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）

0 引言

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[1]，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》[3]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，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

图1 规范E1反应谱与安评谱对比图

本桥为装配式预应力混凝土连续T梁桥，路基宽度26 m，设计速度100 km/h，桥面净宽2×12.75 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Ⅶ度，地震动峰值加速度0.15g，反应谱特征周期为0.40 s。而根据安评报告，桥址区E1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4×50 m一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梁，上部结构典型横断面如图2所示。

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B=2.5 m、B=3.0 m和B=3.5 m，外侧四角均设置R=15 cm的圆倒角，内侧设置40×40 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B=2.5 m，墩高均为40 m，墩身一般横断面见图3。

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)570×620×247-G1.0；分联墩采用LNR滑动型橡胶支座，型号为LNR(H)370×470×147。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。

图4 桥墩一般构造图

2 计算模型

本桥下部结构横桥向力学简化模型可如图5表示，其中Ks代表盖梁、桥墩及基础的集成刚度，Kb代表板式橡胶支座刚度，Kc代表防撞挡块刚度，M代表上部结构质量，d0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Δd小于d0时，挡块不会受到撞击，此时桥梁横向刚度为Kb与Ks串联后的合成刚度，即，主梁受到的水平力与位移关系为F1=K1x0。当主梁与桥墩间的横向相对位移Δd大于d0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Kb与Kc并联再与Ks串联后的合成刚度，即，主梁受到的水平力F=Kx+K2102(x-x0)，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。

图5 横桥向单墩力学简化模型

图6 主梁受力与墩梁相对位移关系图

图7 挡块撞击力与墩梁相对位移关系

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4×50 m一联三维有限元模型。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m动=2.5m静。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 4×50 m一联三维有限元模型

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：K1为屈服前刚度；K2为屈服后刚度；Kh为水平等效刚度；Qy为屈服力；Q为设计阻尼力；Xy为屈服位移；X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、横向输入，计算中取3条波计算结果的最大值控制设计。

图11 波1时程曲线

图12 波2时程曲线

图13 波3时程曲线

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：0.03 m、0.05 m、0.07 m、0.09 m、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。

图14 横桥向墩底最大剪力影响图

图15 横桥向墩底最大弯矩影响图

图16 横桥向桩基最大剪力影响图

图17 横桥向桩基最大弯矩影响图

图18 横桥向挡块最大剪力影响图

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

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

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。