防落梁装置对隔震桥梁动力特性的影响

一、概述
在遭受大地震时，为了避免落梁等灾难性损坏，在桥梁构造措施中，通常要设置防落梁装置等。在上部结构与下部结构之间设置防落梁装置，当防落梁装置不发挥作用时，上部结构可自由振动，当其开始发挥作用时，上部结构的振动受到约束。因此，防落梁装置等构造措施发挥作用及不发挥作用时桥梁的动力响应和各桥墩分担惯性力的关系是不同的。对于隔震桥梁，为了充分发挥隔震支座的减震作用，通常要求上部结构的可自由变形比较大，由于隔震桥上部结构较大的变形，导致这些构造措施可能在较低水准地震作用下，就已发挥作用。但设置挡块等防落梁装置目的是为了限制上部结构与桥墩顶部的相对变形，这也与隔震设计的原则有一定的冲突。因此，为了设计合理可靠的隔震桥梁，保证其在地震作用下的预期性能，必须对防落梁装置等构造措施对隔震桥梁动力特性的影响进行深入的研究。
随着隔震桥梁在一些国家建造数量的增加，如新西兰、日本、美国等，构造措施如挡块等防落梁装置以及相邻上部结构碰撞等对隔震桥梁结构响应影响的研究正逐渐引起一些研究人员的注意，LiMin Sun、Yozo Goto［1］，对设有耗能能力的挡块在不同地震水准作用下，对限制上部结构与墩顶相对位移及其对结构响应的影响进行了分析。分析表明，在中、小地震作用下，可以通过引入档块达到限制上部结构与墩顶相对位移在需求的范围内，且下部结构保持在弹性范围内。但在大地震作用下，设有挡块的桥墩将进入非线性。参数分析表明，挡块阻尼较大或挡块间隙较小时，挡块起到的作用较好，但下部发生的损伤也较大。川岛一彦，长岛博之[2]对设有防落梁装置的隔震桥进行了振动合试验研究和理论分析。研究表明，采用碰撞刚度来描述防落梁装置是可行的，当防落装置发挥作用时，设置防落梁装置的桥墩分担的惯性力明显增加。川岛一彦，庄司学[3]对相邻梁间设有橡胶缓冲垫和防落梁连接装置对减轻上部结构间的相互碰撞进行了研究。分析羡明，约束装置对桥梁的响应影响比较大，约束装置的阻尼大小对结构响应的影响比较小，这是因为其耗能所占比值对整个结构是很小的。文中同时还对应变硬化型、应变软化型约束装置对结构响应影响进行了比较，发现应变硬化型约束装置对限制上部结构相对变形和整个结构的响应比较有效。R．Jankowski，K．Wilde，Y．Fujino[4]对隔震桥纵桥向、横桥向在地震作用下，上部结构相邻梁间的碰撞进行了分析，分析参数包括相邻梁间距、地震波特性、行波效应等因素。研究表明，碰撞对整个结构的响应影响是比较大的，随相邻梁间距由小到大的变化，下部结构最大剪力也由小逐渐增加并达到最大值，随后减小，直到不发生碰撞为止。行波效应中波速对碰撞及结构响应影响也比较重要，横桥向所受影响相对纵桥向比较小。
从国内目前的研究情况看，研究的比较少。同济大学叶爱君在博士论文中对纵横向挡块设置方式进行了分析比较，桥台在纵向对主梁的限位作用对整体结构的抗震是有利的，横桥向挡块与主梁间不设间隙对桥墩抗震是有利的，橡胶挡块的设置可降低桥墩的受力。从我国目前的规范可知，在桥梁的抗震分析和设计中均不直接考虑构造措施对结构动力响应的影响，仅是从构造要求而设置，但这可能存在以下几个问题：
其一，有些构造装置在中等地震作用下，就开始发挥作用，影响结构的响应和传力路径，如挡块、防落梁装置等，而在分析煤型中对此没有考虑，似有不妥。
其二，构造措施是针对大地震而设置的，即，希望其在大地震作用下发挥作用，但目前设置的装置究竟在大震下性能如何，这些装置在大地震下又是如何影响结构的性能和传力路径的，都是未知的。但从震害调查表明[5],[6]，构造措施在结构抗震中起的作用比较大，当构造措施发挥作用时，其传力路径已发生较大变化。随着对桥梁抗震性能目标要求的日趋明确、严格，针对较高水准地震的作用，必须在分析模型中考虑这些装置的影响。

二、算例
下面针对一个采用隔震设计的三跨连续梁桥纵桥向进行分析，讨论挡块对隔震桥梁动力响应的影响，并对不同档块刚度、挡块类型进行比较。假定在两个桥台处设置纵向限位挡块，以达到限制上部结构纵向相对桥墩顶部的变形。该桥分析模型见图1，2号、3号桥墩高度为6m。地震波仅取EI－centro波，加速度峰值为0.4g；两类挡块分析模型见图2，类型Ⅰ模似橡胶类型的弹性挡块，类型Ⅱ近似反映混凝土挡块，表1 结出了分析工况和计算结果。



从表1可知，当在上部结构梁两端桥台处设置限位挡块后，各桥墩处上部结构与墩顶的相对位移确实得到了约束，但在限制位移的同时，设置挡块的桥台也同时承担了很大的冲击力。总的说来，在连续梁桥纵桥向设置挡块，对于不设档块的其它桥墩，所承担的惯性力有减小的趋势，但对于设置挡块的桥台或桥墩，在挡块发挥作用时，由于上部结构与挡块的碰撞，将承担较大的冲击力，且随挡块刚度的增加，在增强限位能力的同时。挡块的抗力和设置挡块的桥台或桥墩所承担的力也跟着迅速增大。图3给出设置不同刚度的挡块时，挡块的抗力及碰撞随时间的变化关系图。从图中可直观看出，挡块刚度增加，挡块抗力峰值增大，且挡块与上部结构相互作用的时间也缩短，即冲击力增加。因此，在设置挡块时，对挡块刚度的选择应给予注意。此外，为了比较橡胶挡块和混凝土挡块对隔震桥响应的影响，分析中取橡胶档块的第二刚度与混凝土挡块的刚度相同，挡块间距相同的条件下进行响应分析，从图3中橡胶挡块与混凝土挡块的响应值可知，由于橡胶挡块初始刚度较低，起到了应有的缓冲作用，橡胶挡块的内力和设有挡块的桥合所承担的惯性力同混凝土挡块相比显著降低，但其对上部结构与墩顶相对位移的约束也有所减弱。图4．5给出设置挡块后隔震桥动力响应与不设档块动力响应的比较，从图中可直观看出，挡块的设置，在其发挥作用限制上部结构与敬顶相对位移的同时，改变了桥墩的受力，即结构的响应特性发生了变化。



三、结论
通过一系列分析表明，设置防落梁等构造措施后，当发挥作用时，对隔震桥响应的主要影响有以下几个方面，其一，其在限制上部结构相对位移的同时，由于挡块与上部结构的碰撞，作用于设有挡块的桥台或桥墩的所承担的地震力显著增大；其二，改变了不设档块桥墩所承担的地震力；其三，挡块类型、刚度、挡块间距等参数的选择对挡块在桥梁中发挥的作用及对隔震桥动力响应的影响差异十分明显。对于隔震桥梁，由于隔震支座的引入，总的说来，上部结构的变形增加，设置的挡块等防落梁装置在地震作用下同传统桥梁相比，更易较早的发挥作用，且从上边的分析可知，其对响应的影响也较大。
通过本文的研究表明，防落梁装置等的设置对桥梁的动力响应特性影响比较重要。因此，建议在进行隔震桥梁设计时，应根据挡块等防落梁装置是否起作用，在分析模型中给予考虑，而不应向传统桥梁抗震设计一样，仅认为防落梁装置为构造措施，而在分析中不予考虑。此外，应对挡块类型、各参数的选择给予充分的注意，最好是通过分析来协助选取合理的参数，以切实保证能达到预期的抗震性能目标。
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