地震作用下斜交橋碰撞響應(yīng)研究進(jìn)展

湛　敏，　王軍文

(石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

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地震作用下斜交橋碰撞響應(yīng)研究進(jìn)展

湛敏，王軍文

(石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

斜交橋在歷次破壞性地震中，遭到嚴(yán)重破壞，其中，梁體碰撞破壞是最為常見(jiàn)的震害之一。針對(duì)地震作用下斜交橋存在的梁體碰撞破壞現(xiàn)象，分別對(duì)地震作用下斜交橋碰撞模型的建立、地震碰撞響應(yīng)及限位措施的研究進(jìn)展進(jìn)行了回顧和總結(jié)，同時(shí)指出目前在斜交橋碰撞方面亟待解決的問(wèn)題和需要進(jìn)一步研究的方向。

斜交橋；碰撞模型；地震響應(yīng)；限位措施

近年來(lái)，隨著我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)的快速發(fā)展，橋梁建設(shè)事業(yè)也得到飛速發(fā)展，橋梁數(shù)量日益增多。由于斜交橋不僅能很好地適應(yīng)地形環(huán)境的變化，改善道路線形[1]，而且其結(jié)構(gòu)線條流暢、優(yōu)美，因此，在城市立交及公路橋梁中得到廣泛應(yīng)用，成為重要的交通樞紐。但斜交橋由于其不規(guī)則的結(jié)構(gòu)布置，地震響應(yīng)要比正橋更為復(fù)雜，損壞程度也更為嚴(yán)重。近20余a發(fā)生的幾次大地震使斜交橋普遍遭到嚴(yán)重破壞，其中以梁體碰撞破壞最為常見(jiàn)：如1991年哥多黎加地震中的Rio Bananito斜交橋(斜交角為30°)因碰撞而引起梁體轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)大導(dǎo)致落梁震害[2]；1999年墨西哥地震中多數(shù)斜交橋存在梁體與擋塊間的碰撞現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致?lián)鯄K破壞[3]；2008年汶川大地震中，綿竹市新東橋在銳角處發(fā)生碰撞損傷；映秀岷江大橋、徹底關(guān)大橋、馬尾橋等均出現(xiàn)梁體與橫向擋塊間的碰撞震害[4]。針對(duì)斜交橋易發(fā)生碰撞震害這一現(xiàn)象，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)斜交橋地震碰撞模型的建立，結(jié)構(gòu)參數(shù)、相鄰結(jié)構(gòu)間初始間隙、碰撞剛度等對(duì)橋面最大轉(zhuǎn)角的影響，斜交橋限位措施等進(jìn)行了大量研究并得出很多有價(jià)值的結(jié)論。在此對(duì)斜交橋地震碰撞響應(yīng)研究現(xiàn)狀進(jìn)行回顧和總結(jié)，同時(shí)對(duì)需進(jìn)一步研究的方向進(jìn)行展望。

1　碰撞模型的建立

一般碰撞的模擬方法有碰撞動(dòng)力學(xué)法和接觸單元法，由于碰撞動(dòng)力學(xué)法只考慮結(jié)構(gòu)碰撞前后的狀態(tài)，不是基于時(shí)間過(guò)程的分析，故很難進(jìn)行有限元計(jì)算分析，因此限制了其應(yīng)用范圍。接觸單元法是在兩相鄰結(jié)構(gòu)之間設(shè)置一個(gè)接觸單元，接觸單元一般采用彈簧模擬碰撞時(shí)的剛度，用阻尼器模擬碰撞時(shí)的能量損失，碰撞發(fā)生時(shí)接觸單元被激活。常用的接觸單元模型有線彈簧模型[5]、Kelvin模型[6]、Hertz模型[7-8]、Hertz-damp模型[8]等。上述單元模型只考慮了接觸面法向的碰撞力，均未考慮接觸面切向的摩擦力，為此，吳天宇[9]提出了更為精細(xì)化的簡(jiǎn)支斜交橋三維點(diǎn)—面碰撞模型。朱平等[10]建立了考慮動(dòng)摩擦力的三維接觸—摩擦模型，用于模擬橋梁梁體間的任意碰撞。禚一等[11]基于Kelvin模型，并考慮接觸點(diǎn)間橫向和豎向的相對(duì)摩擦作用，建立了三維Kelvin接觸—摩擦撞擊模型，使得對(duì)碰撞模擬更為真實(shí)。

三維模型雖然能夠更加真實(shí)地模擬相鄰結(jié)構(gòu)間的碰撞行為，但由于建模復(fù)雜且計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)，因此，在實(shí)際工程中并不常用。為了得到簡(jiǎn)化的碰撞模型并且保證模擬精度，很多學(xué)者對(duì)不同的碰撞模型進(jìn)行了改進(jìn)。許祥等[12]結(jié)合Kelvin模型和Hertz-damp模型構(gòu)造了新的碰撞阻尼系數(shù)，提出了線性粘彈性碰撞模型，消除了Kelvin模型中出現(xiàn)的撞擊力跳躍和拉力的缺陷。葉昆等[13]對(duì)Kelvin模型提出了改進(jìn)，并就改進(jìn)的 Kelvin 模型中的參數(shù)確定方法進(jìn)行了理論推導(dǎo)，克服了Kelvin模型中粘滯阻尼系數(shù)固定不變、與實(shí)際的碰撞物理事實(shí)不符的缺點(diǎn)?；贖ertz理論，黃瀟[14]通過(guò)對(duì)該模型中阻尼常數(shù)的表達(dá)式進(jìn)行修正，推導(dǎo)出新的Hertz-damp碰撞分析模型；李忠獻(xiàn)等[15]則是考慮了波動(dòng)效應(yīng)，建立了碰撞分析的等效Kelvin碰撞模型，同時(shí)指出波動(dòng)效應(yīng)對(duì)碰撞彈簧剛度計(jì)算值有顯著影響，不能忽略，并給出剛度系數(shù)和恢復(fù)系數(shù)的合理取值。劉鵬等[16]基于Hertz-damp模型及Hertz模型提出了一種改進(jìn)的求解方法，使得對(duì)碰撞過(guò)程中能量耗散比較大的問(wèn)題具有更強(qiáng)的適用性。

2　斜交橋地震碰撞響應(yīng)

2.1 連續(xù)斜交梁橋

在地震作用下，梁體與橋臺(tái)的碰撞易使連續(xù)斜交梁橋發(fā)生橋面扭轉(zhuǎn)進(jìn)而導(dǎo)致落梁震害，針對(duì)這一現(xiàn)象，學(xué)者們進(jìn)行了深入研究。

廖興[17]與盧明奇等[18]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)梁體與橋臺(tái)間的碰撞效應(yīng)最顯著的影響表現(xiàn)在易使橋面發(fā)生扭轉(zhuǎn)位移并增大橋墩扭矩，進(jìn)而導(dǎo)致橋墩發(fā)生剪切破壞。P.Tirasit等[19]通過(guò)分析地震作用下斜度及碰撞作用對(duì)連續(xù)斜交梁橋橋面旋轉(zhuǎn)的影響，指出梁體與橋臺(tái)間的碰撞不但會(huì)引起梁體的面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，還會(huì)增大橋墩的扭矩，這與上述結(jié)論保持一致。L.Lou等[20]與何健等[21]從碰撞角度出發(fā)，重點(diǎn)研究了梁端碰撞對(duì)結(jié)構(gòu)地震位移的影響，研究認(rèn)為：碰撞作用易導(dǎo)致斜橋平面旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象；結(jié)構(gòu)地震非線性位移對(duì)梁端截面最邊緣碰撞單元較為敏感。為進(jìn)一步研究碰撞效應(yīng)對(duì)連續(xù)斜交梁橋的影響，胡建新[22]分析了碰撞效應(yīng)及結(jié)構(gòu)偏心效應(yīng)對(duì)連續(xù)斜交梁橋梁體轉(zhuǎn)角的影響，分析指出，地震作用下連續(xù)斜交橋梁體與橋臺(tái)的碰撞效應(yīng)及結(jié)構(gòu)偏心效應(yīng)是導(dǎo)致橋面轉(zhuǎn)動(dòng)的主要原因。梁才等[23]研究認(rèn)為，無(wú)縫化斜交橋由于其臺(tái)后結(jié)構(gòu)的約束，在地震中可以防止梁端碰撞及落梁震害?？梢?jiàn)，很多學(xué)者通過(guò)研究揭示出連續(xù)斜交梁橋橋面旋轉(zhuǎn)機(jī)理，普遍認(rèn)為梁體與橋臺(tái)間縱向碰撞是引起連續(xù)斜交梁橋橋面扭轉(zhuǎn)震害的主要原因。此外，已有研究指出[24-25]，橋臺(tái)臺(tái)后填土對(duì)斜交橋地震反應(yīng)具有重要影響，不過(guò)很少有學(xué)者從碰撞角度進(jìn)一步研究橋臺(tái)臺(tái)后填土對(duì)連續(xù)斜交梁橋地震碰撞反應(yīng)的影響。

2.2 簡(jiǎn)支斜交梁橋

黃金翠[26]忽略了橫向擋塊對(duì)單跨簡(jiǎn)支斜交梁橋地震碰撞響應(yīng)的影響，發(fā)現(xiàn)只考慮梁體與橋臺(tái)縱向碰撞時(shí)，簡(jiǎn)支斜交梁橋橋面旋轉(zhuǎn)對(duì)支承剛度較為敏感；隨著伸縮縫寬度的增加，橋臺(tái)與主梁的碰撞力、碰撞次數(shù)、橋面最大轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的持續(xù)時(shí)間都逐漸減小。為研究橫向碰撞對(duì)簡(jiǎn)支斜交梁橋地震反應(yīng)的影響，S.Maleki[27、28]以中、小跨徑的公路簡(jiǎn)支斜交梁橋?yàn)楸尘埃瑢ｉT對(duì)橫向碰撞進(jìn)行研究，研究發(fā)現(xiàn)：忽略擋塊與支座之間的間隙、不考慮橫向碰撞效應(yīng)是偏于不安全的，考慮間隙與不考慮間隙相比，作用于鉸支座上的地震力可能增大3～4倍，而作用于彈性支座上的地震力可能增大10～12倍。劉鵬[29]與羅婧文等[30]則進(jìn)一步研究了擋塊初始間隙對(duì)橫向地震碰撞反應(yīng)的影響，研究指出：橋面最大轉(zhuǎn)角與擋塊初始間隙的設(shè)置有一定的關(guān)系，并且存在一個(gè)最佳值，當(dāng)其處于最佳值時(shí)，對(duì)橋面轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)抑制最明顯，而初始間隙與各擋塊最大碰撞力之間的關(guān)系具有不確定性。

上述分析表明，對(duì)于簡(jiǎn)支斜交梁橋，相鄰梁體間及梁體與橋臺(tái)間的縱向碰撞是引起橋面旋轉(zhuǎn)的重要原因，而橫向擋塊則對(duì)橋面旋轉(zhuǎn)具有很好的抑制作用，不能忽略，因此，如果僅考慮縱向碰撞或橫向碰撞，都與實(shí)際不相符。為此，沈賢[31]分析探討了縱、橫向碰撞參數(shù)對(duì)簡(jiǎn)支斜交梁橋橋面旋轉(zhuǎn)的影響，結(jié)果表明：地震作用下，縱向碰撞剛度、相鄰梁體間初始間隙及梁體和橫向擋塊間初始間隙對(duì)簡(jiǎn)支斜交梁橋橋面轉(zhuǎn)角的影響較大，而橫向碰撞剛度對(duì)簡(jiǎn)支斜交梁橋橋面轉(zhuǎn)角的影響較小。孫慶凱[32]數(shù)值模擬了地震作用下簡(jiǎn)支斜交梁橋發(fā)生落梁震害的全過(guò)程，結(jié)果表明：碰撞效應(yīng)是引起簡(jiǎn)支斜交梁橋落梁的重要原因；落梁發(fā)生時(shí)往往伴隨著擋塊的嚴(yán)重破壞，且銳角處的擋塊碰撞破壞程度大于鈍角處的破壞程度。

通過(guò)上述研究可以發(fā)現(xiàn)，相鄰梁體間的碰撞使得簡(jiǎn)支斜交梁橋地震碰撞響應(yīng)更為復(fù)雜，在進(jìn)行簡(jiǎn)支斜交梁橋地震碰撞響應(yīng)分析時(shí)則需要綜合考慮斜度、碰撞剛度、伸縮縫寬度、初始間隙等參數(shù)的影響。此外，對(duì)于多跨簡(jiǎn)支斜交梁橋地震碰撞反應(yīng)的影響因素更多，同時(shí)，臺(tái)后填土的影響往往也不能忽略，而這些都需要進(jìn)一步深入研究。

2.3連續(xù)斜交剛構(gòu)橋

連續(xù)斜交剛構(gòu)橋一般采用邊墩及橋臺(tái)用活動(dòng)支座與梁體連接，而中間橋墩與梁體固結(jié)的結(jié)構(gòu)形式，這使得連續(xù)斜交剛構(gòu)橋在地震作用下易出現(xiàn)因橋面扭轉(zhuǎn)而在橋墩中引起扭矩，最終導(dǎo)致橋墩剪切破壞及扭轉(zhuǎn)破壞。

國(guó)外對(duì)這種橋型使用較多，研究也較早。其中，Meng[33]和Catacoli[34]等研究表明：在地震作用下，斜交剛構(gòu)橋易在橋墩處發(fā)生剪切破壞，并伴有扭轉(zhuǎn)震害；斜度對(duì)橋梁的動(dòng)力響應(yīng)有重要影響，較大斜度會(huì)使橋梁發(fā)生旋轉(zhuǎn)和扭曲從而導(dǎo)致橋梁內(nèi)力產(chǎn)生變化。同時(shí)，Meng[35]與Mohti[36]等認(rèn)為簡(jiǎn)化的桿系模型能夠準(zhǔn)確反映斜交剛構(gòu)橋橋墩扭轉(zhuǎn)導(dǎo)致的內(nèi)力變化，適合進(jìn)行非線性時(shí)程分析。Huo等[37]使用易損性分析方法研究了碰撞和斜度對(duì)典型多跨混凝土公路橋梁地震響應(yīng)的影響，發(fā)現(xiàn)碰撞效應(yīng)對(duì)正橋影響很小，可以忽略，但對(duì)斜交橋尤其是斜交角度較大的斜交剛構(gòu)橋有很大影響。國(guó)內(nèi)，文獻(xiàn)[38-41]對(duì)客運(yùn)專線連續(xù)斜交剛構(gòu)橋的動(dòng)力特性進(jìn)行了研究，研究指出：連續(xù)斜交剛構(gòu)橋具有良好的動(dòng)力性能，但對(duì)于連續(xù)斜交剛構(gòu)橋的深入分析目前還鮮有報(bào)道。孫慶凱[32]以一座斜交剛構(gòu)—連續(xù)組合梁橋?yàn)楣こ瘫尘斑M(jìn)行分析研究，研究發(fā)現(xiàn)：斜交橋碰撞過(guò)程中，主梁梁端碰撞力呈現(xiàn)不均勻分布，銳角處的碰撞程度要大于鈍角處的碰撞程度；橫向擋塊上的碰撞力分布也不均勻，并且銳角處的擋塊受到的碰撞要更嚴(yán)重。

3 限位措施研究

限位措施對(duì)橋梁抗震設(shè)計(jì)具有積極作用，為了闡明不同限位措施的使用效果，M.Saiidi等[42]提出了三種簡(jiǎn)支梁橋限位裝置設(shè)計(jì)方法，認(rèn)為設(shè)置限位裝置能有效減小梁端位移。Watanabe G.等[43]針對(duì)三種纜索限位器對(duì)斜交橋碰撞的影響分別進(jìn)行了研究，研究發(fā)現(xiàn)：限位器沿梁端橫向布置對(duì)斜交橋橋面旋轉(zhuǎn)約束效果最好，其次是限位器垂直于支承線布置，而限位器沿橋梁縱向布置限位效果最差。G.Sevgili等[44]研究表明：利用連接板將多跨簡(jiǎn)支斜交梁橋加固為橋面連續(xù)的體系能有效減小橋面的縱、橫向位移以及相鄰梁體間的相對(duì)位移；用連接板代替伸縮縫能減小相鄰結(jié)構(gòu)間的碰撞力。

我國(guó)對(duì)于結(jié)構(gòu)外形不規(guī)則的斜交橋，一般只設(shè)置橫向擋塊，而很少采取其他限位措施，橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范也僅把橫向擋塊作為一種構(gòu)造措施，針對(duì)斜交橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的防旋轉(zhuǎn)限位措施的研究還較少。沈賢等[45]研究表明：在簡(jiǎn)支斜交梁橋梁端銳角區(qū)設(shè)置縱向墊塊對(duì)減小地震引起的橋面旋轉(zhuǎn)和梁端縱向位移有較好的效果。對(duì)于斜交橋限位措施的其它設(shè)計(jì)方法，有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論及展望

4.1 結(jié)論

通過(guò)綜述國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)斜交橋碰撞模型的建立、地震碰撞響應(yīng)及限位措施的研究狀況和進(jìn)展，其研究成果可以歸納為：

(1)在地震作用下，斜交橋的地震響應(yīng)要比正交橋更為劇烈，損壞程度也更為嚴(yán)重，在斜交橋的破壞中梁體碰撞破壞是最常見(jiàn)的震害之一，歷次地震的震害情況也印證了這一點(diǎn)。

(2)斜交橋的碰撞模型有多種建立方法，針對(duì)不同方法的優(yōu)缺點(diǎn)，很多學(xué)者對(duì)碰撞模型進(jìn)行改進(jìn)，使得改進(jìn)后的碰撞模型具有更高的精度和更強(qiáng)的適用性。

(3)地震作用下斜交橋主梁與橋臺(tái)的縱向碰撞是導(dǎo)致梁體面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)的主要原因，同時(shí)橫向碰撞對(duì)斜交橋的地震響應(yīng)影響也很大，不能忽略，而梁體與橋臺(tái)的初始間隙以及梁體與擋塊的初始間隙則是影響碰撞的重要參數(shù)。

(4)斜交橋限位措施能很好地限制梁體的位移及轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)防止梁體落梁是有利的，而橫向擋塊則是斜交橋中最為常見(jiàn)的限位措施。

4.2 建議及展望

(1)對(duì)斜交橋進(jìn)行地震響應(yīng)研究具有重要意義，同時(shí)，對(duì)橋梁橫向擋塊設(shè)計(jì)、伸縮縫設(shè)計(jì)以及梁體與擋塊的初始間隙的取值等問(wèn)題應(yīng)該進(jìn)行系統(tǒng)、規(guī)范的研究，以滿足抗震設(shè)計(jì)的要求。

(2)目前對(duì)墩臺(tái)彈塑性變形、碰撞位置的變化、碰撞變形的影響、臺(tái)后填土的影響等研究還較少，需要建立考慮更多因素的碰撞模型進(jìn)行分析研究，從而找到更加合理的抗震措施。

(3)對(duì)斜交橋的地震碰撞響應(yīng)研究主要集中于簡(jiǎn)支斜交梁橋以及連續(xù)斜交梁橋，而針對(duì)連續(xù)斜交剛構(gòu)橋的抗震分析，還缺乏深入研究。

(4)針對(duì)斜交橋限位措施的研究還處于起步階段，還有很多問(wèn)題亟待解決。

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On the Recent Progress in the Study of the Impact Response of Skewed Bridges Under Earthquakes

ZHAN Min,WANG Junwen

(College of Civil Engineering,Shijiazhuang Tiedao University,Shijiazhuang 050043,China)

In previous destructive earthquakes, skewed bridges were often seriously damaged,with the girder bodies colliding with each other being the commonest cause of the damage. Aiming at studying the damages of skewed bridges resulting from the phenomena of the girder bodies colliding with each other under the action of destructive earthquakes, the recent progress in the study of the establishment of the colliding model for the skewed bridge under the action of an earthquake,the earthquake-caused colliding response and limiting measures is reviewed and summed up in the paper,upon the basis of which also pointed out in the paper are some of the problems in the aspect of skewed bridges colliding with each other that need to be solved urgently at present,and the orientations of further studies in the future.

skewed bridge;impact model;seismic response;limiting measures

2016-01-15

湛敏(1991—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)闃蛄嚎拐稹jlhzm@163.com

10.13219/j.gjgyat.2016.05.001

U442.55;U448.41

A

1672-3953(2016)05-0001-05