力构件，仅对其进行构造设计是不恰当的，对于挡块的合理设计和施工值得进一步深思。

鉴于此，本文以汶川地震中普遍出现的钢筋混凝土挡块破坏、支座破坏、落梁等地震灾害为研究背景，选取了某座典型桥例，建立了非线性三维分析模型，进行挡块对连续梁桥板式橡胶支座隔震效果的影响研究。

1 背景工程及有限元模拟

背景工程为四等跨小箱梁桥，单跨长30m，总长120m，两端为桥台。桥面宽12．25m，由3片C50小箱梁拼成；每片箱梁下安置6个圆板橡胶支座，每侧2个，其中，桥墩上的型号为GYZ350×96mm，桥台上的型号为GYZ250×74mm。桥墩为矩形单柱式桥墩，顺桥向尺寸为1．0m，横桥向尺寸为3．0m，墩底到支座 高 度 分 别 为25．0m、12．5m、25．0m；盖 梁 高1．5m，顺桥向尺寸为1．2m，横桥向尺寸为10．2m，盖梁两侧分别设置一个梯形截面的钢筋混凝土挡块。基础为41．2m钻孔灌注桩，承台平面尺寸为4．5m×7．0m，高2．0m，下部构造采用C30混凝土。如图1所示。

本文采用OpenSEES程序建立全桥三维空间精细化有限元模型，主梁采用弹性梁柱单元（Element－Elastic Beam Column）模拟；墩柱采用使用纤维截面（Fiber－Section）的三维弹塑性非线性梁柱单元（Element－Nonlinear Beam Column）模拟；板式橡胶支座采用非线性平滑动单元（Element－Flat Slider Bearing）模拟；钢筋混凝土挡块参考徐略勤等人［4］［5］的试验结论，采用自定义非线性滞回单元模拟；桥台采用理想弹塑性间隙材料（Elastic－Perfectly Plastic Gap Material）框架单元（Truss Element）模拟，桩基础采用集中土弹簧模拟。

图1 桥型布置及细部结构图

2 地震动的输入

地震动非常复杂，具有很强的随机性。地震动的输入是结构抗震设计、计算的重要前提，因此，选择合适的地震动输入是进行时程分析非常重要的一步。

本文采用实际地震加速度记录进行结构的地震响应分析。下页表1列举了本章非线性时程分析所选用的7条加速度时程波，这些地震波均取自太平洋地震工程中心（Pacific Earthquake Engineering Research Center，PEER）的地震波数据库（PEER Strong Motion Database）。在本文的分析中，地震动沿桥梁的横桥向输入，不考虑纵桥向和竖向地震作用的影响，为便于数据处理和对比，将7条波的峰值加速度PGA统一调整为0．5g。

表1 数值分析所采用的地震加速度记录表

3 数值分析

为研究挡块对连续梁桥板式橡胶支座隔震效果的影响，本文对挡块强度进行参数分析，分别假设挡块的强度为各墩处恒载反力的10%、20%、30%、40%和50%。

由图2可得，挡块强度的变化对不同墩高桥例上支座的横向变形限位程度不同，对高墩上支座最大变形参数的影响比矮墩的大。由图2（a）可知，随着挡块强度的增加，1＃墩上支座的横向变形不断减小，在挡块强度由10%增大到20%时，支座横向变形减幅最大，并改变了支座在挡块强度为10%时剪切破坏的状态；在挡块强度从20%增大到50%时，支座横向变形的减幅很小且均处于正常工作状态，未发生剪切破坏，发挥了挡块限位的作用。由于2＃墩为比1＃墩刚度更大的矮墩，使得结构在地震作用下，2＃墩受力比1＃墩大，分配到每个支座上的剪力也较大，支座受剪后产生的变形也更大，因而需要更大的挡块强度（50%）才能控制住支座的横向变形，如图2（b）所示。

可见，随着强度的增加，挡块能不同程度地降低支座的横向变形，起到横向限位的作用；由于桥例采用了不同的墩高布置，致使桥梁上高墩和矮墩受力不均匀，挡块强度对高墩的影响比矮墩明显。

图2 支座最大变形参数与挡块强度的变化关系图

在讨论分析挡块强度的变化对主梁横向包络位移的影响时，在一般的图表中所呈现的是主梁到达最大位移状态下相对其初始位置的位移值，这其中就包括了下部结构对此包络位移值的贡献。为了更直观地表现主梁的包络位移以及相对于下部结构（即桥墩）的相对位移，采用了如图3（a）所示的作图方法：在主梁位移包络图的基础上，在桥墩所在位置（主梁位置为30m、60m、90m处）处用墩顶位移包络值替换此处主梁的位移包络值。因为桥例是对称结构，因而只取桥跨的一半进行分析，即主梁位置为30m处（1＃墩）和60m处（2＃墩）。

为了进一步讨论分析参数的变化对主梁的实际滑移量（即主梁相对于桥墩墩顶之间的位移）的影响，采用了图3（b）的作图方式，即实际滑移位移＝主梁位移－桥墩墩顶位移，后文称“主梁滑移位移”。值得注意的是，实际滑移位移本应该是主梁与盖梁之间的相对位移，但本文通过标准化的方式进行了定性的分析，因此把主梁和墩顶之间的相对位移作为主梁的实际位移量是可以接受的，可以得到如下关系：主梁位移＝墩顶位移＋主梁滑移位移。

由图3（a）可知，随着挡块强度的增加，桥梁横向刚度也在增大，使得1＃墩（P1）和2＃墩（P2）的墩顶横向位移不断增加，主梁的横向位移也随之在增加。由图2（b）可知，2＃墩为矮墩，在挡块强度＜40%时，挡块的破坏使得主梁横向滑移位移值变化不大，在挡块强度＞40%后，未破坏的挡块发挥了其限位能力，使主梁滑移位移大幅下降；1＃墩为高墩，相比之下，受力明显小于2＃墩，强度为20%的挡块就能显著地控制住主梁的横向滑移位移。

图3 主梁位移与挡块强度的变化关系图

图4为不同挡块强度下挡块的力－位移曲线图。从图中可以看出，由于1＃、2＃墩墩高的不同，因此1＃、2＃挡块屈服的强度也不同。对于1＃高墩来说，1＃挡块的受力明显小于2＃挡块，当挡块强度达到20%时，挡块就不会发生完全破坏，和上文分析一致，在此强度下主梁横向位移也得到了较好限制。对于2＃矮墩，如图4（b）所示，2＃挡块受力较大，挡块强度为10%、20%、30%时都发生完全破坏。

图4 不同挡块强度下的挡块力－位移曲线图

4 结语

本文主要研究了挡块对采用板式橡胶支座的连续梁桥横向地震反应的影响，讨论了挡块强度对桥梁地震响应的作用规律，主要结论如下：

（1）一座桥例中不同墩高决定了桥梁的整体横向刚度分布，导致桥例中高墩和矮墩受力上有很大的差异，矮墩受力明显大于高墩；

（2）随着挡块强度的增加，桥梁横向刚度随之增大，横向限位能力增强，支座的横向变形和主梁的横向位移均明显减小；

（3）由于桥例中高墩和矮墩刚度差异导致内力分配的不均匀，矮墩受力明显大于高墩，使得在挡块强度较低时矮墩上挡块都发生破坏，而高墩上的挡块均完好。