1、橋梁抗震剪力鍵的力學(xué)模擬及減震效應(yīng)研究摘要：針對一種帶剪力鍵的滑板式橡膠支座系統(tǒng)的減震效果進(jìn)展分析，根據(jù)基于性能的抗震設(shè)計(jì)思想以及我國抗震標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，以橋墩內(nèi)力和主梁位移為控制目的，明確了剪力鍵在正常使用、常遇地震、罕遇地震3種階段下的性能目的，由此提出了剪力鍵的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，結(jié)合數(shù)值分析方法建立了剪力鍵恢復(fù)力模型并給出了簡易計(jì)算公式.以某等跨徑橋梁為例，選取6條地震波，運(yùn)用OpenSees建立了橋梁非線性動力模型并進(jìn)展時(shí)程分析.結(jié)果說明：剪力鍵數(shù)目對滑板式橡膠支座的減震效果影響顯著，合理布置剪力鍵能有效地防止主梁在常遇地震下發(fā)生滑移、明顯減小震后剩余位移，同時(shí)可大幅降低罕遇地震下橋墩內(nèi)力.剪

2、力鍵和滑板式橡膠支座的組合既能保證正常情況的適用性又能起到較好的減隔震效果.關(guān)鍵詞：橋梁；剪力鍵；滑板式橡膠支座；地震響應(yīng)；減隔震設(shè)計(jì)從2022年汶川地震橋梁震害5中可發(fā)現(xiàn)，一些因支座破壞導(dǎo)致主梁滑移錯(cuò)位的橋梁，其下部構(gòu)造大多未出現(xiàn)明顯損傷，這是由于支座滑動后能有效地減小主梁傳遞至下部構(gòu)造的荷載，從而保護(hù)下部構(gòu)造不受損傷，這同減隔震設(shè)計(jì)的思路是一致的.但支座破壞時(shí)并非一定出現(xiàn)滑移現(xiàn)象，還可能發(fā)生支座被“鎖死，此時(shí)就猶如固定支座一樣，這將顯著增大橋墩內(nèi)力.由此可見，支座的滑移確實(shí)能起到保護(hù)下部構(gòu)造的作用.但利用支座破壞后滑移來減隔震并不一定可靠，設(shè)置滑板支座的橋梁通過主梁滑動來減小主梁傳遞至下部

3、構(gòu)造的荷載，在保證橋梁抗震才能的同時(shí)可減小橋墩的尺寸.但由于滑板支座的低摩擦力，易導(dǎo)致主梁在常遇地震下發(fā)生縱向滑移.為改善該問題，本文提出一種外設(shè)剪力鍵的滑板橡膠支座系統(tǒng).在該支座系統(tǒng)中，剪力鍵作為一種“熔斷保護(hù)裝置，在罕遇地震下能發(fā)生破壞，隔斷上部構(gòu)造傳遞至下部構(gòu)造的慣性力，減小橋墩損傷，同時(shí)因剪力鍵破壞，支座產(chǎn)生滑移，充分發(fā)揮滑板橡膠支座摩擦耗能的才能，從而起到減隔震作用.而在常遇地震下，剪力鍵保持彈性狀態(tài)，這既進(jìn)步了支座整體剛度，也提供了足夠的恢復(fù)力，防止主梁發(fā)生縱向滑移.Nielson和Choi等 6-7介紹了剪力鍵在OpenSees中的模擬方法；聶利英等8模擬了剪力鍵的力學(xué)性能，并對

4、剪力鍵在異型板橋中的抗震性能進(jìn)展了研究；夏修身等9對剪力鍵工作及破壞階段分別進(jìn)展了分析模擬，認(rèn)為剪力鍵對位移峰值影響較小，但對墩底內(nèi)力影響較大.孟兮10、陳浩11等人對剪力鍵進(jìn)展了試驗(yàn)?zāi)M和分析.以上這些研究從不同角度對剪力鍵抗震性能進(jìn)展了分析，但均側(cè)重于定性分析，缺少剪力鍵的定量分析.剪力鍵設(shè)置的不合理可能導(dǎo)致構(gòu)造產(chǎn)生更大損傷.如何確定剪力鍵數(shù)量、盡量減小橋墩構(gòu)造在地震中的損傷，同時(shí)表達(dá)基于性能的抗震設(shè)計(jì)思想，對改善構(gòu)造的抗震性能尤為重要.基于此，本文首先闡述了帶剪力鍵的支座系統(tǒng)分階段工作原理，根據(jù)基于性能的抗震設(shè)計(jì)思想并結(jié)合我國?標(biāo)準(zhǔn)?要求，明確地提出了剪力鍵的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，采用數(shù)值分析方

5、法給出了簡易計(jì)算公式，以及支座系統(tǒng)在OpenSees中模擬方法.最后，結(jié)合一個(gè)詳細(xì)算例，通過非線性時(shí)程分析，分析剪力鍵的減隔震效果，比照了不同數(shù)目的剪力鍵設(shè)置對減隔震效果的影響，驗(yàn)證了本文提出的剪力鍵設(shè)計(jì)方法的合理性.1支座系統(tǒng)工作原理本文所述支座系統(tǒng)主要包括兩個(gè)局部：鋼銷剪力鍵和聚四氟乙烯滑板式橡膠支座，如圖1所示.剪力鍵其一端嵌固于蓋梁中，另一端伸入梁體但與梁體存在一定的間隙.上部構(gòu)造自重產(chǎn)生的豎向力由聚四氟乙烯滑板式橡膠支座承當(dāng)，而地震作用下產(chǎn)生的慣性力由支座和剪力鍵共同承當(dāng).在實(shí)際工程中，剪力鍵可采用蓋梁處豎向鋼筋外伸至梁底予以實(shí)現(xiàn)；間隙那么通過主梁澆筑前，在鋼筋周圍包裹所需厚度的泡沫

6、層予以實(shí)現(xiàn).帶剪力鍵的支座系統(tǒng)各階段的工作原理如下：1正常使用階段：梁底圓孔和剪力鍵之間存在間隙，剪力鍵在本階段不參與工作，因此不會影響主梁在溫度、收縮和徐變作用下的自由變形.2常遇地震階段：常溫地震發(fā)生的可能性較大但震級較小，橋梁要求處于正常使用狀態(tài).剪力鍵在該階段保持彈性，進(jìn)步支座系統(tǒng)的程度承載力，保證主梁不發(fā)生縱向滑移.3罕遇地震階段：罕遇地震發(fā)生可能性較小但震級一般較大，此時(shí)需要保證構(gòu)造存在明確地耗能部位.該階段剪力鍵將破壞從而保證滑板橡膠支座能發(fā)生較大滑移，充分耗散地震能量，同時(shí)減小上部構(gòu)造傳遞至下部構(gòu)造的程度力，防止下部構(gòu)造出現(xiàn)過大損傷.以上明確了支座系統(tǒng)需要兩個(gè)參數(shù)：間隙gap和

7、剪力鍵數(shù)量.gap大小的需要滿足主梁自由伸縮的要求.剪力鍵數(shù)量那么需要確保其在地震作用下分階段工作；當(dāng)剪力鍵數(shù)目較多時(shí)，橋梁響應(yīng)接近固定支座橋梁；當(dāng)剪力鍵數(shù)目較少時(shí)，橋梁響應(yīng)接近普通滑板式橡膠支座橋梁.2剪力鍵設(shè)計(jì)E1設(shè)防目的E2設(shè)防目的完全減隔震主梁處于彈性范圍橋墩無損傷主梁處于彈性范圍橋墩無損傷局部減隔震主梁處于彈性范圍橋墩無損傷主梁處于彈性范圍橋墩處于局部損傷，出現(xiàn)塑性鉸非減隔震主梁處于彈性范圍橋墩無損傷主梁處于彈性范圍，橋墩處于嚴(yán)重?fù)p傷，保護(hù)層混凝土發(fā)生剝落根據(jù)本文前述的3個(gè)階段工作原理可知，剪力鍵gap參數(shù)可根據(jù)主梁在溫度及收縮徐變作用下的位移值來確定.剪力鍵數(shù)目可通過式1計(jì)算：3.

8、1剪力鍵恢復(fù)力模型確定3.1.1 數(shù)值模擬方法采用ANSYS軟件來準(zhǔn)確模擬剪力鍵的力學(xué)特性.剪力鍵模型為圓柱體，底部完全固結(jié)，頂部按自由端來模擬；剪力鍵計(jì)算長度取為梁底至蓋梁頂部的間隔 ；荷載通過外表效應(yīng)單元均勻施加在剪力鍵頂部；鋼材本構(gòu)關(guān)系采用雙折線模型.分析剪力鍵的非線性受力全過程，得到剪力鍵的荷載位移關(guān)系曲線.采用雙折線簡化得到的剪力鍵荷載位移曲線，如圖2所示，其中A點(diǎn)為鋼筋外層首次屈從點(diǎn)，ABC段及CD段面積相等.采用數(shù)值分析計(jì)算繁瑣，不適用于設(shè)計(jì).為了方便工程應(yīng)用，根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果，提出滿足工程精度要求的剪力鍵恢復(fù)力模型的簡易計(jì)算公式.在剪應(yīng)力作用下，剪力鍵截面并非嚴(yán)格意義的平截面，

9、但為簡化計(jì)算，在計(jì)算彎曲變形時(shí)仍采用平截面假定，這在剪應(yīng)力不大的情況下能滿足精度要求.對于圓形截面懸臂梁，彎曲正應(yīng)力為三角形分布，剪應(yīng)力呈二次拋物線分布，其計(jì)算公式為式2：8計(jì)算得到極限位移，再考慮雙折線本構(gòu)關(guān)系的影響進(jìn)展折減.對式9進(jìn)展積分，得到極限位移的計(jì)算公式如10所示：u=2Lxdx=0.9462*yL2.10式中：2取0.451 8；*y為采用極限強(qiáng)度計(jì)算得到的屈從曲率.3.2支座系統(tǒng)模擬如圖3所示，支座系統(tǒng)可分為3個(gè)局部：剪力鍵、滑板橡膠支座和間隙.用OpenSees分析時(shí)，支座系統(tǒng)可采用零長度單元進(jìn)展模擬，恢復(fù)力模型為特殊的多折線彈塑性模型，結(jié)合OpneSees材料庫中幾種普通材

10、料以串、并聯(lián)的方式進(jìn)展模擬.1剪力鍵為雙折線模型，如圖3a所示，采用Hysteretic材料進(jìn)展模擬，材料參數(shù)包括初始剛度、屈從強(qiáng)度和屈從后剛度，均可通過上述的簡易公式或通過對剪力鍵進(jìn)展數(shù)值分析得到；2間隙采用ElasticPPGap材料模擬，材料參數(shù)包括gap大小、初始剛度及屈從荷載.gap大小可通過計(jì)算構(gòu)造的溫度及收縮徐變下主梁變形值來確定；初始剛度和屈從屈從位移大于剪力鍵極限位移，這是為了讓gap模型僅提供一個(gè)間隙而不影響剪力鍵的剛度和承載力.由于剪力鍵的間隙在縱向是雙向的，因此還需對兩個(gè)方向的模型進(jìn)展并聯(lián)，最終得到圖3b的雙向gap模型；3滑板橡膠支座為理想彈塑性模型，如圖3c所示，采

11、用Steel01材料進(jìn)展模擬，材料參數(shù)包括初始剛度、屈從強(qiáng)度和屈從后剛度.為保證構(gòu)造計(jì)算收斂，屈從后剛度不應(yīng)取為零，而應(yīng)設(shè)置為一個(gè)較小值.最后將剪力鍵模型同gap模型串聯(lián)，得到帶間隙的剪力鍵模型；然后將滑板式橡膠支座模型與之并聯(lián)，得到最終的支座系統(tǒng)模型.為便于計(jì)算，首先視剪力鍵材料為理想彈塑性材料，其屈從強(qiáng)度取實(shí)際材料的極限強(qiáng)度，按式4算例4.1算例簡介算例為一座三跨連續(xù)梁橋，跨徑布置為20 m+30 m+20 m，如圖4所示.主梁為箱型截面、C50混圖3支座模擬示意圖Fig.3Schematic of bearing地震設(shè)防烈度為8度，類場地.橋墩處布置帶剪力鍵的支座系統(tǒng).為驗(yàn)證本文分析理論

12、和簡化分析，橋臺處支座簡化為理想滑動支座.4.2模型建立主梁在地震中一般處于彈性狀態(tài)，因此本文中上部構(gòu)造采用彈性梁單元模擬.橋墩在地震作用下可能進(jìn)入塑性階段，采用基于柔度法的彈塑性纖維梁單元模擬；其中無約束混凝土及約束混凝土均采用基于KentPark單軸混凝土模型模擬，縱向鋼筋采用基于Menegotto和Pinto建議的模型.4.3地震波選取5結(jié)果分析及驗(yàn)證5.1分析工況確定5.2結(jié)果分析1E1地震作用下主梁縱向位移在E1地震作用下構(gòu)造需處于彈性階段，主梁縱向不應(yīng)出現(xiàn)剩余位移.由于墩柱在E1地震作用下均要求按彈性進(jìn)展設(shè)計(jì)，構(gòu)造內(nèi)力大多均能滿足要求.因此以下僅比照E1地震作用下構(gòu)造的位移.圖5給

13、出了wave2地震波下主梁的縱向位移時(shí)程圖.從圖中可看出，剪力鍵設(shè)置合理時(shí)，主梁位移始終在平衡位置兩側(cè)波動，不發(fā)生滑移.剪力鍵數(shù)量缺乏時(shí)，主梁位移將偏離平衡位置，且震后無法恢復(fù)，說明主梁發(fā)生滑移.以上說明假設(shè)剪力鍵設(shè)置合理，可以有效地防止主梁發(fā)生縱向滑移，防止主梁出現(xiàn)震后剩余位移.圖6給出了不同剪力鍵數(shù)目下主梁縱向位移峰值和剩余位移變化趨勢.從峰值位移可看出，隨剪力鍵數(shù)目增加，主梁位移逐步減小.由剩余位移可知，工況LS8和工況LS12的剩余位移全部處于gap范圍以內(nèi)，同設(shè)置固定支座的情況接近，而LS4和LSH均產(chǎn)生較大的剩余位移，這說明設(shè)置8根以上剪力鍵能保證其不發(fā)生破壞并始終處于彈性階段，防

14、止主梁發(fā)生滑移，而設(shè)置過少剪力鍵因其提早破壞導(dǎo)致主梁發(fā)生滑移.以上分析說明，設(shè)置8根剪力鍵能滿足E1地震作用下的設(shè)計(jì)要求.2E2地震作用下墩底縱向程度力對于完全減隔震的設(shè)計(jì)類型，E2地震作用下需保證橋墩等主體構(gòu)造不發(fā)生損傷，且位移在允許范圍內(nèi).采用帶剪力鍵支座系統(tǒng)同其他減隔震橋梁一樣會產(chǎn)生較大位移，可通過設(shè)置阻尼器、較寬的伸縮縫或適宜的主梁搭接長度來控制或適應(yīng)，以下比照E2地震作用下不同工況墩頂?shù)某潭攘?圖7所示為一條地震波下墩底縱向程度力時(shí)程.由圖可知，工況LSG墩底程度力可達(dá)1 400 kN，遠(yuǎn)高于墩底發(fā)生損傷所對應(yīng)的程度力，這說明假設(shè)設(shè)置固定支座將導(dǎo)致橋墩發(fā)生較大程度損傷；其他工況在中后

15、期的墩底程度力均被削弱至495 kN左右，說明在地震過程中剪力鍵均發(fā)生破壞，剪力鍵的破壞削弱了墩頂程度力和控制橋墩的內(nèi)力.3支座系統(tǒng)滯回模型6結(jié)論本文以高烈度區(qū)某等跨徑橋梁為例，分析了帶剪力鍵支座系統(tǒng)對橋梁抗震性能的影響，得到如下結(jié)論：剪力鍵數(shù)目對支座系統(tǒng)的抗震性能有顯著影響.設(shè)置過少剪力鍵會使其在常遇地震下過早發(fā)生破壞，無法充分發(fā)揮作用；設(shè)置過多剪力鍵會導(dǎo)致其在罕遇地震下難以發(fā)生破壞，無法起到控制下部構(gòu)造內(nèi)力的作用，無法充分發(fā)揮支座耗能才能.本文所述支座系統(tǒng)造價(jià)低廉，施工方便，通過合理設(shè)置剪力鍵的滑板式橡膠支座可以彌補(bǔ)普通滑板支座的缺點(diǎn)，滿足正常使用階段、常遇地震階段及罕遇地震階段不同的需求

16、.采用本文提供的剪力鍵恢復(fù)力模型及剪力鍵數(shù)量的計(jì)算方法可以準(zhǔn)確合理地設(shè)置剪力鍵，到達(dá)減隔震效果.剪力鍵的設(shè)置和橋墩損傷有關(guān)，為使整個(gè)構(gòu)造到達(dá)合理的抗震性能，需將剪力鍵設(shè)計(jì)同墩柱設(shè)計(jì)結(jié)合起來.單獨(dú)設(shè)置剪力鍵并不一定能進(jìn)步構(gòu)造整體的抗震性能.參考文獻(xiàn)2范立礎(chǔ).橋梁延性抗震設(shè)計(jì)M.北京：人民交通出版社， 2001： 74-95.FAN Lichu. Ductility seismic design of bridgesM. Beijing： China munication Press， 2001： 74-95. In Chinese3范立礎(chǔ)，王志強(qiáng).橋梁減隔震設(shè)計(jì)M.北京：人民交通出版社， 200

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