斜拉橋主橋與引橋碰撞反應研究綜述

寇培培 / 石家莊鐵道大學土木工程學院

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斜拉橋主橋與引橋碰撞反應研究綜述

寇培培 / 石家莊鐵道大學土木工程學院

【摘 要】大跨斜拉橋一般采用飄浮體系或彈性約束體系，其在強震作用下梁端會發生很大位移，梁端的過大位移可能會導致主梁與相鄰跨引橋的碰撞，使整個結構喪失整體性。本文從橋梁碰撞的影響因素、模擬模型以及防止碰撞的措施等方面，對國內外有關斜拉橋碰撞地震反應研究的成果進行了系統的總結和分析，得出以下結論：斜拉橋主引橋碰撞是由多種因素共同作用所發生的，并使得橋梁的碰撞效應更加復雜；要準確分析橋梁地震碰撞反應需要建立精確、合理的模擬模型；選擇合理的伸縮縫間距以及安裝合適的消能減震裝置，可以有效地減小橋梁的地震碰撞效應。

【關鍵詞】斜拉橋；引橋；碰撞；地震反應

隨著社會的發展，交通線所發揮的作用越來越強，一旦地震發生，會使交通線遭到破壞，可能導致的生命財產損失將非常巨大。幾次大地震一再顯示了橋梁工程破壞的嚴重后果，也一再表明橋梁抗震研究的重要性，斜拉橋的抗震安全性問題越來越受到重視。由于斜拉橋主、引橋結構體系不同，結構的動力特性相差較大，在地震作用下相鄰聯易發生非同向縱向振動，造成伸縮縫處相鄰梁體較大相對位移，導致相鄰聯在伸縮縫處易發生碰撞，碰撞效應極有可能增大橋梁的地震需求，導致橋梁出現嚴重損傷甚至落梁。如1989年美國Loma Prieta地震中，由于設計低估了相鄰橋跨間的相對位移，預留的支承面太窄，致使奧克蘭海灣大橋相鄰跨引橋落梁；1995年日本阪神地震中西宮港大橋(主跨252m的鋼系桿拱橋)第一跨引橋脫落，原因是主橋和引橋間的相對位移過大，橋墩的支承面太窄，而支座、連接限位構件又失效。要解決斜拉橋存在的碰撞問題，需先對其產生機理、影響因素等要有準確的認識，以此為基礎，提出有效的防治方法。目前國內外學者關于地震引發的斜拉橋主引橋的碰撞研究已經取得了許多成果。

1.影響橋梁伸縮縫間碰撞發生的因素研究現狀及動態

碰撞產生的直接原因在于相鄰結構間的相對位移反應超過了伸縮縫的允許間隙。橋梁結構的碰撞是由很多因素共同作用導致的，其最主要的因素包括相鄰橋跨動力特性的差異(即質量與剛度的差異)、地震動特性、伸縮縫大小、支座的摩擦、相鄰結構的材料及接觸面等。地震動的空間效應也是影響橋梁碰撞的主要因素。輸入地震動的空間效應引起各支承點的不同步輸入，從而引起相鄰結構的非同向振動導致碰撞的發生。

1.1相鄰橋跨動力特性的差異

決定兩相鄰跨橋梁之間是否發生碰撞的主要參數是兩相鄰跨橋梁之間的周期比(即T1／T2 )，其中T1和T2分別為相鄰兩跨橋梁各自的自振周期。隨著周期比的減小，即主、引橋縱向基本周期差距逐漸變大，伸縮縫處的碰撞效應逐漸增加，不僅碰撞次數增加，碰撞力的峰值也處于增加變化的趨勢。這說明了相鄰結構的動力特性差異越明顯，則碰撞效應越明顯；相鄰結構的動力特性越接近，則碰撞效應越不顯著。

1.2伸縮縫間隙的大小

隨著伸縮縫間隙的減小，碰撞效應不僅會使伸縮縫處的碰撞力有較大增長，也使引橋墩底內力及引橋墩梁相對位移的需求有很大增長，但減小了塔底內力及主梁與過渡墩相對位移的需求。

1.3地震動的空間效應

考慮地震動空間變化后相鄰橋跨結構的碰撞效應會被放大，伸縮縫處的碰撞效應可能會大幅度增大墩梁的相對位移，從而增大了地震作用下發生落梁的風險。

2.碰撞效應模擬方法研究現狀及動態

目前，對橋梁地震碰撞作用模擬方法有接觸單元法和恢復系數法兩類。在接觸單元法中，在兩相鄰主引橋之間設置一個接觸單元，碰撞發生時接觸單元被激活。接觸單元用剛度很大的線彈性彈簧模擬以避免相鄰節段碰撞時發生材料的重疊，但過大的碰撞剛度不僅會帶來數值計算的穩定性問題，在分析結果中還可能會出現失真的過大撞擊力。接觸單元有時采用阻尼器并聯彈簧來進行模擬，其中阻尼器用來模擬碰撞過程中能量的耗散。其中接觸單元模型有Hertz模型、Hertz-damp模型、線性彈簧模型、Kelvin模型等幾種。恢復系數法是一種經典的力學分析方法，它運用恢復系數以及動量守恒定律來確定兩相鄰橋梁碰撞發生后的速度。恢復系數法可以處理兩個剛體間的碰撞問題，其具有算法簡單、物理概念清楚等優點；但碰撞接觸時間和恢復系數要事先給定，并不適合用于持續時間較長的碰撞情形，而且其不易與商業軟件相結合，因此限制了恢復系數法的使用范圍。

3.防碰撞措施研究現狀及動態

已有許多學者在對建筑及橋梁結構的地震碰撞問題進行研究的基礎上，提出了幾種不同的緩解地震碰撞的方法，主要包括在相鄰結構間填充適當的材料以減輕碰撞效應，增加主引橋之間的縫隙以及避免發生碰撞，或者在相鄰的結構間使用特制的減震耗能裝置。為了避免碰撞的發生，最直接有效的方法就是為相鄰的結構提供足夠大的間隙距離，然而間隙過大又會影響橋上行車的平穩性，同時搭接長度不夠更易引起地震中引橋的落梁。

根據碰撞發生的原因及其規律，對防撞裝置進行數值參數分析，具體包括：

3.1相鄰跨梁體間采用不同參數的橡膠墊層、木材墊層；

橡膠和木材具有彈性模量較小的特點，采用橡膠和木材作為相鄰跨梁體間的墊層，來達到防撞減震的效果。

3.2相鄰跨梁體間采用防撞墊層對全橋結構減震效果的分析。

對防撞裝置進行數值分析，研究不同參數耗能緩沖的減震效果，根據結構的響應（墩梁的相對位移、梁端的加速度、橋墩的內力及緩沖裝置的耗能曲線）對參數進行優化。總結不同耗能緩沖減震特點，選取結構的地震響應為評價指標，確定緩沖耗能裝置的特性及適用性。

4.結論

4.1橋梁的碰撞是由多種因素共同作用所導致的，主要有相鄰跨主引橋動力特性的差異、伸縮縫間隙的大小和地震波的空間效應等。因此，需要更加深入的研究橋梁碰撞的作用機理。

4.2橋梁地震碰撞作用模擬方法有恢復系數法和接觸單元法。恢復系數法不適合于碰撞時間持續較長的情況，且不易與商業軟件相結合，因此限制了其應用范圍。接觸單元法易與商業軟件相結合，但其求解精度和收斂速度受接觸單元的接觸剛度的影響很大。

4.3選擇合理的伸縮縫間距以及安裝合適的消能減震裝置，可以有效地減小橋梁的地震碰撞效應。

參考文獻

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