近断层地震动作用下大跨度上承式(Deck-type)拱桥地震致支座脱空(Bearing Uplift)：分析与减振(Mitigation)

《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》：Seismic-induced bearing uplift in long-span deck-type arch bridges: Analysis and mitigation under near-fault ground motions

　　

既往震害表明，支座脱空（bearing uplift）是引起桥梁结构破坏的关键原因之一，但大跨度上承式（deck-type）拱桥中该问题尚未得到足够重视。为此，研究人员建立了考虑支座脱空行为的大跨度上承式拱桥精细化有限元模型，采用近断层脉冲型（near-fault pulse-like）地震动进行三向激励，系统研究了支座脱空的演化机理及拱上建筑分段方案（Spandrel Structural Segmentation Schemes, SSSSs）对该现象的影响。结果表明：大跨度上承式拱桥支座脱空过程经历初始受压、主梁上抬及梁-支座碰撞三个阶段，导致主梁产生显著向上位移，大幅放大支座反力，并加剧主梁与横梁抗震响应，增加结构损伤风险；拱上结构铰接跨处不连续部位被识别为高危险区。全简支体系下，具有强竖向振动特征的L/4及3L/4处支座脱空次数（UC）可达数十次，脱空历时（UT）超10 s；而全连续体系可有效缓解该问题。进一步研究表明，全连续体系中当过渡墩支座力均匀比（Force Uniformity Ratio, RF）较低时，相邻支座最大反力（FB,max）出现"失衡效应（imbalance effect）"，提高过渡墩支座RF可同步控制UC、UT及FB,max。此外，主梁轻量化确认为大跨度上承式拱桥抗震设计的重要方向。所提出的初始支座反力优化设计方法可计算各支座最优RF解，有效抑制支座脱空问题。

本文对发表于《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》的论文《Seismic-induced bearing uplift in long-span deck-type arch bridges: Analysis and mitigation under near-fault ground motions》（Maojun Yuan, Lueqin Xu, Da Fu, Rui Jiang, Longhua Zeng, Jianting Zhou，重庆交通大学土木工程学院）进行解读总结。

研究背景与意义

历次强震（2001年Nisqually地震、2011年东日本大地震、2021年中国玛多地震等）均记录到桥梁支座与主梁分离再接触即支座脱空（bearing uplift）引发横梁严重损伤甚至落梁的震害案例。已有研究多聚焦于斜拉桥和普通梁桥，指出支座脱空会改变边界条件和传力路径、降低减隔震装置耗能能力并造成其余支座偏压。中国西南山区广泛分布高烈度地震区，修建有大量大跨度上承式（deck-type）拱桥，该类桥在地震作用下拱肋空间振动传递至拱上建筑（spandrel structure），较梁桥和斜拉桥承受额外的基础变形激励，脱空风险更高，且近断层（near-fault）脉冲型地震动具速度大脉冲特征更易诱发竖向大振幅。然而现有研究未充分考虑该类桥型在近断层地震动下的支座脱空问题，也未见通过调整拱上建筑分段方案（Spandrel Structural Segmentation Scheme, SSSS）控制脱空的研究。因此，研究人员以典型500 m主跨上承式钢管混凝土桁架拱桥为背景，开展近断层地震动下支座脱空机理、SSSS影响及初始反力优化设计研究，具有重要工程参考价值。

主要关键技术方法

研究人员选取主跨500 m、矢高105 m（矢跨比1/4.76）靠近活断层的上承式钢腹管桁架拱桥为工程背景，建立考虑支座非线性拉压分离-再接触碰撞行为的精细化有限元模型（M_U为可考虑脱空模型，M_T为传统固接模型）。从PEER数据库选取10条符合II类场地条件的近断层脉冲型（near-fault pulse-like）地震波（PGA=0.6g）进行三向输入。设置三种拱上建筑分段方案（SSSS）——全简支体系、全连续体系及各分段连续体系，对比分析支座脱空次数（U_C）、脱空历时（U_T）、支座最大反力F_B,max及主梁/横梁地震响应。引入支座力均匀比（Force Uniformity Ratio, R_F，定义为单支座初始恒载反力与平均初始反力之比），探讨R_F与脱空指标及邻跨反力失衡的关系，并提出基于目标R_F分配的各支座初始反力优化设计方法。

研究结果

Bridge model description（桥梁模型描述）

以主跨500 m双肢变高度Q500qE钢腹管桁架拱（拱脚桁高/宽16 m×32 m渐变至拱顶11 m×22 m，管内填C70微膨胀混凝土）、立柱支承预制预应力混凝土主梁之上承式拱桥为背景建模，计入材料非线性和支座接触行为。

Input ground motions（输入地震动）

选用10条PEER中近断层脉冲型记录，符合II类场地，用于三向时程分析。

Bearing uplift phenomenon（支座脱空现象）

通过M_U与M_T支座反力时程对比发现，地震过程中支座反力可出现受拉段（M_U因无抗拉能力发生分离），随后再接触产生碰撞力。脱空演化分三阶段：①初始压缩阶段——拱振动传递使支座压力波动；②主梁上抬（girder uplifting）阶段——竖向脉冲使梁底脱离支座面；③梁-支座碰撞（girder-bearing collision）阶段——梁回落撞击支座产生瞬时压力放大。此过程显著增大主梁竖向位移、支座峰值反力及横梁剪力，证实忽略脱空将低估结构地震响应。

Influence OF SSSSs ON bearing uplift（拱上建筑分段方案SSSS对支座脱空的影响）

不同SSSS改变整体刚度和主拱-拱上结构耦合振型。全简支体系中，L/4与3L/4跨径处（竖向振型腹点，强竖向振动）支座U_C达数十次，U_T＞10 s，铰接缝处为高危区；全连续体系因纵向/横向连续性约束梁端上抬运动，U_C与U_T大幅降低，脱空得有效抑制。分段连续体系效果介于两者之间。

Conclusions（结论，译自原文结论部分）

本研究探讨了近断层脉冲型地震动作用下大跨度上承式拱桥的支座脱空行为及其影响。建立了表征地震作用下支座脱空非线性分离-再接触碰撞的分析模型，识别并讨论了支座脱空现象，详细分析了脱空对支座、主梁及横梁抗震响应的影响。为减轻脱空，系统研究了SSSS影响并推荐全连续体系。结果揭示脱空经历初始受压、主梁上抬及梁-支座碰撞三阶段，放大结构响应；全简支体系L/4和3L/4处脱空严重，全连续体系可有效缓解。全连续体系中低R_F引发相邻支座F_B,max失衡效应，提高过渡墩支座R_F可同步控制U_C、U_T及F_B,max。主梁轻量化为重要抗震设计方向。提出的初始支座反力优化设计方法可计算各支座最优R_F解，有效减轻支座脱空问题。

讨论总结

研究人员指出既往抗震研究忽视大跨度上承式拱桥特有的拱-梁空间耦联诱发的支座脱空风险，外加辅助抗拔装置（如AU-FPB、TRD等）在该类桥型中可能不足。本文创新性地引入SSSS概念对比体系差异，明确全连续体系优越性，并首次将初始恒载下支座力均匀比R_F与脱空及邻跨反力失衡关联，提出可通过调整成桥后支座预设反力（如通过支座垫板厚度或可调支座）实现R_F优化分配以协同控制脱空次数、脱空时间及峰值反力。研究成果为大跨度上承式拱桥在近断层高烈度区的抗震设计与支座选型提供了理论依据和设计方法。