限位墩墩顶伸缩缝间距对长联梁桥纵向抗震性能的影响*

王 旭，黄 超，李华强，李世亚，刘怀林，刘海明

(1. 重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074； 2. 招商局重庆交通科研设计院，重庆 400067)

限位墩墩顶伸缩缝间距对长联梁桥纵向抗震性能的影响*

王 旭1，2，黄 超1，李华强1，李世亚1，刘怀林2，刘海明2

(1. 重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074； 2. 招商局重庆交通科研设计院，重庆 400067)

工程实践表明，限位墩可以大大降低长联梁桥落梁倒塌事故的发生，而限位墩墩顶伸缩缝尺寸对于长联梁桥纵向抗震性能具有较大的影响。为此，以有限元分析为手段，通过非线性分析方法研究伸缩缝间距对纵向地震作用下长联梁桥动力响应的影响。研究表明:随着间距的增加，主梁未出现碰撞或碰撞力呈现出下降的趋势，普通墩最大墩底弯矩没有呈现出特别明显的规律，而限位墩最大墩底弯矩主要受碰撞力的影响，其最大墩底弯矩的变化和墩顶最大碰撞力类似。普通墩墩梁的最大相对位移，最大碰撞力的大小以及最大墩底弯矩随伸缩缝间距的增大基本变化不大。

桥梁工程；限位墩；伸缩缝；碰撞；最大墩梁相对位移；最大墩底弯矩

0 引 言

我国是一个地震频繁发生的国家，目前正处于地震活跃期间，面临着严重的地震威胁[1]。而桥梁作为重要的生命线工程，在震后救援中发挥着举足轻重的作用[2-3]。2008年汶川地震发生的一系列桥梁震害表明[4]，大多数桥梁结构的破坏并不是因为桥梁自身的墩柱基础无法承受上部结构荷载，而是因为主梁位移过大或者相互碰撞导致落梁震害而引起整体性垮塌，如图1。对于众多桥梁工程师来说，墩梁相对位移的减少应适合采用能量耗散和便于结构设计施工的方法，以此来确保结构的整体性[5]。

图1 百花大桥主梁落梁垮塌Fig.1 Collapse of the main girder of Baihua Bridge

有相关研究表明[6-7]，通过在桥梁的关键部位设置限位墩，即增强关键桥墩的刚度和强度的研究，增强桥梁的整体抗震性能，从而避免桥墩在地震中由于刚度和强度不足而产生过大位移。为限制桥梁结构因地震作用而产生的过大位移，目前国内外主要依靠一些耗能装置和物理措施来减小影响，如抗震挡块、抗震销、限位器等，这些措施不仅可以起到防止横向位移过大引起落梁的作用，还能作为耗能构件，保护支座的安全。但关于抗震挡块、抗震销等方面的研究比较多，它们限制横向位移过大引起落梁灾害方面的作用在实际工程中已经得到了比较好的验证，但限制桥梁在地震中的纵向位移的研究则较为匮乏，普遍认为限位墩可以起到一定的效果。目前在我国通过设置限位墩，提高桥墩和桥梁整体刚度和强度方面的研究比较少，并且不够系统，对于减轻桥梁结构在地震中的纵向位移的认识还远远不够，因此急需加强该领域的研究。

由于影响限位墩的纵向抗震性能的参数比较多，而限位墩又是通过其墩顶以及主梁之间碰撞的方式来限制主梁的位移，故把伸缩缝间距的大小作为是否会发生会碰撞的参数来考虑。因此，笔者基于有限元模型，引入限位墩的概念。通过选取合适的地震波，主要研究地震作用引起主梁的碰撞作用，确定限位墩墩顶伸缩缝间距的大小对全桥抗震性能的影响。

1 限位墩概念及作用机理

1.1 限位墩概念的提出

根据汶川地震震害分析可知：对于那些跨度较大且联数较多的桥梁来说，其发生震害的频率明显高于中小型跨度桥梁，主要灾害表现为主梁和桥墩台柱的严重损坏以及可能发生的落梁状况。造成这些灾害主要原因是由于多联长桥的伸缩缝较多，从而导致主梁产生较大的运动空间，使得在强震作用下的墩梁产生一定的相对位移，从而导致碰撞概率的提升。

在地震的作用下，桥台作为梁式桥的五大基本构件之一，易与主梁部位发生相撞，具有较大抗推刚度的桥台能有效地约束主梁在纵向产生的位移，同时能更加有效地减弱主梁之间的位移传递，进而降低由于位移过大而发生落梁的风险。

由于桥台能有效的限制主梁的纵向位移，鉴于此，笔者提出了一种就有较大刚度的“抗震制动墩”，即限位墩，设置在多联长桥中的合适位置上，大体上起着和桥台相同的作用。在地震荷载的作用下，限位墩可以限制主梁的纵向位移，从而减小墩梁之间的相对位移，类似于将多联长桥分成短桥，以此大幅地降低主梁间由于地震发生剧烈碰撞所带来的灾害。

1.2 限位墩作用机理

限位墩可视为“放小”版桥台，构造特点同常见桥墩来看比较相似，但其刚度相对较大。在地震荷载的作用下，限位墩墩顶处的伸缩缝不仅能够承受所带来弯矩和剪力，而且能够为多联长桥的每个联段提供充足的移动空间。如图2。

图2 限位墩作用机理Fig.2 Mechanism of restrainer pier

其中，图1中①～③为无限位墩情况，地震时，各个主梁之间互相碰撞,如图1(b)，容易导致主梁发生过大的相对位移，由此必然造成落梁的现象，如图1(c)。若将普通墩换成限位墩，如图1(d)，不但能限制主梁产生过大的位移，而且还能降低各联段之间设置的桥墩数量，更有效地减少累积在限位墩处的相对位移，大大降低地震时落梁发生的机率。

图3 落梁方向最小间距Fig.3 Minimum spacing between girder and falling girder

2 限位墩相关模型计算参数的选取

2.1 有限元模型基本概况

为了便于桥模相关计算参数的选取，文中参照了国家中西部地区经典桥型—中小跨的长联桥；主梁采用T型截面形式，取30 m的标准跨径；各断面的翼缘板，腹板以及马蹄部位采取的相关计算参数基本一致。主梁和桥墩采用的混凝土分别为C30和C50，桥墩选取一般的双柱圆形截面墩[8]。限位墩的计算模型如图4。

图4 限位墩计算模型Fig.4 Restrainer pier calculation model

通过结构地震响应分析，文中选取一般的梁式桥型作为文中的计算模型，此外还不能忽略支座结构的非线性因素对整个模型的影响[9]。由于笔者重点是考虑主梁碰撞等对落梁的影响，因此，桥墩模型只考虑线性性质。

2.2 地震动输入

对于地震波的选取而言，地震动的场地条件对其影响至关重要。在进行模型分析时，加速度时程的频谱参数性能将直接受到它的影响。因此，地震波周期的选择必须优先考虑场地的卓越周期，理论上应尽量与之接近来减小影响。鉴于此，加上对我国高烈度地震地区场地性质的勘测，笔者采用最富典型的El-cetro波和Northridge波进行了模拟试验。另外，地震波的加速度峰值可依照高烈震强度等级的大小修改至0.4、0.7、1.0 g。笔者采用的地震加速度时程如图5。

图5 地震波时程Fig.5 Time history of earthquake wave

为了简化，笔者仅考虑桥梁结构在纵向上地震荷载所产生的作用力，不考虑其他方向作用力的影响。总体上来看，桥梁的整体长度较长，但从跨度方面而言仍偏小。因此，在传播的过程中仍可运用一致激励的方式，可忽略地震波在时间上和空间上的传播差异性。

2.3 支座模拟

伸缩缝处支座采用四氟滑板橡胶支座，其他处支座采用板式橡胶支座[10]。当支座与混凝土接触时，可根据支座类型的不同，选取不同的摩擦系数；板式橡胶支座采用的摩擦系数是0.2，四氟滑板橡胶支座选取的摩擦系数为0.02。在有限元分析中，用非线性连接弹簧单元模拟支座作用。支座的滑动水平临界力Fcr与竖向最大支撑力N之间的联系可用式(1)进行表达：

Fcr=μN

(1)

式中：μ为接触面摩擦力；N为支座竖向最大支撑力。

在进行结构分析时，由于受到水平力F的作用，支座易发生同向的弹性变形X=F/k(k为支座单元的水平剪切刚度)；若桥梁支座产生的变形大于规范限制的某个数值时，将逐渐进入一种滑动状态。当支座在受到水平向两个方向作用力，通过合力定理可判别其是否转入滑动状态。支座滞回曲线模型图如6：

图6 支座滞回模型Fig.6 Bearing hysteretic model

2.4 伸缩缝碰撞单元的模拟

桥梁伸缩缝除能够满足一般功能的变形外[11]，还能够减少地震中主梁之间的碰撞，同时也是桥梁抗震的薄弱环节。在有限元模拟的过程中，选取合适的碰撞单元来进行模拟，结构刚度取主梁的压缩刚度，如图7，碰撞单元模拟如图8。

图7 伸缩缝(单位：cm)Fig.7 Expansion joint

图8 伸缩缝碰撞单元有限元模型Fig.8 Finite element model of the collision cell of expansion joint

3 伸缩缝间距对结构动力响应的影响

伸缩缝是用于满足桥面变形的特殊结构之一，当两侧主梁在纵向上运动的相对距离比伸缩间距大时，结构容易在墩顶伸缩缝的位置发生碰撞。根据上述分析可知，限位墩的作用主要是利用上述结构之间发生的碰撞来约束主梁的位移，因此限位墩墩顶伸缩缝间距的设置是影响梁式桥结构动力响应重要因素。笔者采用六联的简支梁桥，通过在梁式桥结构的居中部位布设一个4 m×5 m的矩形限位墩，可更便捷地改变伸缩缝间距，其间距以1 cm为步长，从1 cm逐渐增至10 cm。

有限元分析计算时，桥梁所在的西部高烈度区场地卓越周期与 El-cetro波的周期比较接近，同时为了方便比较，选用 El-cetro波和 Northridge波，并将地震波的峰值进行调整(0.4、0.7、1.0 g)。分析其结构动力响应。

图9 最大墩梁相对位移Fig.9 The maximum relative displacement between girder and pier

由图9可知，在 El-centro波的影响下，当最大加速度为0.7 g与1.0 g时，墩梁的最大相对位移随着伸缩缝间距的逐渐加宽整体上展现出先减后增的形式；当最大加速度为0.4 g时，随着伸缩缝间距的增加保持逐渐下降。随着Northridge波作用，当限位墩伸缩缝的间距达到1cm时，此时主梁和墩台之间产生的相对位移最大；但是墩梁最大的相对位移会随着墩顶伸缩缝间距的增大而不断减小，当减少到一定程度后，最大墩梁相对位移基本上保持不变。

从图10可知，在El-centro作用下，左侧伸缩缝为7 cm时，梁端的最大碰撞力达到最小；当最大加速度分别为0.4、0.7 g时，限位墩处左侧伸缩缝保持3 cm时，梁端碰撞力达最大，普通墩伸缩缝处最大碰撞力基本保持不变，而限位墩左右两侧的碰撞力大体随伸缩缝间距的增大而减小。

图10 El-centro作用下伸缩z缝处最大碰撞力Fig.10 The maximum impact force of the expansion jointunder the action of the El-centro

图11可知，在Northridge地震波作用下，限位墩右侧伸缩缝达到4 cm时，此时梁端最大碰撞力达到最小；当最大加速度分别达到0.4 g和0.7 g，伸缩缝间距达到8 cm及以上时，限位墩左右两侧的伸缩缝处无碰撞。随着间距的逐渐增大，限位墩左侧伸缩缝处产生的碰撞力逐渐减小，而普通墩伸缩缝处产生的碰撞力基本保持不变。

图11 Northridge作用下伸缩缝处最大碰撞力Fig.11 The maximum impact force of the expansion jointunder the action of the Northridge

图12 EL-centro波作用下最大墩底弯矩Fig.12 The maximum bending moment at the bottomof the pier under the action of the EL-centro

图13 Northridge波作用下最大墩底弯矩Fig.13 The maximum bending moment at the bottomof the pier under the action of the Northridge

由图12和图13可知，当伸缩缝间距不断增大，对 EL-centro波和 Northridge波而言，限位墩最大墩底弯矩大体上看先减小后基本维持在一个稳定水平，而普通墩总体没有改变。由此可以看出，限位墩和普通墩所展现最大墩底弯矩的变化趋势和梁端最大碰撞力的变化趋势基本上一致，说明限位墩和普通墩的最大墩底弯矩产生均是受到地震作用下产生巨大碰撞力的影响。

4 结 论

基于有限元模型的研究，对设有限位墩的六联梁桥进行了分析，得到了烈震作用下梁端最大碰撞力和最大墩底弯矩以及梁墩最大相对位移随限位墩处伸缩缝间隙大小变化的结构动力响应。主要结论如下：

1) 在 EL-centro地震波的作用下，当限位墩处伸缩缝采用10 cm大小的间距，最大加速度分别为0.4、0.7、1.0 g时，此时墩梁发生的最大相对位移却是最小。而在Northridge地震波作用下，伸缩缝间距保持在6 cm及6 cm以上时，墩梁发生的最大相对位移整体上维持不变。

2) 限位墩墩顶伸缩缝为4 cm时，梁端最大碰撞力以及最大墩底弯矩基本达到最小，此时，主梁之间的碰撞所带来的震害最低。

3) 由于限位墩的设置，即使墩顶伸缩缝的间距增加，墩底处的最大弯矩仍然呈现先减小后基本不变的趋势，与发生在梁端处的最大碰撞力变化规律大体相同。

4) 普通墩墩梁的最大相对位移，最大碰撞力的大小以及最大墩底弯矩随伸缩缝间距的增大基本变化不大。

5) 墩梁的最大相对位移在设置了限位墩的情况下能大幅减少，且随着伸缩缝间隙的增大先增大后减小。因此，对于符合要求的伸缩缝间隙的选择至关重要。

6) 在强烈震作用下，长桥主梁通常因碰撞作用而发生较大的纵向位移，合理地掌握好伸缩缝的间隙设置的问题能显著减小此类作用的影响。在此基础上通过进一步的研究发现，在伸缩缝做一定的减震和隔震的处理，例如在重要结构部位设置数量合适的橡胶缓冲垫能够更有效减少墩梁之间的相对位移。

针对我国山区桥梁在高强烈震条件下的特点进行了大体上的研究，笔者通过设置一定数量的限位墩以降低桥梁的主梁结构落梁的概率。通过对有限元模型的研究，可知主梁发生落梁现象的根本原因并且展示限位墩的工作机理，为今后建立与当地地质情况相符合的限位墩的设计方法提供了一定参考和意见。

[1] 胡聿贤.地震工程学[M].北京：地震出版社，1988：1-3，92-94.

HU Yuxian.EarthquakeEngineering[M]. Beijing：Earthquake Press，1988：1-3，92-94.

[2] 孙广俊，李鸿晶，赵鹏飞. 简支梁桥地震落梁失效控制模式研究[J]. 南京工业大学学报(自然科学版)，2014，36(2)：40-47.

SUN Guangjun，LI Hongjing，ZHAO Pengfei. Unseating failure control mode for simply supported girder bridge during earthquakes[J].JournalofNanjingTechUniversity(NaturalScienceEdition)，2014，36(2)：40-47.

[3] 冯亚成. 从设计角度谈桥梁的震害现象及应对策略[J]. 高速铁路技术，2014(3)：85-89.

FENG Yacheng. Discussion on bridge earthquake damage phenomena and coping strategy from a design perspective[J].HighSpeedRailwayTechnology，2014(3)：85-89.

[4] 王东升，郭迅，孙治国，等. 汶川大地震公路桥梁震害初步调查[J]. 地震工程与工程振动， 2009，29(3)：84-94.

WANG Dongsheng，GUO Xun，SUN Zhiguo，et al. Damage to highway bridges during Wenchuan Earthquake[J].JournalofEarthquakeEngineeringandEngineeringVibration，2009，29(3)：84-94.

[5] 唐国喜，傅香如，郑小燕. 公路桥梁震害分析及对策[J]. 路基工程，2010(6)：2-3.

TANG Guoxi，FU Xiangru，ZHENG Xiaoyan. Earthquake damage analysis and countermeasures for highway and bridge[J].SubgradeEngineering，2010(6)： 2-3.

[6] 郭克宁.墩高对连续梁桥抗震性能的影响[J].华北水利水电学院学报，2012，33(5)：53-59.

GUO Kening. Influence of pier height on the seismic behaviors of continuous-beam bridge[J].JournalofNorthChinaInstituteofWaterConservancyandHydroelectricPower，2012，33(5)：53-59.

[7] 徐永利.长联连续梁桥制动力分配的非线性有限元分析[J].兰州交通大学学报，2008，35(2)：14-18.

XU Yongli. Nonlinear FEA of breaking force distribution of long connected continuous bridge[J].JournalofLanzhouJiaotongUniversity，2008，35(2)：14-18.

[8] 沈星，叶爱君，王晓伟. 柔性横系梁双柱墩的抗震行为分析[J]. 同济大学学报(自然科学版)，2013，41(3)：342-347.

SHEN Xing，YE Aijun，WANG Xiaowei. Seismic behavior analysis for link beam of double-column bent[J].JournalofTongjiUniversity(NaturalScience)，2013，41(3)：342-347.

[9] 李冲，王克海，李悦，等. 板式橡胶支座摩擦滑移抗震性能试验研究[J]. 东南大学学报(自然科学版)，2014(1)：162-167.

LI Chong，WANG Kehai，LI Yue，et al. Experimental study on seismic performance of laminated rubber bearings with friction slipping[J].JournalofSoutheastUniversity(NaturalScienceEdition)，2014(1)：162-167.

[10] 燕斌， 杜修力，韩强，等. 防落梁板式橡胶支座抗震性能分析[J]. 北京工业大学学报，2014，40(6)：857-864.

YAN Bin，DU Xiuli，HAN Qiang，et al. Analysis of seismic performance of a unseating-prevention laminated rubber bearing[J].JournalofBeijingUniversityofTechnology，2014，40(6)：857-864.

[11] 邓扬，李爱群，丁幼亮，等. 基于长期监测数据的大跨桥梁结构伸缩缝损伤识别[J].东南大学学报(自然科学版)，2011，41(2)：336-341.

DENG Yang，LI Aiqun，DING Youliang，et al. Damage identification of expansion joints in long span bridge using long-term monitoring data[J].JournalofSoutheastUniversity(NaturalScienceEdition)，2011，41(2)：336-341.

Effect of the Restrainer Pier Expansion Joint Spacing on theLongitudinal Seismic Performance of Long Bridges

WANG Xu1，2，HUANG Chao1，LI Huaqiang1，LI Shiya1，LIU Huailin2，LIU Haiming2

(1. School of Civil Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，P. R. China;2. China Merchants Chongqing Communication Research and Design Institute，Chongqing 400067，P. R. China)

Practice and experience in engineering shows that restrainer piers can greatly reduce the occurrence of collapse of long bridge，while the size of expansion joints at the restrainer piers top can affect the longitudinal seismic performance of long bridge tremendously. Consequently，the effect of expansion joint spacing on the dynamic response of long bridge under the action of the longitudinal seismic was analyzed by means of finite element analysis. Researches show that with the increase of the spacing，the main beam does not appear collision and the impact force does not show a downward trend. The maximum bending moment of the ordinary pier bottom does not show a particularly obvious law; however，the maximum pier bottom bending moment of the restrainer pier is mainly affected by the impact force，and the change of the maximum pier bottom bending moment is similar to the maximum impact force at the pier top. As a matter of fact，the maximum relative displacement between girder and pier，the maximum impact force as well as the maximum pier bottom bending moment of the ordinary pier do not make difference with the increase of the expansion joint spacing.

bridge engineering; restrainer pier; expansion joint; pounding; the maximum relative displacement between girder and pier; the maximum bending moment of the pier bottom

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.12.02

2016-09-10；

2016-12-01

重庆市博士后基金项目(Xm2015066)；交通运输部建设科技项目(2013318800020)；中央高校基本科研业务费资助项目(310821161120)；山东省优秀中青年科学家科研奖励基金项目(2014BSE28027)

王 旭(1982—)，男，天津人，副教授，博士，主要研究方向：桥梁抗震、结构抗风。E-mail: wx00012224@163.com。

U443.22

A

1674-0696(2017)12-006-07

朱汉容)