地震作用下斜交橋碰撞響應研究進展

湛　敏，　王軍文

(石家莊鐵道大學土木工程學院，河北 石家莊 050043)

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地震作用下斜交橋碰撞響應研究進展

湛敏，王軍文

(石家莊鐵道大學土木工程學院，河北 石家莊 050043)

斜交橋在歷次破壞性地震中，遭到嚴重破壞，其中，梁體碰撞破壞是最為常見的震害之一。針對地震作用下斜交橋存在的梁體碰撞破壞現象，分別對地震作用下斜交橋碰撞模型的建立、地震碰撞響應及限位措施的研究進展進行了回顧和總結，同時指出目前在斜交橋碰撞方面亟待解決的問題和需要進一步研究的方向。

斜交橋；碰撞模型；地震響應；限位措施

近年來，隨著我國現代化建設的快速發展，橋梁建設事業也得到飛速發展，橋梁數量日益增多。由于斜交橋不僅能很好地適應地形環境的變化，改善道路線形[1]，而且其結構線條流暢、優美，因此，在城市立交及公路橋梁中得到廣泛應用，成為重要的交通樞紐。但斜交橋由于其不規則的結構布置，地震響應要比正橋更為復雜，損壞程度也更為嚴重。近20余a發生的幾次大地震使斜交橋普遍遭到嚴重破壞，其中以梁體碰撞破壞最為常見：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動過大導致落梁震害[2]；1999年墨西哥地震中多數斜交橋存在梁體與擋塊間的碰撞現象，進而導致擋塊破壞[3]；2008年汶川大地震中，綿竹市新東橋在銳角處發生碰撞損傷；映秀岷江大橋、徹底關大橋、馬尾橋等均出現梁體與橫向擋塊間的碰撞震害[4]。針對斜交橋易發生碰撞震害這一現象，國內外學者對斜交橋地震碰撞模型的建立，結構參數、相鄰結構間初始間隙、碰撞剛度等對橋面最大轉角的影響，斜交橋限位措施等進行了大量研究并得出很多有價值的結論。在此對斜交橋地震碰撞響應研究現狀進行回顧和總結，同時對需進一步研究的方向進行展望。

1　碰撞模型的建立

一般碰撞的模擬方法有碰撞動力學法和接觸單元法，由于碰撞動力學法只考慮結構碰撞前后的狀態，不是基于時間過程的分析，故很難進行有限元計算分析，因此限制了其應用范圍。接觸單元法是在兩相鄰結構之間設置一個接觸單元，接觸單元一般采用彈簧模擬碰撞時的剛度，用阻尼器模擬碰撞時的能量損失，碰撞發生時接觸單元被激活。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]提出了更為精細化的簡支斜交橋三維點—面碰撞模型。朱平等[10]建立了考慮動摩擦力的三維接觸—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，并考慮接觸點間橫向和豎向的相對摩擦作用，建立了三維Kelvin接觸—摩擦撞擊模型，使得對碰撞模擬更為真實。

三維模型雖然能夠更加真實地模擬相鄰結構間的碰撞行為，但由于建模復雜且計算時間較長，因此，在實際工程中并不常用。為了得到簡化的碰撞模型并且保證模擬精度，很多學者對不同的碰撞模型進行了改進。許祥等[12]結合Kelvin模型和Hertz-damp模型構造了新的碰撞阻尼系數，提出了線性粘彈性碰撞模型，消除了Kelvin模型中出現的撞擊力跳躍和拉力的缺陷。葉昆等[13]對Kelvin模型提出了改進，并就改進的 Kelvin 模型中的參數確定方法進行了理論推導，克服了Kelvin模型中粘滯阻尼系數固定不變、與實際的碰撞物理事實不符的缺點。基于Hertz理論，黃瀟[14]通過對該模型中阻尼常數的表達式進行修正，推導出新的Hertz-damp碰撞分析模型；李忠獻等[15]則是考慮了波動效應，建立了碰撞分析的等效Kelvin碰撞模型，同時指出波動效應對碰撞彈簧剛度計算值有顯著影響，不能忽略，并給出剛度系數和恢復系數的合理取值。劉鵬等[16]基于Hertz-damp模型及Hertz模型提出了一種改進的求解方法，使得對碰撞過程中能量耗散比較大的問題具有更強的適用性。

2　斜交橋地震碰撞響應

2.1 連續斜交梁橋

在地震作用下，梁體與橋臺的碰撞易使連續斜交梁橋發生橋面扭轉進而導致落梁震害，針對這一現象，學者們進行了深入研究。

廖興[17]與盧明奇等[18]通過研究發現梁體與橋臺間的碰撞效應最顯著的影響表現在易使橋面發生扭轉位移并增大橋墩扭矩，進而導致橋墩發生剪切破壞。P.Tirasit等[19]通過分析地震作用下斜度及碰撞作用對連續斜交梁橋橋面旋轉的影響，指出梁體與橋臺間的碰撞不但會引起梁體的面內轉動，還會增大橋墩的扭矩，這與上述結論保持一致。L.Lou等[20]與何健等[21]從碰撞角度出發，重點研究了梁端碰撞對結構地震位移的影響，研究認為：碰撞作用易導致斜橋平面旋轉現象；結構地震非線性位移對梁端截面最邊緣碰撞單元較為敏感。為進一步研究碰撞效應對連續斜交梁橋的影響，胡建新[22]分析了碰撞效應及結構偏心效應對連續斜交梁橋梁體轉角的影響，分析指出，地震作用下連續斜交橋梁體與橋臺的碰撞效應及結構偏心效應是導致橋面轉動的主要原因。梁才等[23]研究認為，無縫化斜交橋由于其臺后結構的約束，在地震中可以防止梁端碰撞及落梁震害。可見，很多學者通過研究揭示出連續斜交梁橋橋面旋轉機理，普遍認為梁體與橋臺間縱向碰撞是引起連續斜交梁橋橋面扭轉震害的主要原因。此外，已有研究指出[24-25]，橋臺臺后填土對斜交橋地震反應具有重要影響，不過很少有學者從碰撞角度進一步研究橋臺臺后填土對連續斜交梁橋地震碰撞反應的影響。

2.2 簡支斜交梁橋

黃金翠[26]忽略了橫向擋塊對單跨簡支斜交梁橋地震碰撞響應的影響，發現只考慮梁體與橋臺縱向碰撞時，簡支斜交梁橋橋面旋轉對支承剛度較為敏感；隨著伸縮縫寬度的增加，橋臺與主梁的碰撞力、碰撞次數、橋面最大轉角、轉動運動的持續時間都逐漸減小。為研究橫向碰撞對簡支斜交梁橋地震反應的影響，S.Maleki[27、28]以中、小跨徑的公路簡支斜交梁橋為背景，專門對橫向碰撞進行研究，研究發現：忽略擋塊與支座之間的間隙、不考慮橫向碰撞效應是偏于不安全的，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]則進一步研究了擋塊初始間隙對橫向地震碰撞反應的影響，研究指出：橋面最大轉角與擋塊初始間隙的設置有一定的關系，并且存在一個最佳值，當其處于最佳值時，對橋面轉動效應抑制最明顯，而初始間隙與各擋塊最大碰撞力之間的關系具有不確定性。

上述分析表明，對于簡支斜交梁橋，相鄰梁體間及梁體與橋臺間的縱向碰撞是引起橋面旋轉的重要原因，而橫向擋塊則對橋面旋轉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，都與實際不相符。為此，沈賢[31]分析探討了縱、橫向碰撞參數對簡支斜交梁橋橋面旋轉的影響，結果表明：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簡支斜交梁橋橋面轉角的影響較大，而橫向碰撞剛度對簡支斜交梁橋橋面轉角的影響較小。孫慶凱[32]數值模擬了地震作用下簡支斜交梁橋發生落梁震害的全過程，結果表明：碰撞效應是引起簡支斜交梁橋落梁的重要原因；落梁發生時往往伴隨著擋塊的嚴重破壞，且銳角處的擋塊碰撞破壞程度大于鈍角處的破壞程度。

通過上述研究可以發現，相鄰梁體間的碰撞使得簡支斜交梁橋地震碰撞響應更為復雜，在進行簡支斜交梁橋地震碰撞響應分析時則需要綜合考慮斜度、碰撞剛度、伸縮縫寬度、初始間隙等參數的影響。此外，對于多跨簡支斜交梁橋地震碰撞反應的影響因素更多，同時，臺后填土的影響往往也不能忽略，而這些都需要進一步深入研究。

2.3連續斜交剛構橋

連續斜交剛構橋一般采用邊墩及橋臺用活動支座與梁體連接，而中間橋墩與梁體固結的結構形式，這使得連續斜交剛構橋在地震作用下易出現因橋面扭轉而在橋墩中引起扭矩，最終導致橋墩剪切破壞及扭轉破壞。

國外對這種橋型使用較多，研究也較早。其中，Meng[33]和Catacoli[34]等研究表明：在地震作用下，斜交剛構橋易在橋墩處發生剪切破壞，并伴有扭轉震害；斜度對橋梁的動力響應有重要影響，較大斜度會使橋梁發生旋轉和扭曲從而導致橋梁內力產生變化。同時，Meng[35]與Mohti[36]等認為簡化的桿系模型能夠準確反映斜交剛構橋橋墩扭轉導致的內力變化，適合進行非線性時程分析。Huo等[37]使用易損性分析方法研究了碰撞和斜度對典型多跨混凝土公路橋梁地震響應的影響，發現碰撞效應對正橋影響很小，可以忽略，但對斜交橋尤其是斜交角度較大的斜交剛構橋有很大影響。國內，文獻[38-41]對客運專線連續斜交剛構橋的動力特性進行了研究，研究指出：連續斜交剛構橋具有良好的動力性能，但對于連續斜交剛構橋的深入分析目前還鮮有報道。孫慶凱[32]以一座斜交剛構—連續組合梁橋為工程背景進行分析研究，研究發現：斜交橋碰撞過程中，主梁梁端碰撞力呈現不均勻分布，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重。

3 限位措施研究

限位措施對橋梁抗震設計具有積極作用，為了闡明不同限位措施的使用效果，M.Saiidi等[42]提出了三種簡支梁橋限位裝置設計方法，認為設置限位裝置能有效減小梁端位移。Watanabe G.等[43]針對三種纜索限位器對斜交橋碰撞的影響分別進行了研究，研究發現：限位器沿梁端橫向布置對斜交橋橋面旋轉約束效果最好，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支斜交梁橋加固為橋面連續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位移；用連接板代替伸縮縫能減小相鄰結構間的碰撞力。

我國對于結構外形不規則的斜交橋，一般只設置橫向擋塊，而很少采取其他限位措施，橋梁抗震設計規范也僅把橫向擋塊作為一種構造措施，針對斜交橋結構特點的防旋轉限位措施的研究還較少。沈賢等[45]研究表明：在簡支斜交梁橋梁端銳角區設置縱向墊塊對減小地震引起的橋面旋轉和梁端縱向位移有較好的效果。對于斜交橋限位措施的其它設計方法，有待進一步研究。

4 結論及展望

4.1 結論

通過綜述國內外學者對斜交橋碰撞模型的建立、地震碰撞響應及限位措施的研究狀況和進展，其研究成果可以歸納為：

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

(2)斜交橋的碰撞模型有多種建立方法，針對不同方法的優缺點，很多學者對碰撞模型進行改進，使得改進后的碰撞模型具有更高的精度和更強的適用性。

(3)地震作用下斜交橋主梁與橋臺的縱向碰撞是導致梁體面內轉動的主要原因，同時橫向碰撞對斜交橋的地震響應影響也很大，不能忽略，而梁體與橋臺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。

(4)斜交橋限位措施能很好地限制梁體的位移及轉動，對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的限位措施。

4.2 建議及展望

(1)對斜交橋進行地震響應研究具有重要意義，同時，對橋梁橫向擋塊設計、伸縮縫設計以及梁體與擋塊的初始間隙的取值等問題應該進行系統、規范的研究，以滿足抗震設計的要求。

(2)目前對墩臺彈塑性變形、碰撞位置的變化、碰撞變形的影響、臺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行分析研究，從而找到更加合理的抗震措施。

(3)對斜交橋的地震碰撞響應研究主要集中于簡支斜交梁橋以及連續斜交梁橋，而針對連續斜交剛構橋的抗震分析，還缺乏深入研究。

(4)針對斜交橋限位措施的研究還處于起步階段，還有很多問題亟待解決。

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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，研究方向為橋梁抗震。njlhzm@163.com

10.13219/j.gjgyat.2016.05.001

U442.55;U448.41

A

1672-3953(2016)05-0001-05