使用带有保护装置连续桥梁的地震反应

Goutam Ghosha , Yogendra Singhb , Shashi Kant Thakkar

摘要:在地震中，由于承载部位故障和支座过短会导致桥梁发生坍塌。在使用橡

胶支座的情况下，为了防止在发生强大地震时地面的震动导致上部结构发生大变 形，必须增加额外的保护措施。位移限制装置与橡胶支座的组合，可以防止支座 发生故障。本文评估了四种在地震中限制上部结构位移保护装置的性能：1. 刚 性限制器。2.柔性限制器。3.刚限制器。4. 超弹性形状记忆合金（SMA）限制器。 分析模型已经研发出所有的保护装置，并对现有使用橡胶支座和不同保护装置桥 梁的地震反应进行了地面运动频域中规模前五的评估。结果表明，所有的保护装 置都具有良好的性能，在地震中能防止支座发生故障。

关键词：桥、承载、地震荷载、历时分析

1.介绍

桥梁故障是由上部结构和较短支座在桥墩或桥台处位移过大引起的，这是地 震时的常见现象，如遇橡胶支座[1-3]，它不具有任何耗能的特点，在强烈地震 期间的位移是相当大的，并且可能超过支座的最大限制位移，从而导致支座失效 [4]和上部结构滑脱。防止滑脱的技术已经问世许多年，因此因滑脱而导致崩溃 的可能性正在减少，但是，尽管如此，桥梁由于滑脱而出现的坍塌还会持续出现， 集集[6]，神户[7]，圣费尔南多[8]和北岭[9]的地震就是例子。因此，需要研究 出一种更好的保护方法，以防止地震时桥梁的滑脱坍塌。我们把约束和挡块用作 保护装置，以防止桥结由于脱滑导致坍塌 [10,11]。各种限位装置的设计方法可

在文献[12〜14]和设计规范[15〜17]找到。在所有的方法中，重点都是防止上部 结构出现问题，并没有注意到要防止支座出故障。在本研究中，主要探讨在强烈 地震发生时防止支座发生故障的限位装置的可行性。使用这种方法时，支座保护 装置可以设计在新的桥梁以及现有桥梁中。在现代的桥梁中，如果支座由于强烈 的地震而不能承受较大的位移，可以使用这种方法。在比较古老的桥梁中，最广 泛使用的支座是橡胶支座，它们通常只用于由于温度，徐变和收缩而产生的位移。 使用限位器/挡块是一个有效的方法，以防止地震时这些支座出故障。

该方法也可用于现代桥梁，如果设计师不使用隔离或减震系统而倾向于使用 传统的橡胶支座，那么为应对强烈地震使用橡胶支座，会导致墩台上的支座尺寸 大到另人无法接受。降低橡胶支座的尺寸可能会导致其在地震 MCE 级别中发生故 障，因此，限位器/挡块可在剧烈地震时防止橡胶支座发生故障。

几种类型的设备，如，不锈钢棒，钢索[18,19]和阻尼器已经在桥梁中用作 保护装置。形状记忆合金（SMA）也被应用于桥梁中作为脱滑的保护装置[20-25]。 各种设备都有相对的优缺点以至于设计师难以在选择最合适的设备。

在本文中，研究了连续梁桥中不同类型脱滑保护装置的相对性能。所有装置 都设计为防止支座出现故障。四种类型的设备都已研究： （1）刚性限制器（2） 柔性限制器（3）传统的刚限制器（4）形状记忆合金（SMA）限制器。使用 SAP2000 非线性软件[26]已经开发出桥的三维模型。一组 5 倍加速的研究与现场具体设计 反应谱已兼容用于地震反应。

2.脱滑保护装置

不同类型的脱滑保护装置，即：刚性限制器，柔性限制器，刚限制器和SMA 限制器，在以前已经研究过了。所有这些装置都可用于橡胶支座中。刚性限制器 具有非常高的强度和刚度，在上部结构设有缝隙，使用时在橡胶支座产生一定距 离的位移后会阻止其进一步的移动（图1）。柔性限制器[27]和钢性限制器有相似 的功能，但两个装置的初始刚度和屈服强度不同。这些装置产生一个特定的力， 然后进行应变强化（图2）。在SMA阻挡装置[28-33]中，镍钛形状记忆合金是最常 用的材料。形状记忆合金会表现出几个显著特点例如热力学相变，形状记忆效应， 超弹性效应和高阻尼。当合金加载的温度低于特定温度（马氏体结束温度）时可 以观察到形状记忆效应。在这种情况下，残余应变可通过将材料加热至高于奥氏

体最高温度进行恢复。当材料的温度加载到高于奥氏体最高温度时可以观察到超 弹性效应（图3）。在这种情况下，卸载过程中，该材料会恢复其所有残余应变， 在阻挡器设备中会利用形状记忆合金的超弹性效应这种属性。

图.1 刚性限制装置的力 - 位移问题

图.2 柔性限制器和钢限制器的力 - 位移问题。

图.3 超弹性SMA阻挡器装置的力 - 位移的特性

3．桥梁审议研究

现有一座三跨铁路桥，坐落在印度北部，一直在本研究中。它在印度地震区 的第四地震带 [34]。它是一个预应力混凝土连续箱梁桥，总长192米、主跨80 米、两端跨度各56米（图4）。箱形梁的横截面细节在（图5），桥墩的高度36.36 米。桥墩是外部直径为6.5 m、厚度为0.5米的空心圆截面。建在岩石地层上。

图.4 连续梁桥。

4．建模与分析

图.5 箱梁截面（A-A）。

桥梁的结构已使用SAP2000非线性软件建模（图6）。上部结构和桥墩在3D画 面元素建模中大量集中了离散点。由于桥墩建在岩石上，这些都模拟为固定基础。 桥台假设为刚性基础。支座两端布置的空间建模、水平横刚性连接如图6。橡胶 支座建模采用弹性连接元件。刚性限制器使用具有高强度刚性的链接元件建模， 而柔性限制器和刚限制器则是参照了弹塑双线性连接元件。超弹性SMA限制器的

特性建模（图7（a））已使用两个弹性多线性链接元件和一个塑料双线性元件的 并联组合，这是一系列的元件（图7（c）），在水平方向和刚性垂直方向上，多线 性连接单元已经规定为弹性刚度。超弹性SMA限制器在纵向和横向方向上的示意 性模型如图7（b）所示。正在研究最大地震（MCE）和设计基准地震（DBE）的位 点特异性设计反应谱。图8所示为5％阻尼的位点特异性设计反应谱。记录时间历 程使用的是五个扩展在不同频域的地震，模拟设计其反应谱[35]，并保持其相位 信息。缩放后的时间历程MCE负荷条件已经如图9所示。

图.6 该连续梁桥的三维模型

图.7 超弹性SMA阻挡装置建模阻挡器（a）力 - 位移特性，（b）构成要素的 示意性布置，（c）构成要素的力 - 位移行特性

图.8 所示为5％阻尼的位点特异性设计反应谱

图.9 地面加速度时程调整为MCE谱。 所记录的地震包括：（1）Elcentro（1940），（2），神户（1995），（3）北岭

分校（1994），（4）洛马普列塔（1989）和（5）圣费尔南多（1971）。地震记录 的详情已列于表1。首先，分析桥结的自由振动来评定其动态特性。线性时程分 析是在使用橡胶支座的情况下进行的。而非线性时程分析是在橡胶支座装有保护 装置的情况下进行的。已经观察到，在桥墩对桥的保护强度比地震破坏更大，保 证其不变形，即使在MCE。因此，在桥的非线性限制为保护装置。

表 1

5.支座保护装置的设计

在本研究中，橡胶支座的尺寸是400times;800times;84毫米，根据印度标准代码[36] 的指导方针。橡胶支座的允许排水量根据各种代码[36-38]提供的不同的标准已 计算出来（最大应变准则，侧翻在边缘和由于疲劳的标准脱层等）。从不同标准 中获得的最小值视为橡胶支座限制位移。目前的情况下，限制位移定制在42毫米。 分析表明，支座在MCE级地震时位移会超过这个限制。因此，增加适当的支座保 护措施是必要的。

支座保护装置由许多参数来设计决定，其中一个设计保护装置的重要标准是 选用地震时水平地面运动。由于设备在最大地震（MCE）损害中表现良好，，该设 计已进行了MCE。设计支座保护装置的参数是初始松弛/缝隙，刚度和屈服力。这 些参数是相互关联的，并以复杂的方式影响抗震性能。此外，对不同设备的相对 性能有一个公平的比较，在每个案例中根据不同设备的需要来获得设计参数的最 佳组合。在本研究中，对于不同系统的敏感性分析获得了各种设计参数的最优组 合，与不同系统的性能进行比较，用于得到优化之后的设计参数。

6．参数研究

第一，已经使用了不同支座保护装置的桥梁具有不同的屈服力，初始刚度， 长度和初始松弛/间隙，单个设备设计参数的最佳组合在敏感性响应的研究中获 得。设计参数的最佳组合是能限制支座产生最大位移以及使桥墩产生的最小剪切 力。作为限位装置提供纵向和横向方向上的分离，在纵向和横向方向上分析是独 立地进行的。然后比较研究各系统，目前已获得设计参数的最佳的组合。桥梁的 平均最大响应为5缩放加速度，说明以前已经比较了不同的设备。

6.1 桥的动态特性

表2表明了考虑桥的动态特性，由于桥台比桥墩更坚硬，它能为限制上部结 构位移提供更大的阻力。另外，上部结构在纵向方向上的刚性比横向方向更大， 它导致在横向方向上振动的时间更长。在桥两个方向上的动态特性差别，要求在 两个方向上设置不同的支座保护装置。

表二

6.2 响应灵敏度和最佳设计参数

图10显示出了地震响应时超弹性SMA限位器在桥的纵向和横向方向上的变化。 SMA限位器设计参数是初始松弛，长度和截面积。初始刚度和屈服力取决于所选 择的尺寸。德罗什和德莱蒙[29]汇报了镍钛的形状记忆合金的屈服强度（年度）。

K2和K3的值视为初始刚度[29]的0.07和0.45倍。该器件在点B，C，D和E（图7） 的应变水平看作是0.5％，1.5％，5％和8％。认为可恢复应变是8％。器件不同 参数的最佳值是通过试验决定的。在这个过程中，初始Fy的数值和限制器的长度 是关闭的，初始刚度的数值K1使用所需的横截面和选择的长度已得到，Fy和K1 导致支座位移接已近最大极限，选定墩台的最小剪切力要进一步比较研究。在灵 敏度分析中，保持其他参数不变来研究影响各设计参数的变化的量，（图10）。正 如预期的那样，支座位移随着松弛度和限制器长度增加而增加。

图.10 SMA设备变化的响应。 为了提高屈服力的值，Fy分为两种情况考虑，在第一种情况下，限制器的长

度保持恒定，增加Fy增大横截面，导致刚度增加。在第二种情况下，增大Fy，保 持刚性不变，导致阻挡器的长度增加。在第一种情况下，支座的位移随Fy的增大 而减小，但是在第二种情况下，支座的位移是不跟随的Fy变化的，是因为增加的 屈服力和长度的影响彼此抵消。我们可以注意到，桥墩的剪切力不会随着SMA限 制部分设计参数的改变而显著改变，这是难以识别的模型。

图11显示出桥梁在使用钢阻挡器时地震响应沿着纵向和横向方向上的设计 参数的变化。在这种情况下，这个过程也类似于对SMA阻挡器采用敏感性分析。 各种参数对支座位移的效果与使用SMA阻挡器很相似。但是，研究还发现，在这 种情况下，桥墩在纵向方向上剪切力的设计参数相对不敏感，但在横向方向上， 桥墩剪切力与支座位移的变化是相反的。在横向上，桥墩的剪切力随该装置的长 度增加而减小，随该装置屈服力的增大而增大。

图.11 钢限制器装置响应变化 图12表示的是桥梁柔性阻挡装置在地震响应时沿着纵向和横向方向上发生

变化，我们可以观察到，在这种情况下的主要参数是上部结构与挡块之间的初始 间隙和屈服力。挡块刚度对桥梁响应的相对影响不大。另外，正如所料，支座位 移随初始间隙的增加而增加，随屈服力的降低而降低，而桥墩剪切力的变化恰恰 与之相反。

图.12 屈服阻挡装置响应变化 表3列出了不同类型的保护装置在MCE的装载情况下所获得的最佳设计参数。

在刚性挡块的例子中，刚度和屈服力分配的值非常高，在松弛（间隙）为42毫米。

表3

6.3不同的保护装置的桥梁地震反应

表 4 和表 5 分别列出桥在 MCE 与 DBE 负荷条件下沿纵向方向上的地震响应。 可以从表格中观察到所有保护装置，支座位移可以控制在能接受的范围内。但是， 这将导致出现较高的墩台剪切力。在支座位移量相同的条件下，较其他设备而言， 刚性限位可以减少 42％-50％的桥墩位移和 28％-43％的桥墩剪切力，用 MCE 比 DBE 减少 18％-40％的桥墩位移和 25％-39％的桥墩剪切力。然而，这样会增加 桥台的力量。在桥台的刚性挡块会传输较大的力给桥台，这样桥墩的力会减小。 在本案例上部结构没有永久位移，装置连接橡胶支座，也就是弹性连接。

在这三个保护装置外的刚性限制器，柔性限制器在 MCE 案件负载中表现略好。 柔性限制器能让桥墩产生最小的位移和剪切力。在 DBE 装载时，刚限制器的性能 比 SMA 限制器和限位限制器相对好一些，因为它令桥墩和支座的位移最小，并且 最小力量在墩台。然而，应当注意的是，SMA 限制器相比其他所有保护装置具有 更高的能量耗散（表 4 - 7）。

表 4

表 5

表 6 和表 7 分别表示出在 MCE 与 DBE 负荷条件下桥在沿宽度方向的地震响应。 刚性限制器的相对性能在横向方向上不如在纵向方向上。这是由于上部结构在横 向方向上很灵活。其他设备的性能也与 SMA 限制器相媲美。导致桥墩位移和桥墩 的力量轻微上升，比如刚限制器和柔性限制器。

表 6

表 7

7．结论

在本文中，研究了一座三跨连续梁桥不同类型支座保护装置的相对性能。已 经得出每一个保护装置的敏感设计参数和最佳组合设计参数，如何让限制到支座 的最大位移，让桥墩和桥台

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