長(zhǎng)周期地震動(dòng)作用下隔震梁橋碰撞效應(yīng)研究

孫 穎，陳天海，卓衛(wèi)東，谷 音，許智星

(1.福州大學(xué)土木工程工學(xué)院，福建 福州 350108；2.福建省建筑科學(xué)研究院，福建 福州 350025)

長(zhǎng)周期地震動(dòng)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響主要表現(xiàn)為共振（或類共振）現(xiàn)象[1-2]．對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)而言，具有長(zhǎng)周期振動(dòng)特點(diǎn)的結(jié)構(gòu)除大跨徑結(jié)構(gòu)（斜拉橋、懸索橋等）之外，還有一類結(jié)構(gòu)同樣具有長(zhǎng)周期振動(dòng)特性，即在常規(guī)地震動(dòng)作用下抗震性能良好的減隔震橋梁．此類結(jié)構(gòu)通過(guò)人為增設(shè)減隔震裝置達(dá)到了延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)固有周期的目的，從而避開(kāi)常規(guī)地震動(dòng)的卓越周期，達(dá)到降低結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的目的．但當(dāng)結(jié)構(gòu)遭遇長(zhǎng)周期地震動(dòng)作用時(shí)，仍面臨著如位移過(guò)大、碰撞等巨大考驗(yàn)．截止目前，針對(duì)長(zhǎng)周期地震動(dòng)作用對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響的研究主要集中在幾個(gè)方面：一是針對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)自身為長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)特點(diǎn)研究，此類研究主要針對(duì)大跨徑結(jié)構(gòu)如斜拉橋[3]開(kāi)展；二是針對(duì)隔震橋梁在長(zhǎng)周期地震動(dòng)作用下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)特點(diǎn)開(kāi)展研究，此類研究的重點(diǎn)表現(xiàn)為隔震裝置的減震效率以及橋梁結(jié)構(gòu)自身地震反應(yīng)反應(yīng)特點(diǎn)(內(nèi)力、位移)的變化情況．研究結(jié)果表明：在長(zhǎng)周期脈沖型地震作用下，隔震支座的減震效果有一定的下降，梁體縱橋向位移有所增長(zhǎng)，易造成相鄰梁體的碰撞甚至發(fā)生落梁，因此，建議近斷層地區(qū)橋梁不宜采用鉛芯橡膠隔震支座[4-6]．由此可見(jiàn)，長(zhǎng)周期地震動(dòng)作用對(duì)隔震梁橋地震反應(yīng)有較為明顯的影響，特別是上部結(jié)構(gòu)的位移反應(yīng)，這在一定程度上放大了結(jié)構(gòu)出現(xiàn)碰撞的概率，但目前的研究尚未設(shè)計(jì)到長(zhǎng)周期地震動(dòng)作用對(duì)隔震梁橋碰撞效應(yīng)的影響．因此，本文以隔震梁橋?yàn)檠芯繉?duì)象，重點(diǎn)探討長(zhǎng)周期地震動(dòng)作用下隔震梁橋的碰撞反應(yīng)以及伸縮縫裝置參數(shù)變化對(duì)結(jié)構(gòu)碰撞反應(yīng)的影響程度．

1 有限元模型的建立及地震動(dòng)輸入

1.1 基本參數(shù)

五跨一聯(lián)的連續(xù)梁橋上部結(jié)構(gòu)跨徑布置為 5×40 m，采用單箱單室箱梁截面，梁高2.4 m，頂板寬12.5 m，底板寬6.25 m，腹板厚度自端部0.8 m線性變化至跨中0.45 m．主梁采用C50混凝土．為考慮上部結(jié)構(gòu)鄰跨間的碰撞，本文在基準(zhǔn)橋兩側(cè)各增加一跨32 m簡(jiǎn)支箱梁．中墩及主梁連接處的橋墩均采用花瓶式橋墩，墩高15 m，材料為C40混凝土，橋墩斷面右頂部6.0 m×3.0 m圓端形截面變化至墩底斷面為4.5 m×3.0 m圓端形截面，截面在墩頂以下6.4 m范圍內(nèi)變化．結(jié)構(gòu)布置圖如圖1所示．

圖1 橋梁總體布置圖（單位：m）Fig.1 General arrangement of bridge (Unit: m)

1.2 有限元模型的建立

本文采用 SAP2000通用有限元軟件建立基準(zhǔn)橋分析模型．其中，梁體采用空間彈性梁?jiǎn)卧M，單元質(zhì)量以集中質(zhì)量形式模擬，剛度定義為無(wú)裂縫時(shí)剛度；橋墩采用空間梁?jiǎn)卧M，與主梁類似，其剛度取無(wú)縫時(shí)剛度，不考慮其非線性變形，結(jié)構(gòu)的非彈性變形僅發(fā)生在隔震裝置[7]．為簡(jiǎn)化計(jì)算，外部邊界條件取為墩底固結(jié)．

為考慮碰撞效應(yīng)而在主梁梁端增設(shè)的簡(jiǎn)支梁，則通過(guò)節(jié)點(diǎn)束縛分別與基準(zhǔn)橋橋墩墩頂相連，縱橋向設(shè)置為滑動(dòng)連接；此處伸縮縫則采用縫單元模擬可能產(chǎn)生的碰撞效應(yīng)，其行為描述如下：

其中：open為初始縫寬度，設(shè)置為最大伸縮量 80 mm．k為彈簧常數(shù)，取碰撞梁體的軸向剛度[8]．

本文的研究對(duì)象為隔震橋梁，所采用的隔震裝置為鉛芯橡膠支座(LRB)與摩擦擺隔震支座(FPB)．LRB支座的滯回曲線理論上選用雙線性模型進(jìn)行模擬，程序中采用Wen模型予以實(shí)現(xiàn)，其滯回性能如圖2所示．LRB支座在1#～6#墩墩頂各布設(shè)兩個(gè)，其具體型號(hào)及相關(guān)參數(shù)如表1所示．

摩擦擺支座采用程序中提供的摩擦擺動(dòng)支座的非線性連接單元進(jìn)行模擬，該單元在剪切變形上與摩擦塑性耦合，具有在剪切方向上的滑移后剛度，在軸向上具有縫行為，單元不能承受軸拉力．其力學(xué)行為模式如圖3所示．摩擦擺支座的參數(shù)取值如表2所示．

圖2 LRB滯回曲線簡(jiǎn)化雙線性模型Fig.2 Simplified bilinear model of hysteretic behavior of LRB

圖3 摩擦擺支座滯回性能模型Fig.3 The model of hysteretic behavior of FPB

表1 LRB支座參數(shù)Tab.1 The parameters of lead rubber bearings

表2 FPB支座參數(shù)Tab.2 The parameters of friction pendulum bearing

1.3 地震動(dòng)輸入

基準(zhǔn)橋在近場(chǎng)及遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)作用下的碰撞反應(yīng)已在文獻(xiàn)[9]中進(jìn)行了討論．由分析結(jié)果可知，長(zhǎng)周期地震動(dòng)較易使隔震連續(xù)梁橋相鄰跨發(fā)生碰撞．本文從其中挑選碰撞反應(yīng)較為明顯的4條長(zhǎng)周期地震動(dòng)記錄作為本文的地震動(dòng)輸入(見(jiàn)表3)，探討伸縮縫參數(shù)變化對(duì)結(jié)構(gòu)碰撞效應(yīng)的影響．

表3 長(zhǎng)周期地震動(dòng)記錄Tab.3 The records of long-period ground motion

2 伸縮縫寬度變化對(duì)碰撞的影響

伸縮縫寬度的選擇，應(yīng)考慮上部結(jié)構(gòu)在氣溫變化、混凝土收縮與徐變等影響下的伸縮量．然而在長(zhǎng)周期地震作用下，隔震連續(xù)梁橋的梁體位移被放大[9]，此時(shí)，伸縮縫寬度的設(shè)置還要考慮梁間發(fā)生碰撞時(shí)，伸縮縫寬度對(duì)碰撞響應(yīng)（最大碰撞力、總碰撞次數(shù)）的影響．本文選取基準(zhǔn)橋的1#墩最為分析對(duì)象，取伸縮縫寬度為4 cm、6 cm、8 cm、10 cm、12 cm等5個(gè)寬度值，來(lái)模擬分析不同寬度對(duì)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響．圖4～圖5分別繪出了伸縮縫寬度變化對(duì)最大碰撞力及總碰撞次數(shù)的影響規(guī)律．

由圖可知，遠(yuǎn)場(chǎng)長(zhǎng)周期地震動(dòng)作用對(duì)LRB隔震梁橋的碰撞影響較大，而FPB隔震結(jié)構(gòu)的碰撞反應(yīng)則對(duì)近場(chǎng)長(zhǎng)周期地震動(dòng)更為敏感．從定量角度來(lái)看，在同等強(qiáng)度地震動(dòng)作用下，F(xiàn)PB隔震結(jié)構(gòu)的最大碰撞力低于LRB隔震結(jié)構(gòu)約1/2．此外，從碰撞力的變化趨勢(shì)來(lái)看，伸縮縫寬度增大對(duì)LRB隔震結(jié)構(gòu)碰撞力的影響較FPB隔震結(jié)構(gòu)明顯．從碰撞次數(shù)的變化規(guī)律來(lái)看，F(xiàn)PB隔震結(jié)構(gòu)在減小碰撞次數(shù)的效果方面優(yōu)于LRB隔震結(jié)果，且其受伸縮縫寬度的影響較?。?/p>

總之，無(wú)論是是在近場(chǎng)長(zhǎng)周期地震動(dòng)作用亦或是遠(yuǎn)場(chǎng)長(zhǎng)周期地震動(dòng)作用下，伸縮縫寬度的變化可使結(jié)構(gòu)的碰撞響應(yīng)發(fā)生較大改變．較大的伸縮縫寬度值，可有效減小主梁的碰撞力和碰撞次數(shù)，當(dāng)寬度值取的足夠大時(shí)，甚至可以避免碰撞的發(fā)生．從減少碰撞發(fā)生的角度來(lái)看，F(xiàn)PB隔震結(jié)構(gòu)對(duì)伸縮縫寬度的要求明顯低于LRB隔震結(jié)構(gòu)．

在實(shí)際應(yīng)用中，伸縮縫寬度的設(shè)置還要考慮梁體正常使用狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)．伸縮縫寬度過(guò)小時(shí)，就不能滿足橋梁在地震作用下的位移需求，甚至無(wú)法滿足正常使用階段下因溫度、徐變作用所產(chǎn)生的伸縮量；較大的縫寬雖然可以滿足主梁運(yùn)動(dòng)時(shí)所需的位移，而且可以有效減少主梁的碰撞次數(shù)和碰撞力，然而過(guò)大的縫寬在實(shí)際中并不適用，原因在于過(guò)大的間隙會(huì)影響橋梁的平順性，因此伸縮縫寬度的設(shè)置應(yīng)綜合考慮橋梁正常使用狀態(tài)的要求同時(shí)還要根據(jù)所采用的隔震裝置的類型兼顧其地震反應(yīng)的需求．

圖4 伸縮縫寬度變化對(duì)最大碰撞力的影響Fig.4 Effect of width of expansion joint on maximum collision force

圖5 伸縮縫寬度變化對(duì)總碰撞次數(shù)的影響Fig.5 Effect of width of expansion joint on total collision times

3 伸縮縫剛度變化對(duì)碰撞力的影響

由于梁體位移增大產(chǎn)生碰撞效應(yīng)，對(duì)梁間伸縮縫的碰撞彈簧剛度取值僅會(huì)直接影響到碰撞力的計(jì)算結(jié)果[9]，因此，本文主要討論伸縮縫剛度變化對(duì)結(jié)構(gòu)碰撞力的影響．在進(jìn)行該分析時(shí)保持伸縮縫寬度0.08 m不變，將文獻(xiàn)[8]提及的截面碰撞剛度按式(1)進(jìn)行修正[10]:

其中：EA取為2.7×108kN；α為控制截面剛度取值的系數(shù)，其取值范圍在0.2～1.0之間[10]．

根據(jù)文獻(xiàn)[9]對(duì)基準(zhǔn)橋碰撞效應(yīng)的初步分析結(jié)果可知，LRB隔震結(jié)構(gòu)在1.3節(jié)中四條地震動(dòng)作用下的碰撞效應(yīng)明顯，但對(duì)FPB隔震結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，當(dāng)伸縮縫寬度保持在8 cm時(shí)，僅2號(hào)地震動(dòng)作用下結(jié)構(gòu)出現(xiàn)碰撞，因此，在本文僅考慮在2號(hào)地震動(dòng)記錄作用下伸縮縫剛度變化對(duì) FPB隔震結(jié)構(gòu)碰撞效應(yīng)的影響．圖 6給出了剛度修正系數(shù)α變化對(duì)最大碰撞力的影響規(guī)律．

圖6 伸縮縫剛度變化對(duì)最大碰撞力的影響Fig.6 Effect of stiffness of expansion joint on maximum collision force

顯而易見(jiàn)，伸縮縫碰撞剛度的變化，可以使結(jié)構(gòu)的碰撞響應(yīng)發(fā)生一定改變．無(wú)論是遠(yuǎn)場(chǎng)長(zhǎng)周期地震動(dòng)作用還是近場(chǎng)長(zhǎng)周期地震動(dòng)作用，碰撞力均隨伸縮縫剛度的增大而增大，LRB隔震結(jié)構(gòu)的最大增幅為25%，F(xiàn)PB隔震結(jié)構(gòu)的最大增幅為17%；由最大碰撞力數(shù)值來(lái)看，在相同長(zhǎng)周期地震動(dòng)作用下，F(xiàn)PB隔震結(jié)構(gòu)的最大碰撞力僅為 LRB隔震結(jié)構(gòu)的79%．相比可知，F(xiàn)PB隔震支座在降低結(jié)構(gòu)碰撞力方面的性能優(yōu)于LRB隔震支座．

此外，碰撞力的大小與碰撞剛度有直接的關(guān)系．規(guī)律顯示，減小碰撞剛度可以顯著減小碰撞力帶來(lái)的影響．因此，在不改變主梁剛度且能達(dá)到減小碰撞力的目的要求下，在伸縮縫間設(shè)置壓縮剛度較小的緩沖材料不失為一種有效的方法．

4 結(jié)論

本文以設(shè)置LRB隔震支座及FPB隔震支座的五跨一聯(lián)連續(xù)梁橋?yàn)檠芯繉?duì)象，探討了伸縮縫參數(shù)變化對(duì)結(jié)構(gòu)最大碰撞力及碰撞次數(shù)的影響，并得到以下結(jié)論：

(1)伸縮縫寬度對(duì)長(zhǎng)周期地震動(dòng)作用下隔震結(jié)構(gòu)的最大碰撞力及總碰撞次數(shù)有較為明顯的影響，伸縮縫寬度越大，最大碰撞力及總碰撞次數(shù)越低；

(2)伸縮縫寬度的設(shè)置應(yīng)綜合考慮橋梁結(jié)構(gòu)正常使用狀態(tài)以及地震作用下的碰撞反應(yīng)；

(3)伸縮縫剛度對(duì)最大碰撞力有明顯的影響，在不改變主梁剛度的前提下，可在伸縮縫處增設(shè)壓縮剛度較小的緩沖材料以達(dá)到降低碰撞力的目的；

(4)綜合隔震連續(xù)梁橋在長(zhǎng)周期地震動(dòng)作用下伸縮縫參數(shù)變化對(duì)上部結(jié)構(gòu)最大碰撞力及總碰撞次數(shù)的影響規(guī)律可知，設(shè)置FPB隔震支座的連續(xù)梁橋其最大碰撞力及總碰撞次數(shù)均小于設(shè)置 LRB隔震支座的連續(xù)梁橋，即在降低碰撞風(fēng)險(xiǎn)的方面FPB隔震支座優(yōu)于LRB隔震支座．

本文雖然針對(duì)隔震連續(xù)梁橋開(kāi)展了部分碰撞效應(yīng)研究，由于所選用的長(zhǎng)周期地震動(dòng)數(shù)量有限，研究對(duì)象單一，因此所得結(jié)論具有一定的局限性，還有待后續(xù)研究予以驗(yàn)證．

References

[1]楊偉林,朱升初,洪海春,等.汶川地震遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)特征及其對(duì)長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)影響的分析[J].防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào),2009, 29(4):473-478.YANG Weilin, ZHU Chusheng, HONG Haichun, et al.Characteristics of far-field ground motion of Wenchuan earthquake and the effect on long-periodic structures [J].Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering, 2009, 29 (4): 473-478.

[2] 王博,白國(guó)良,代慧娟. 典型地震動(dòng)作用下長(zhǎng)周期單自由度體系地震反應(yīng)分析[J]. 振動(dòng)與沖擊, 2013, 32(5):190-196.WANG Bo, BAI Guoliang, DAI Huijuan. Seismic response analysis of long-period SDOF system under typical ground motions [J]. Journal of Vibration and Shock,2013, 32(5): 190-196.

[3] 陳清軍, 張婷, 陳志海, 等. 長(zhǎng)周期隨機(jī)地震作用下超大跨斜拉橋的行波效應(yīng)分析. 湖南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版, 2014, 41(4): 1-9.CHEN Qingjun, ZAHNG Ting, CHEN Zhihai, et al.Traveling wave effect analysis of super-long-span cable-stayed bridge under long-period stochastic seismic excitation [J]. Journal of Hunan University: Natural Sciences, 2014, 41(4): 1-9.

[4] 王統(tǒng)寧,劉建新,于永波. 近斷層地震動(dòng)作用下減隔震橋梁空間動(dòng)力分析[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào), 2009, 9(5):20-31.WANG Tongning, LIU Jianxin, YU Yongbo. Spatial dynamic analysis of isolated bridges subjected to near-field ground motion [J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering, 2009, 9(5): 20-31.

[5] 于永波. 減隔震橋梁的空間動(dòng)力分析及動(dòng)力試驗(yàn): [D].西安: 長(zhǎng)安大學(xué), 2004.YU Yongbo. 3-dimension dynamic analysis of isolation bridge and dynamic testing [D]. Xi′an: Chang′an University, 2004.

[6] 葉鑫. 近場(chǎng)長(zhǎng)周期地震動(dòng)對(duì)減隔震連續(xù)梁橋的地震響應(yīng)的影響研究[J].公路工程, 2014,(1):135-139.YE Xin, LI Xue-hong, XU Xiu-li, etc. Analysis of isolated continuous girder bridges’ seismic response under the near-fault long-period ground motion [J].Highway Engineering, 2014, (1):135-139.

[7] 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, 2001.FAN Lichu, WANG Zhi-qiang. Isolation Design of Bridges [M]. Beijing: China Communications Press,2001.

[8] 李黎,葉志雄,吳璟. 隔震連續(xù)梁橋地震作用下梁間碰撞響應(yīng)的研究[J].公路交通科技, 2009,26(7):100-104 LI Li, YE Zhixiong, WU Jing. Analysis on seismic pounding response of isolated continuous girder bridge under earthquake excitation [J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2009,26(7):100-104.

[9] 許智星. 長(zhǎng)周期地震作用下隔震連續(xù)梁橋的地震反應(yīng)特性研究:[D]. 福州:福州大學(xué),2014.XU Zhixing. Study on seismic response characteristics of isolated continuous girder bridges subjected to long-period ground motions [D]. Fuzhou: Fuzhou University, 2014.

[10] 段文中. 地震作用下鋼筋混凝土梁橋間碰撞響應(yīng)分析及防止措施研究:[D].西安, 西安理工大學(xué), 2007.DUAN Wenzhong. Analysis of seismic response including pounding effect and shock attenuation measure for reinforced concrete bridge[D].Xi′an: Xi′an University of Technology, 2007.