近斷層地震下小半徑曲線(xiàn)橋碰撞響應(yīng)的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究

焦馳宇，劉文勃，桂曉珊，龍佩恒，吳宜峰

(1. 北京建筑大學(xué)未來(lái)城市設(shè)計(jì)高精尖創(chuàng)新中心，北京 100044；2. 北京建筑大學(xué)工程結(jié)構(gòu)與新材料北京高等學(xué)校工程研究中心，北京 100044；3. 同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092；4. 北京建筑大學(xué)北京節(jié)能減排關(guān)鍵技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，北京 100044；5. 北京國(guó)道通公路設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，北京 100053)

近年來(lái)，近斷層地震動(dòng)(距離斷層破裂面20 km以?xún)?nèi)的地震動(dòng))，因含有永久破裂位移、方向性效應(yīng)、上盤(pán)效應(yīng)、速度大脈沖、強(qiáng)地震動(dòng)集中等特點(diǎn)，其對(duì)工程結(jié)構(gòu)的影響備受關(guān)注。根據(jù)是否含有顯著的脈沖效應(yīng)，近斷層地震動(dòng)又可分為近斷層脈沖型地震動(dòng)、近斷層非脈沖型地震動(dòng)。近斷層脈沖型地震動(dòng)，因具有較大的加速度峰值和長(zhǎng)周期速度脈沖[1]，往往使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生強(qiáng)烈的地震響應(yīng)，并對(duì)長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)造成顯著破壞。圍繞此類(lèi)問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者展開(kāi)了深入研究：如Somerville 等[2]、賈俊峰等[3]系統(tǒng)性的總結(jié)回顧了近斷層地震動(dòng)具有速度幅值大、速度脈沖周期長(zhǎng)等特性，并提及周期4 s 以上的長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)受此地震動(dòng)影響較大而產(chǎn)生顯著破壞。郭恩、周錫元 [4] 發(fā)現(xiàn)當(dāng)結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性階段后，近斷層脈沖型地震動(dòng)中的高能量速度脈沖容易引起較大的位移和速度沖擊作用。李旭等[5]發(fā)現(xiàn)近斷層地震動(dòng)對(duì)長(zhǎng)周期高層結(jié)構(gòu)抗震以及非線(xiàn)性變形的短周期結(jié)構(gòu)均有較大影響。國(guó)內(nèi)外震害研究表明：近斷層速度脈沖容易誘發(fā)相鄰主梁之間、主梁與橋臺(tái)之間的碰撞，往往是導(dǎo)致橋梁落梁、垮塌的主要原因。而曲線(xiàn)橋作為典型的非規(guī)則橋梁，相比于直線(xiàn)橋在地震作用下受力更為復(fù)雜，其震害受近場(chǎng)地震動(dòng)影響更為顯著。

同時(shí)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)橋梁碰撞問(wèn)題進(jìn)行了一系列研究，李忠獻(xiàn)等[6]通過(guò)對(duì)一座兩跨簡(jiǎn)支梁橋進(jìn)行縮尺振動(dòng)臺(tái)碰撞試驗(yàn)，對(duì)比了板式橡膠支座及鉛芯橡膠支座的隔震性能，同時(shí)通過(guò)設(shè)置碰撞頭研究了簡(jiǎn)支梁橋的相鄰梁碰撞規(guī)律，并驗(yàn)證了數(shù)值模擬中的Kelvin 模型。李忠獻(xiàn)等[7]建立了考慮波動(dòng)效應(yīng)影響下的Kelvin 碰撞模型，該模型與Hertz 接觸理論相等效，通過(guò)理論及計(jì)算分析給出該模型各個(gè)參數(shù)的取值范圍，為橋梁結(jié)構(gòu)的碰撞響應(yīng)研究提供了理論基礎(chǔ)。Desroches 等[8]通過(guò)對(duì)多跨橋梁的簡(jiǎn)化二維模型的參數(shù)化分析，提出相鄰聯(lián)的周期比、地震動(dòng)特征周期是影響橋梁碰撞的最為重要的兩個(gè)參數(shù)。吳璟[9]對(duì)僅考慮曲桿沿桿端平動(dòng)的情況下的曲桿軸心碰撞理論進(jìn)行研究，其結(jié)論表明：曲線(xiàn)橋的鄰梁間的碰撞仍可采用Kelvin 模型計(jì)算，但應(yīng)當(dāng)將其碰撞剛度修正為較短主梁的軸向剛度。Shi 等[10]通過(guò)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，探究主梁-橋臺(tái)之間非均勻碰撞規(guī)律，表明即使橋面是筆直的，平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)也會(huì)產(chǎn)生很大的影響，這些非均勻接觸引起的旋轉(zhuǎn)會(huì)對(duì)橋墩和墩柱框架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯的殘余位移和損壞。何立翔等[11]通過(guò)設(shè)計(jì)了空間多點(diǎn)地震作用下橋梁結(jié)構(gòu)碰撞響應(yīng)的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)地震動(dòng)的空間變異性對(duì)整個(gè)橋梁的影響不能忽視，較大的碰撞力可能對(duì)橋梁產(chǎn)生嚴(yán)重破壞。李晰等[12]利用多子臺(tái)振動(dòng)臺(tái)陣系統(tǒng)，完成了大跨度曲線(xiàn)橋的縮尺模型在近斷層地震動(dòng)下的對(duì)比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)近斷層效應(yīng)的放大作用對(duì)剛度較大的結(jié)構(gòu)或者結(jié)構(gòu)某一個(gè)方向更為明顯，而且在靠近斷層的區(qū)域遭受同樣的地震作用，曲線(xiàn)梁橋相較于直線(xiàn)梁橋?qū)a(chǎn)生更為嚴(yán)重的破壞。閆磊等[13]進(jìn)行多維激勵(lì)地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，表明橋墩高度改變會(huì)對(duì)主梁間碰撞力以及墩底的沖切作用產(chǎn)生影響。李晰等[14]通過(guò)分析碰撞效應(yīng)對(duì)山區(qū)高墩橋彈塑性響應(yīng)的影響，發(fā)現(xiàn)在進(jìn)行高墩橋設(shè)計(jì)時(shí)，既要考慮相鄰結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性差異，還要考慮碰撞效應(yīng)的影響。王占飛等[15]在考察上部結(jié)構(gòu)偏心作用對(duì)橋墩地震響應(yīng)的影響時(shí)，運(yùn)用有限元進(jìn)行非線(xiàn)性動(dòng)力時(shí)程分析，發(fā)現(xiàn)在橫橋向激勵(lì)時(shí)，隨著偏心率的增加，橋墩最大響應(yīng)位移也增加，偏心率對(duì)橋墩響應(yīng)影響較大。Wieser等[16]通過(guò)振動(dòng)臺(tái)縮尺試驗(yàn)，研究了曲線(xiàn)橋主梁與橋臺(tái)之間碰撞對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響。He 等[17]通過(guò)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)觀察空間變化對(duì)主梁相鄰結(jié)構(gòu)碰撞的影響，發(fā)現(xiàn)地震的空間特性對(duì)主梁碰撞有顯著作用。Wieser[18]通過(guò)對(duì)縮尺鋼橋模型進(jìn)行多點(diǎn)激勵(lì)下的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)M橋臺(tái)與主梁之間的碰撞效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)碰撞能縮短橋梁振動(dòng)周期，減少主梁位移。孟棟梁等[19]通過(guò)1/6 的縮尺振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，探究擋塊對(duì)橋梁碰撞的影響，研究發(fā)現(xiàn)地震響應(yīng)主要靠結(jié)構(gòu)基頻控制，碰撞會(huì)改變地震響應(yīng)的頻率分布。李勇等[20]通過(guò)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)對(duì)比近斷層脈沖地震動(dòng)與遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，得出典型近斷層地震動(dòng)輸入下高架連續(xù)梁橋動(dòng)力響應(yīng)更大。

上述研究表明：場(chǎng)地地震動(dòng)特性等因素是影響鄰近聯(lián)橋梁碰撞效應(yīng)的主要外部原因，結(jié)構(gòu)參數(shù)變化是鄰近聯(lián)橋梁碰撞的主要內(nèi)部原因，而現(xiàn)有研究大多針對(duì)直線(xiàn)橋采用數(shù)值模擬方法展開(kāi)。鮮有針對(duì)近場(chǎng)地震動(dòng)，特別是近場(chǎng)脈沖型地震作用下小半徑曲線(xiàn)橋的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究，特別缺乏鄰聯(lián)周期比、獨(dú)柱墩的偏心效應(yīng)等影響小半徑曲線(xiàn)橋地震損傷關(guān)鍵要素的相關(guān)研究。因而如何以振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)為基礎(chǔ)，分析現(xiàn)有曲線(xiàn)橋在地震下的非均勻碰撞特征，成為亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。

基于此，本文以某25+25×2 的兩聯(lián)三跨R=75 m的小半徑曲線(xiàn)橋?yàn)檠芯繉?duì)象，開(kāi)展了1/25 的縮尺比振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)：通過(guò)設(shè)置多個(gè)不同相鄰聯(lián)周期比的工況，對(duì)比分析了近斷層地震輸入下相鄰聯(lián)碰撞對(duì)曲線(xiàn)橋主梁及墩柱的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律；通過(guò)設(shè)置4 個(gè)獨(dú)柱墩偏心工況，分析了偏心效應(yīng)對(duì)曲線(xiàn)橋的地震碰撞損傷規(guī)律。本項(xiàng)目的研究成果將為考慮碰撞的曲線(xiàn)橋的抗震設(shè)計(jì)理論提供科學(xué)基礎(chǔ)。

1 振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

基于實(shí)際工程中的兩聯(lián)曲線(xiàn)橋梁，本文對(duì)小半徑曲線(xiàn)橋進(jìn)行了縮尺并開(kāi)展了碰撞試驗(yàn)。根據(jù)周穎、呂西林[21]提供的方法，確定了相似比參數(shù)，如表1 所示，依據(jù)這些參數(shù)設(shè)計(jì)了試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，其主要物理參?shù)表2 所示。與文獻(xiàn)[6, 22]等開(kāi)展的同類(lèi)橋梁振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)相比，本文選取的試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖嗨票葏?shù)基本適宜，能在一定程度上反映小半徑曲線(xiàn)橋地震碰撞效應(yīng)的典型特征。

兩聯(lián)試驗(yàn)橋梁模型分別為曲率半徑為3 m，左聯(lián)弧長(zhǎng)為1 m 的簡(jiǎn)支梁橋，以及右聯(lián)弧長(zhǎng)為1 m+1 m的連續(xù)梁橋。主梁截面經(jīng)換算后采用實(shí)腹式矩形截面，寬400 mm，厚30 mm。下部結(jié)構(gòu)1 號(hào)、2 號(hào)、4 號(hào)墩為雙柱墩(直徑Ф=15 mm，厚度t=5 mm)，墩頂采取支座連接，3 號(hào)墩為獨(dú)柱墩(直徑Ф=20 mm，厚度t=5 mm)，墩頂采用錨栓固結(jié)。本次試驗(yàn)不考慮樁土相互作用，墩底均采用固結(jié)。模型主要物理參數(shù)見(jiàn)表1 和表2，試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛨D見(jiàn)圖1～圖5。

表1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ屠碚撓嗨票萒able1 Theoretical similarity ratio of test model

表2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭饕锢韰?shù)Table2 Main physical parameters of test model

圖1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ推矫鎴D/mm Fig.1 Plan view of test model

圖2 實(shí)際模型擺放位置Fig.2 3D view of test model layout

圖3 墩柱截面圖/mm Fig.3 Pier section

圖4 主梁截面圖/mm Fig.4 Beam section

1.2 傳感器布置

試驗(yàn)中需要采集碰撞力、加速度、位移、應(yīng)變等數(shù)據(jù)。試驗(yàn)在伸縮縫處安裝3 個(gè)CH-4000 輪輻式測(cè)力傳感器用以測(cè)定碰撞力。加速度采用BZ1101 型超小型壓電加速度計(jì)，安裝23 個(gè)加速度計(jì)，編號(hào)為A1～A23，分別安裝在橋面板、蓋梁以及振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面上，分別測(cè)量各點(diǎn)的三向加速度。采用多點(diǎn)視頻動(dòng)靜態(tài)位移檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行位移觀測(cè)，共計(jì)安裝18 個(gè)靶標(biāo)，編號(hào)為D1～D18，分別測(cè)定地震動(dòng)作用下碰撞端處左右兩聯(lián)橋面內(nèi)、外側(cè)的切向及徑向位移以及振動(dòng)臺(tái)輸入地震動(dòng)下的絕對(duì)位移。在2 號(hào)雙柱墩、3 號(hào)獨(dú)柱墩，墩頂、墩底處沿著徑向內(nèi)外側(cè)、切向內(nèi)外側(cè)布置軸向應(yīng)變片，測(cè)量不同工況下的墩頂、墩底應(yīng)力變化，采集器的具體安裝位置見(jiàn)圖6～圖7。

圖5 試驗(yàn)?zāi)Ｐ土⒚鎴D/mm Fig.5 Elevation view of test model

圖6 傳感器俯視布置圖Fig.6 The plan view of Sensor layout

圖7 傳感器正視布置Fig.7 Elevation view of sensor layout

1.3 試驗(yàn)加載

1.3.1 地震動(dòng)參數(shù)

由于原橋處于Ⅲ級(jí)場(chǎng)地，烈度8 級(jí)，加速度峰值為0.20 g，為對(duì)比特選取Chi-Chi 近斷層脈沖地震記錄(脈沖周期約為0.45 s)、Chi-Chi 近斷層非脈沖地震記錄、Northridge 遠(yuǎn)場(chǎng)地震記錄(見(jiàn)表3)。為激起結(jié)構(gòu)產(chǎn)生足夠大的響應(yīng)，將地震波加速度峰值調(diào)至0.40 g，同時(shí)對(duì)地震記錄時(shí)間按1/5 比例進(jìn)行壓縮。試驗(yàn)地震記錄時(shí)程曲線(xiàn)見(jiàn)圖8。

1.3.2 試驗(yàn)工況

1)相鄰聯(lián)周期比對(duì)小半徑曲線(xiàn)橋碰撞響應(yīng)的影響

因模型橋的右聯(lián)為連續(xù)梁，中間墩為墩梁固結(jié)體系，因而本次試驗(yàn)通過(guò)改變3 號(hào)獨(dú)柱墩的有效長(zhǎng)度來(lái)改變相鄰聯(lián)的周期比，原3 號(hào)墩有效長(zhǎng)度為664 mm，通過(guò)采取鋼墊板固定的形式，按照10 cm 間隔對(duì)墩高進(jìn)行減小，進(jìn)而改變?cè)撨B續(xù)聯(lián)與相鄰簡(jiǎn)支聯(lián)之間的周期比。因受到力傳感器量程的制約，考慮到相鄰周期比差異會(huì)加劇碰撞的現(xiàn)象，試驗(yàn)中選取伸縮縫間距為4 mm 開(kāi)展碰撞試驗(yàn)研究。同時(shí)，預(yù)實(shí)驗(yàn)研究表明，對(duì)曲線(xiàn)橋最大的碰撞力發(fā)生在與振動(dòng)臺(tái)X 軸夾角為169°的方向上，X 軸方向如圖1 所示。在此方向上輸入前述三類(lèi)地震波的雙方向分量。試驗(yàn)工況見(jiàn)表4。

表3 輸入地震動(dòng)具體信息Table3 Detailed information of input ground motions

圖8 試驗(yàn)地震記錄時(shí)程曲線(xiàn)Fig.8 Earthquake record time history curves

2)獨(dú)柱墩橫向偏心對(duì)小半徑曲線(xiàn)橋碰撞響應(yīng)研究

本次試驗(yàn)采取改變獨(dú)柱墩的偏心位置來(lái)實(shí)現(xiàn)橋面的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，以中心位置處為基準(zhǔn)，將3#獨(dú)柱墩分別沿橋面板徑向，向內(nèi)、外側(cè)分別偏移10 cm及5 cm，分析此類(lèi)四個(gè)工況與前述地震輸入方向、伸縮縫間距均相同時(shí)，結(jié)構(gòu)地震碰撞響應(yīng)，并與不偏心時(shí)的地震碰撞響應(yīng)進(jìn)行對(duì)比研究，探討其地震動(dòng)規(guī)律。試驗(yàn)工況見(jiàn)表5。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 相鄰聯(lián)周期比對(duì)小半徑曲線(xiàn)橋動(dòng)力特性影響分析

為探究相鄰聯(lián)間周期比對(duì)小半徑曲線(xiàn)橋碰撞響應(yīng)的影響，通過(guò)改變第二聯(lián)獨(dú)柱墩的有效長(zhǎng)度，采取預(yù)制鋼墊板從墩底自下而上錨固的形式(如圖9 所示)。其中，原結(jié)構(gòu)初始墩高h(yuǎn)0=664 mm，原結(jié)構(gòu)周期比為T(mén)0=T左/T右=1.8。改變后墩高及周期比分別為h1=564 mm，T1=2.0；h2=464 mm，T2=2.6；h3=364 mm，T3=2.8；h4=264 mm，T4=3.8。

表4 相鄰聯(lián)周期比加載工況Table4 Load cases of different period ratios of adjacent girders

表5 獨(dú)柱墩偏心效應(yīng)加載工況Table5 Eccentricity effect of single-column pier

圖9 獨(dú)柱墩不同墩高效果 /mm Fig.9 Different heights of single-column piers

2.1.1 碰撞力分析

圖10 及圖11 給出了在不同地震記錄下，曲線(xiàn)連續(xù)梁碰撞端不同位置，如內(nèi)側(cè)F1、中間F2、外側(cè)F3 處碰撞力的時(shí)程曲線(xiàn)。

圖10 近斷層脈沖地震下梁端碰撞力Fig.10 Collision force under near-fault pulse earthquakes

圖11 近斷層非脈沖地震下梁端碰撞力Fig.11 Collision force under near-fault non-pulse earthquakes

由圖10 及圖11 可以看出：在近斷層脈沖地震動(dòng)下，隨著相鄰聯(lián)周期比的增加，相鄰聯(lián)碰撞力先增大后減小，碰撞次數(shù)逐漸減??；而近斷層非脈沖地震動(dòng)下，隨著相鄰聯(lián)周期比的增加，相鄰聯(lián)碰撞力逐漸增大，碰撞次數(shù)逐漸增大。說(shuō)明對(duì)于同樣的結(jié)構(gòu)布置形式，不同地震激勵(lì)形式，所造成的相鄰聯(lián)周期比對(duì)相鄰梁地震碰撞反應(yīng)規(guī)律有顯著不同，需要區(qū)別對(duì)待。

此外，對(duì)于小半徑曲線(xiàn)梁橋，F(xiàn)1、F2、F3 處都存在碰撞力，說(shuō)明在地震作用下，碰撞發(fā)生于整個(gè)伸縮縫處，基本為面-面接觸。但可以看出F1>F2>F3，地震下曲線(xiàn)橋呈現(xiàn)內(nèi)側(cè)碰撞力明顯大于外側(cè)的碰撞力的非均勻碰撞現(xiàn)象。

進(jìn)一步分析，就近斷層脈沖地震動(dòng)變化規(guī)律而言，隨著獨(dú)柱墩有效長(zhǎng)度的減小，全橋整體剛度增加，進(jìn)而，由于右聯(lián)(連續(xù)梁)自振周期的減小，導(dǎo)致相鄰聯(lián)周期比在逐漸增大的過(guò)程中，表現(xiàn)為首先是周期比差異導(dǎo)致的相鄰聯(lián)運(yùn)動(dòng)異步性起主導(dǎo)作用，從而加劇了碰撞響應(yīng)；但當(dāng)右聯(lián)的自身周期降低到一定幅度時(shí)，由于右聯(lián)結(jié)構(gòu)剛度顯著增大，近斷層脈沖地震動(dòng)下并不足以激起右聯(lián)主梁較大的自由運(yùn)動(dòng)位移，從而避免了碰撞效應(yīng)的產(chǎn)生；而對(duì)于近斷層非脈沖地震動(dòng)，結(jié)構(gòu)的異步差異起明顯的控制作用，碰撞效應(yīng)明顯，碰撞次數(shù)逐漸增多，碰撞力也逐漸增加。這一點(diǎn)與文獻(xiàn)[23]中的碰撞響應(yīng)規(guī)律基本吻合。

2.1.2 碰撞面端部位移分析

為方便分析主梁在地震下各個(gè)位置處受力及運(yùn)動(dòng)規(guī)律，將伸縮縫位置處的左右聯(lián)碰撞面端點(diǎn)分別標(biāo)注為J1、J2、J3、J4，如圖12 所示。

圖12 主梁碰撞點(diǎn)分析示意圖Fig.12 Collision point of main girder

以垂直于伸縮縫方向?yàn)榍邢颍源怪庇谇芯€(xiàn)方向?yàn)閺较?，選取位移絕對(duì)值最大為最大值，經(jīng)試驗(yàn)處理得各點(diǎn)在振動(dòng)下鄰聯(lián)相對(duì)位移峰值。如圖13～圖15 所示。

分析試驗(yàn)結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)：近斷層脈沖地震動(dòng)下，隨著周期比的增大，切向和徑向位移先增大后減小的特點(diǎn)，與碰撞力的變化規(guī)律相符合，證明主梁的位移變化受碰撞效應(yīng)的影響，且與縱向碰撞力呈正相關(guān)性，碰撞力越大碰撞效應(yīng)越明顯，主梁的位移變化越顯著，最明顯的表現(xiàn)為在周期比為t3時(shí)，碰撞力最大，位移也最大。同樣的規(guī)律也適合非脈沖地震，碰撞力對(duì)位移變化起顯著作用。

同時(shí)可以看出：在三種地震動(dòng)下各點(diǎn)位移變化趨勢(shì)存在較大差異，大多數(shù)情況下J2、J4 作為碰撞端外側(cè)，相比于內(nèi)側(cè)的J1、J3 點(diǎn)在切向和徑向位移值均較大，內(nèi)外側(cè)的位移偏差表明碰撞面發(fā)生撞擊時(shí)的非共軸碰撞的現(xiàn)象，同時(shí)也表明橫向移位或與擋塊的碰撞更可能出現(xiàn)在曲線(xiàn)橋外側(cè)。

圖13 近斷層脈沖型地震動(dòng)下梁端位移Fig.13 Relative displacement between two girders excited by near-fault pulse ground motions

圖14 近斷層非脈沖型地震動(dòng)下梁端位移Fig.14 Relative displacement between two girders excited by near-fault non-pulse ground motions

圖15 遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)下梁端位移Fig.15 Relative displacement between two girders excited by far-field ground motions

2.1.3 主梁扭轉(zhuǎn)分析

結(jié)合小半徑曲線(xiàn)橋自身受力特性及以往學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，小半徑曲線(xiàn)橋在地震力作用下主梁往往存在平面內(nèi)扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象。本次試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒扇椥阅Ａ枯^大的鋼材，選取碰撞面處的兩個(gè)端點(diǎn)間的扭轉(zhuǎn)角度即可表示整片主梁的扭轉(zhuǎn)情況，如圖16。

圖16 主梁扭轉(zhuǎn)示意圖Fig.16 Torsion motion of whole girder profile

本節(jié)探討碰撞效應(yīng)隨著相鄰聯(lián)周期比的變化對(duì)左、右兩聯(lián)主梁扭轉(zhuǎn)的影響，定義扭轉(zhuǎn)角為θ，梁寬為l，具體計(jì)算公式如下：

其中，由于因扭轉(zhuǎn)角度較小，扭轉(zhuǎn)角度可以近似為正弦值。將各工況下的左右聯(lián)隨相鄰聯(lián)周期比差異下主梁的扭轉(zhuǎn)角度變化趨勢(shì)繪制如下圖17～圖19所示，圖中橫坐標(biāo)J1J2 代表左聯(lián)扭轉(zhuǎn)程度，J3J4代表右聯(lián)扭轉(zhuǎn)程度。

圖17 近斷層脈沖型地震動(dòng)下扭轉(zhuǎn)角度Fig.17 Rotation movement by near-fault pulse ground motions

圖18 近斷層非脈沖型地震動(dòng)下扭轉(zhuǎn)角度Fig.18 Rotation movement by near-fault non-pulse ground motions

圖19 遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)下扭轉(zhuǎn)角度Fig.19 Rotation movement by far-field ground motions

從圖17～圖19 可以看出，各個(gè)工況下左聯(lián)(簡(jiǎn)支梁)的扭轉(zhuǎn)程度均大于右聯(lián)(連續(xù)梁)，同時(shí)隨著相鄰聯(lián)周期比的增大，右聯(lián)扭轉(zhuǎn)角度的變化規(guī)律不明顯，而左聯(lián)的扭轉(zhuǎn)程度均表現(xiàn)為先增大后減小，扭轉(zhuǎn)峰值根據(jù)不同地震動(dòng)出現(xiàn)在不同的周期比條件下。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，右聯(lián)的扭轉(zhuǎn)角度基本處于0～0.05，整體上呈現(xiàn)出比較穩(wěn)定的趨勢(shì)，而左聯(lián)由于地震波以及結(jié)構(gòu)自身周期的改變，其扭轉(zhuǎn)角度呈現(xiàn)出較大變化，在脈沖地震下，其扭轉(zhuǎn)角分布在0～0.20，非脈沖地震下，扭轉(zhuǎn)角度分布在0.025～0.125，遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)下，扭轉(zhuǎn)角度分布在0.05～0.125，左聯(lián)的扭轉(zhuǎn)角度呈現(xiàn)出較大的變化幅度。

結(jié)合以上分析：右聯(lián)由于其結(jié)構(gòu)形式為含有固定墩的兩跨連續(xù)梁，故受約束主梁整體平面抗扭剛度均大于左聯(lián)的單跨簡(jiǎn)支梁。在地震作用下，曲線(xiàn)橋的扭轉(zhuǎn)可能由于地震激勵(lì)下的自由振動(dòng)引起，也可能由于碰撞引發(fā)加劇。其原因可解釋為：由于左聯(lián)為簡(jiǎn)支梁，不均勻碰撞發(fā)生時(shí)，其平面扭轉(zhuǎn)呈現(xiàn)不規(guī)律性，隨著相鄰周期比的加大，其扭轉(zhuǎn)規(guī)律復(fù)雜。右聯(lián)由于自身墩柱剛度增加，進(jìn)而結(jié)構(gòu)的抗扭剛度也在增加，自身周期逐漸變小，雖然碰撞力顯著增加，但是非均勻碰撞效應(yīng)并不顯著增加，進(jìn)而結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)不突出。

2.1.4 墩梁相對(duì)位移分析

受墩柱放大效應(yīng)影響，地震動(dòng)作用下上部主梁與下部墩柱的受力響應(yīng)不同。本小節(jié)主要分析隨著相鄰聯(lián)周期比的變化，不同地震動(dòng)下小半徑曲線(xiàn)橋墩梁相對(duì)位移的變化規(guī)律，從而判定碰撞響應(yīng)引發(fā)落梁的可能性。

在進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析時(shí)，為了區(qū)分墩梁順橋向相對(duì)位移狀態(tài)，同樣先擬定墩、梁絕對(duì)位移向右為正方向，對(duì)于右聯(lián)當(dāng)主梁位移小于墩頂位移時(shí)為接近狀態(tài)，當(dāng)主梁位移大于墩頂位移時(shí)為遠(yuǎn)離狀態(tài)，左聯(lián)則相反。左右聯(lián)各自取其接近和遠(yuǎn)離方向上的最大值，繪制圖20～圖22 所示。

隨著相鄰聯(lián)周期比的增大，近斷層脈沖地震動(dòng)下受碰撞效應(yīng)的影響，主梁位移表現(xiàn)為先增大后減小，圖20 所示墩梁相接近同樣表現(xiàn)為先增大后減小，墩梁相對(duì)遠(yuǎn)離位移隨之增大，落梁發(fā)生的概率增加，符合上文中碰撞力的變化規(guī)律。同時(shí)近斷層非脈沖與遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)下的墩梁相對(duì)遠(yuǎn)離位移響應(yīng)也符合碰撞力效應(yīng)帶來(lái)的位移規(guī)律。

圖20 近斷層脈沖型地震動(dòng)下墩梁相對(duì)位移Fig.20 Relative displacement state between pier and girder under near-fault pulse ground motions

圖21 近斷層非脈沖型地震動(dòng)下墩梁相對(duì)位移Fig.21 Relative displacement state between pier and girder by near-fault non-pulse ground motions

圖22 遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)下墩梁相對(duì)位移Fig.22 Relative displacement state between pier and girder by far-field ground motions

2.2 獨(dú)柱墩橫向偏心對(duì)小半徑曲線(xiàn)橋動(dòng)力響應(yīng)影響

在曲線(xiàn)橋梁設(shè)計(jì)時(shí)，由于曲線(xiàn)橋自身特點(diǎn)，曲線(xiàn)內(nèi)側(cè)和外側(cè)重量存在較大差異，極易引發(fā)主梁扭矩過(guò)大不利于承載力設(shè)計(jì)，同時(shí)也易于發(fā)生結(jié)構(gòu)傾覆。為避免上述現(xiàn)象，通常將曲線(xiàn)梁的獨(dú)柱支承點(diǎn)設(shè)置在橫橋向外偏于主梁中心線(xiàn)處，此時(shí)有利于防止結(jié)構(gòu)傾覆現(xiàn)象的發(fā)生。但是，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，此種設(shè)計(jì)會(huì)使結(jié)構(gòu)整體質(zhì)心與主梁剛度中心不重合，外部激勵(lì)下極易發(fā)生扭轉(zhuǎn)，因而其對(duì)地震情況下橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響還不確定，在此利用試驗(yàn)進(jìn)行分析探討。

本實(shí)驗(yàn)采用預(yù)制拼裝的方式，沿著橋面板半徑的方向，由內(nèi)向外每5 cm 設(shè)置一道偏心，墩頂、底分別采用螺栓與橋面板、墩底錨固鋼板錨固的形式，見(jiàn)圖23 所示。本節(jié)中簡(jiǎn)單表示為?10 cm，?5 cm，0 cm，+5 cm，+10 cm，其中“?”表示向內(nèi)偏心，“+”表示向外偏心，“0”表示橋墩在主梁切向中心線(xiàn)處，無(wú)偏心。

圖23 獨(dú)柱墩不同橫向偏心效果示意圖Fig.23 Different heights of single-column piers

2.2.1 碰撞力分析

對(duì)比了不同地震動(dòng)條件下，受獨(dú)柱墩不同橫向偏心效應(yīng)影響的主梁碰撞力響應(yīng)規(guī)律。

由圖24～圖25 可以看出：在近斷層脈沖地震動(dòng)下，隨著獨(dú)柱墩向內(nèi)側(cè)偏移，碰撞峰值先有小幅度增大后減小，碰撞次數(shù)雖然有所增加但各次的碰撞力趨于均勻化，當(dāng)獨(dú)柱墩偏心逐漸向外偏移時(shí)表現(xiàn)為碰撞力峰值增大，碰撞次數(shù)先減小后增大，即在+10 cm 位置處，橋梁結(jié)構(gòu)的碰撞響應(yīng)較為顯著。在非脈沖地震動(dòng)下，隨著獨(dú)柱墩向內(nèi)側(cè)偏移，數(shù)值峰值同樣先小幅度增大后減小的趨勢(shì)，向外偏移時(shí)表現(xiàn)為碰撞力峰值增大，但整體數(shù)值都小于脈沖下碰撞力。且在最內(nèi)側(cè)?10 cm時(shí)，在兩種地震動(dòng)下都漸漸呈現(xiàn)出碰撞力趨于均勻化的趨勢(shì)，說(shuō)明在特定地震波條件下適當(dāng)?shù)膬?nèi)偏心可能會(huì)減弱非均勻碰撞效果。

2.2.2 碰撞面端部位移分析

結(jié)合上文，同樣選取碰撞端J1～J4 四個(gè)點(diǎn)，進(jìn)行不同偏心距下的碰撞端主梁位移變化分析，其中切向選取上文中的左、右聯(lián)均向右運(yùn)動(dòng)為正方向，徑向選取指向半徑方向?yàn)檎较颍?jīng)試驗(yàn)處理得各地震動(dòng)下鄰聯(lián)相對(duì)位移峰值。如圖26～圖28 所示。

圖24 近斷層脈沖地震動(dòng)下不同偏心距碰撞力對(duì)比圖Fig.24 Comparison of pounding forces with different eccentricities under near-fault pulse ground motions

圖25 近斷層非脈沖地震動(dòng)碰撞力對(duì)比圖Fig.25 Comparison of pounding forces with different eccentricities under near-fault non-pulse ground motions

圖26 近斷層脈沖型地震動(dòng)碰撞端最大位移Fig.26 Maximum relative displacement between two girders excited by near-fault pulse ground motions

圖27 近斷層非脈沖型地震動(dòng)碰撞端最大位移Fig.27 Maximum relative displacement between two girders excited by near-fault non-pulse ground motions

圖28 遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)碰撞端最大位移Fig.28 Maximum relative displacement between two girders excited by far-field ground motions

由圖26～圖28 可以看出：隨著獨(dú)柱墩沿著半徑方向由內(nèi)向外偏心位置的變化，各地震動(dòng)下4 個(gè)碰撞端點(diǎn)位移基本表現(xiàn)為先減小后增大的趨勢(shì)，且右聯(lián)J3、J4 較左聯(lián)J1、J2 的變化趨勢(shì)更為明顯；對(duì)比各個(gè)地震動(dòng)下的徑向和切向位移，各工況下徑向的位移的變化量近似為切向的2 倍，說(shuō)明由于右聯(lián)受獨(dú)柱墩偏心效應(yīng)的影響，當(dāng)偏心距較大時(shí)，由于獨(dú)柱墩與主梁的固結(jié)形式，使得支座對(duì)其的支撐作用減弱，其自振作用下的主振型不再表現(xiàn)為順橋向運(yùn)動(dòng)，而是以橋面橫向及扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為其主要運(yùn)動(dòng)形式，故此時(shí)碰撞不再表現(xiàn)為碰撞面間的軸向碰撞，而是由右聯(lián)橋面扭轉(zhuǎn)起主導(dǎo)作用，碰撞表現(xiàn)形式為右聯(lián)扭轉(zhuǎn)造成該聯(lián)的徑向和切向位移過(guò)大，進(jìn)而與自由運(yùn)動(dòng)的左聯(lián)發(fā)生碰撞，橋梁結(jié)構(gòu)整體受力形式更為復(fù)雜。

本文中獨(dú)柱墩無(wú)論是向內(nèi)還是向外偏心，在地震力作用下均會(huì)導(dǎo)致右聯(lián)切向和徑向的位移增加。因而當(dāng)曲線(xiàn)匝道橋獨(dú)柱墩需設(shè)置偏心時(shí)，應(yīng)在其橫向設(shè)置防撞擋塊及聯(lián)間緩沖裝置，防止其在動(dòng)力作用下徑向偏移量較大導(dǎo)致橫向的錯(cuò)位及撞擊破壞。

2.2.3 主梁扭轉(zhuǎn)分析

與上節(jié)相同，經(jīng)計(jì)算將各工況下的左右聯(lián)隨偏心距變化的主梁扭轉(zhuǎn)角度變化趨勢(shì)繪制如圖29～圖31 所示，圖中橫坐標(biāo)J1J2 代表左聯(lián)扭轉(zhuǎn)程度，J3J4 代表右聯(lián)扭轉(zhuǎn)程度。

圖29 近斷層脈沖型地震動(dòng)梁端扭轉(zhuǎn)角Fig.29 Rotation by near-fault pulse ground motions

圖30 近斷層非脈沖型地震動(dòng)梁端扭轉(zhuǎn)角Fig.30 Rotation by near-fault non-pulse grounds

圖31 遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)梁端扭轉(zhuǎn)角Fig.31 Rotation by far-field ground motions

結(jié)合圖29～圖31 分析，在各個(gè)地震動(dòng)作用下，右聯(lián)的扭轉(zhuǎn)程度均明顯高于左聯(lián)，說(shuō)明質(zhì)心與剛度中心的不統(tǒng)一顯著加劇了梁端的自由振動(dòng)扭轉(zhuǎn)和碰撞扭轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)表現(xiàn)為近斷層脈沖地震動(dòng)>近斷層非脈沖地震動(dòng)>遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)，表明速度大脈沖效應(yīng)加劇結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，同時(shí)隨著自?xún)?nèi)而外偏心位置的變化，扭轉(zhuǎn)程度先減小后增大，不發(fā)生偏心時(shí)為最小值。

2.2.4 墩梁相對(duì)位移分析

與上節(jié)類(lèi)似，本小節(jié)主要分析隨著偏心距的變化，不同地震動(dòng)下小半徑曲線(xiàn)橋墩梁相對(duì)位移的變化規(guī)律，從而判定碰撞響應(yīng)引發(fā)落梁的概率。左右聯(lián)各自取其接近和遠(yuǎn)離方向上的最大值，如圖32～圖34 所示。

圖32 近斷層脈沖地震動(dòng)下墩梁徑向相對(duì)位移Fig.32 Radial relative displacement of pier beam excited by near-fault pulse ground motions

圖33 近斷層非脈沖地震動(dòng)下墩梁徑向相對(duì)位移Fig.33 Radial relative displacement of pier beam excited by near-fault non-pulse ground motions

圖34 遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)下墩梁徑向相對(duì)位移Fig.34 Radial relative displacement of pier beam excited by far-field ground motions

由圖32～圖34 可以看出，在偏心作用下，左聯(lián)主梁徑向位移受碰撞力的影響而變化，右聯(lián)主梁因本身結(jié)構(gòu)的受力特性，在地震力作用下其扭轉(zhuǎn)程度更為顯著，從而引發(fā)對(duì)左聯(lián)的縱向點(diǎn)-面碰撞、橫向錯(cuò)位碰撞，造成兩聯(lián)較大的徑向相對(duì)位移。這可能會(huì)引起該聯(lián)支座在橫橋向的位移值超限而出現(xiàn)破壞，從而引發(fā)與橫向擋塊的碰撞作用甚至是落梁現(xiàn)象。因此對(duì)于該聯(lián)的支座應(yīng)加大抗剪能力，防止地震作用下支座位移超限后引發(fā)的災(zāi)害。

3 結(jié)論

國(guó)內(nèi)外研究中缺乏針對(duì)近斷層地震動(dòng)下小半徑曲線(xiàn)橋相鄰聯(lián)碰撞的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究，基于此，本文以某25+25×2 的兩聯(lián)三跨曲率半徑為75 m，寬10 m 的小半徑曲線(xiàn)橋?yàn)檠芯勘尘?，開(kāi)展了近斷層地震動(dòng)下的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究。通過(guò)研究得到以下結(jié)論：

(1)碰撞導(dǎo)致相鄰主梁間的相對(duì)位移、墩梁間(接近)的相對(duì)位移減??；墩梁間(遠(yuǎn)離)的相對(duì)位移、主梁扭轉(zhuǎn)角度增加，進(jìn)一步增大了相鄰主梁橫向摩擦碰撞及主梁側(cè)向與擋塊碰撞的可能性。

(2)受地震動(dòng)頻譜特性的影響，相鄰聯(lián)周期比在不同的地震動(dòng)下結(jié)構(gòu)的碰撞響應(yīng)不同，近斷層脈沖地震下隨著周期比的增大，碰撞效應(yīng)先增加后減小，在近斷層非脈沖地震動(dòng)下則表現(xiàn)為逐漸增大。

(3)曲線(xiàn)連續(xù)梁橋獨(dú)柱墩的偏心效應(yīng)對(duì)于結(jié)構(gòu)本身影響較大，偏心使得結(jié)構(gòu)質(zhì)量中心與扭轉(zhuǎn)剛度中心不重合，扭轉(zhuǎn)程度加大，橫向錯(cuò)位明顯，主梁端部受扭轉(zhuǎn)及橫向移動(dòng)的影響更易發(fā)生復(fù)雜碰撞現(xiàn)象，加劇了主梁局部損壞的可能性，也對(duì)支座的限位提出更高的要求。

(4)在進(jìn)行小半徑曲線(xiàn)梁橋抗震設(shè)計(jì)時(shí)，要根據(jù)橋梁具體情況選擇合適墩高，保證合理的相鄰聯(lián)周期比，同時(shí)，適當(dāng)進(jìn)行一定的偏心設(shè)計(jì)，并通過(guò)校核驗(yàn)算減少橋梁的非均勻碰撞現(xiàn)象以及降低碰撞力的大小，保證橋梁安全。