中小跨径梁桥支座-挡块-桥墩抗震性能状态耦合规律研究

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中小跨径梁桥因其经济性好、适用性强、施工方便等优点在我国的公路运输网络中发挥着极其重要的作用。这类桥梁的结构特点是上部结构一般是简支或简支转连续的T梁、空心板或小箱梁,下部结构一般为矩形单柱墩或圆形双柱墩以及重力式桥台,主梁通过板式橡胶支座直接搁置在墩台上,支座没有任何锚固连接措施,桥墩盖梁和桥台台帽两侧一般设置钢筋混凝土挡块来限制主梁在地震作用下的横向位移。在汶川地震中,这类桥梁发生了大面积震害,主要横向震害特征为:支座滑移后产生过大的墩-梁相对位移导致的挡块破坏、支座脱空、主梁落座落梁等,而墩柱损伤一般较轻,显然不符合我国现行规范中的延性设计预期性能目标。支座滑移对桥墩进行隔震,而挡块限位又将主梁惯性力传递给桥墩,此消彼长的相互作用对桥墩抗震性能状态具有关键影响。有鉴于此,本文根据汶川地震中小跨径简支梁桥的典型横向震害特征,将支座、挡块、桥墩作为一个不可分割的相互作用系统,构建了支座-挡块-桥墩相互作用分析模型,采用增量动力分析(IDA)方法,考虑三者在地震中的非线性行为,研究支座滑移、挡块限位和桥墩塑性之间的协作与牵制关系,揭示三者抗震性能状态的耦合规律,然后对梁桥各关键构件的损伤状态进行划分,提出体系的理想抗震状态,并结合多级抗震机制内涵,对不同工况条件下体系合理挡块强度进行了全面归纳对比。本文主要研究内容与结论如下:(1)基于OpenSEES开源平台,以寿江大桥为桥例背景,考虑板式橡胶支座的滑移、限位挡块的屈服以及桥墩的塑性,构建了支座-挡块-桥墩相互作用分析模型,采用非线性时程分析方法研究了支座-挡块-桥墩抗震性能的典型耦合状态。研究表明:当地震作用较小时,即使挡块强度较低,也具有较强的限位效果,同时传递到桥墩的主梁惯性力有限,支座、挡块和桥墩均处于弹性状态,挡块强度的变化对结构地震响应影响较小;当地震作用较大,且挡块强度较小时,则支座滑移现象明显,挡块极易发生破坏,同时传递到桥墩上的梁体惯性力较小,桥墩塑性程度不大;但当挡块强度较大时,支座和挡块的位移需求均显著下降,同时传递到墩柱上的主梁惯性力明显增大,桥墩塑性程度加大,甚至可能会发生塑性破坏。(2)基于支座-挡块-桥墩相互作用分析模型,以支座摩阻系数、限位挡块强度、墩高和桥墩形式(单柱墩和双柱墩)为典型参数,采用IDA分析方法,研究了典型参数对支座-挡块-桥墩抗震性能耦合规律的影响。研究表明:支座摩阻系数对支座-挡块-桥墩体系抗震性能状态的影响仅在一定工况下(较低挡块强度和矮墩时)会产生影响,对其余工况下的抗震性能状态耦合规律影响很小;上文所述的支座-挡块-桥墩体系抗震性能状态的典型耦合规律在任何工况条件下均成立,与支座摩阻系数、挡块强度、墩高和桥墩形式等参数无关;挡块强度是支座-挡块-桥墩相互作用的关键因素,但支座、挡块和桥墩三者抗震性能状态对该关键因素的敏感程度是不相同的,随着挡块强度的变化,支座位移的变化幅度明显比桥墩曲率延性系数更大。因此,为了保证支座-挡块-桥墩体系在地震作用下出现较合理的抗震性能状态,挡块强度设计是关键。(3)基于支座-挡块-桥墩体系抗震性能状态的典型耦合规律,提出了中小跨径梁桥横向多级抗震机制,即运用支座滑移、挡块屈服和桥墩塑性达到分级抗震耗能效果,在必要的情况下通过“牺牲”挡块和运用构造设计(墩-梁搭接宽度)来保证上部主梁和下部结构的安全。然后,通过定义支座滑移、挡块限位和桥墩有限塑性等临界指标,研究了不同参数下挡块的合理强度取值,以此保证多级抗震机制的实现。研究表明:支座-挡块-桥墩体系在不同地震动强度下较为理想的抗震状态为允许挡块破坏(即允许挡块SDR超过其能力值,1<SDR≤6),使得支座出现小幅滑移(即允许支座进入塑性阶段,1<BSR≤5),桥墩出现可修复的塑性损伤(即允许桥墩处于中度损伤范围内);中小跨径梁桥可通过对挡块强度的设计,使得结构在整个地震过程中处于较为理想的抗震状态。
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