防落梁裝置對隔震橋梁動力特性的影響
發布時間：2010-01-14 共2頁
【摘要】根據我國目前《公路工程抗震設計規范》的規定，通常在結構分析中對構造措施不予考慮。本文通過一個算例討論了擋塊對隔震橋梁動力響應的影響，并對不同類型檔塊對結構動力響應特性的影響進行了分析。
從分析結果可知，對于隔震橋梁，其響應對這些影響因素是比較敏感的，建議在隔震橋梁分析中，應根據實際情況，判別其是否發揮作用，并在分析模型和設計中給予適當的考慮。
關鍵詞 防落梁裝置 隔震 橋梁抗震
一、概述
在遭受大地震時，為了避免落梁等災難性損壞，在橋梁構造措施中，通常要設置防落梁裝置等。在上部結構與下部結構之間設置防落梁裝置，當防落梁裝置不發揮作用時，上部結構可自由振動，當其開始發揮作用時，上部結構的振動受到約束。因此，防落梁裝置等構造措施發揮作用及不發揮作用時橋梁的動力響應和各橋墩分擔慣性力的關系是不同的。對于隔震橋梁，為了充分發揮隔震支座的減震作用，通常要求上部結構的可自由變形比較大，由于隔震橋上部結構較大的變形，導致這些構造措施可能在較低水準地震作用下，就已發揮作用。但設置擋塊等防落梁裝置目的是為了限制上部結構與橋墩頂部的相對變形，這也與隔震設計的原則有一定的沖突。因此，為了設計合理可靠的隔震橋梁，保證其在地震作用下的預期性能，必須對防落梁裝置等構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量的增加，如新西蘭、日本、美國等，構造措施如擋塊等防落梁裝置以及相鄰上部結構碰撞等對隔震橋梁結構響應影響的研究正逐漸引起一些研究人員的注意，LiMin Sun、Yozo Goto［1］，對設有耗能能力的擋塊在不同地震水準作用下，對限制上部結構與墩頂相對位移及其對結構響應的影響進行了分析。分析表明，在中、小地震作用下，可以通過引入檔塊達到限制上部結構與墩頂相對位移在需求的范圍內，且下部結構保持在彈性范圍內。但在大地震作用下，設有擋塊的橋墩將進入非線性。參數分析表明，擋塊阻尼較大或擋塊間隙較小時，擋塊起到的作用較好，但下部發生的損傷也較大。川島一彥，長島博之[2]對設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，當防落裝置發揮作用時，設置防落梁裝置的橋墩分擔的慣性力明顯增加。川島一彥，莊司學[3]對相鄰梁間設有橡膠緩沖墊和防落梁連接裝置對減輕上部結構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影響比較大，約束裝置的阻尼大小對結構響應的影響比較小，這是因為其耗能所占比值對整個結構是很小的。文中同時還對應變硬化型、應變軟化型約束裝置對結構響應影響進行了比較，發現應變硬化型約束裝置對限制上部結構相對變形和整個結構的響應比較有效。R．Jankowski，K．Wilde，Y．Fujino[4]對隔震橋縱橋向、橫橋向在地震作用下，上部結構相鄰梁間的碰撞進行了分析，分析參數包括相鄰梁間距、地震波特性、行波效應等因素。研究表明，碰撞對整個結構的響應影響是比較大的，隨相鄰梁間距由小到大的變化，下部結構最大剪力也由小逐漸增加并達到最大值，隨后減小，直到不發生碰撞為止。行波效應中波速對碰撞及結構響應影響也比較重要，橫橋向所受影響相對縱橋向比較小。
從國內目前的研究情況看，研究的比較少。同濟大學葉愛君在博士論文中對縱橫向擋塊設置方式進行了分析比較，橋臺在縱向對主梁的限位作用對整體結構的抗震是有利的，橫橋向擋塊與主梁間不設間隙對橋墩抗震是有利的，橡膠擋塊的設置可降低橋墩的受力。從我國目前的規范可知，在橋梁的抗震分析和設計中均不直接考慮構造措施對結構動力響應的影響，僅是從構造要求而設置，但這可能存在以下幾個問題：
其一，有些構造裝置在中等地震作用下，就開始發揮作用，影響結構的響應和傳力路徑，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，構造措施是針對大地震而設置的，即，希望其在大地震作用下發揮作用，但目前設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構的性能和傳力路徑的，都是未知的。但從震害調查表明[5],[6]，構造措施在結構抗震中起的作用比較大，當構造措施發揮作用時，其傳力路徑已發生較大變化。隨著對橋梁抗震性能目標要求的日趨明確、嚴格，針對較高水準地震的作用，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計的三跨連續梁橋縱橋向進行分析，討論擋塊對隔震橋梁動力響應的影響，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置縱向限位擋塊，以達到限制上部結構縱向相對橋墩頂部的變形。該橋分析模型見，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，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 結出了分析工況和計算結果。
從表1可知，當在上部結構梁兩端橋臺處設置限位擋塊后，各橋墩處上部結構與墩頂的相對位移確實得到了約束，但在限制位移的同時，設置擋塊的橋臺也同時承擔了很大的沖擊力。總的說來，在連續梁橋縱橋向設置擋塊，對于不設檔塊的其它橋墩，所承擔的慣性力有減小的趨勢，但對于設置擋塊的橋臺或橋墩，在擋塊發揮作用時，由于上部結構與擋塊的碰撞，將承擔較大的沖擊力，且隨擋塊剛度的增加，在增強限位能力的同時。擋塊的抗力和設置擋塊的橋臺或橋墩所承擔的力也跟著迅速增大。給出設置不同剛度的擋塊時，擋塊的抗力及碰撞隨時間的變化關系圖。從圖中可直觀看出，擋塊剛度增加，擋塊抗力峰值增大，且擋塊與上部結構相互作用的時間也縮短，即沖擊力增加。因此，在設置擋塊時，對擋塊剛度的選擇應給予注意。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分析，從中橡膠擋塊與混凝土擋塊的響應值可知，由于橡膠擋塊初始剛度較低，起到了應有的緩沖作用，橡膠擋塊的內力和設有擋塊的橋合所承擔的慣性力同混凝土擋塊相比顯著降低，但其對上部結構與墩頂相對位移的約束也有所減弱。給出設置擋塊后隔震橋動力響應與不設檔塊動力響應的比較，從圖中可直觀看出，擋塊的設置，在其發揮作用限制上部結構與敬頂相對位移的同時，改變了橋墩的受力，即結構的響應特性發生了變化。
