地震作用下斜交桥碰撞响应研究进展

湛　敏，　王军文

(石家庄铁道大学土木工程学院，河北 石家庄 050043)



地震作用下斜交桥碰撞响应研究进展

湛敏，王军文

(石家庄铁道大学土木工程学院，河北 石家庄 050043)

斜交桥在历次破坏性地震中，遭到严重破坏，其中，梁体碰撞破坏是最为常见的震害之一。针对地震作用下斜交桥存在的梁体碰撞破坏现象，分别对地震作用下斜交桥碰撞模型的建立、地震碰撞响应及限位措施的研究进展进行了回顾和总结，同时指出目前在斜交桥碰撞方面亟待解决的问题和需要进一步研究的方向。

斜交桥；碰撞模型；地震响应；限位措施

近年来，随着我国现代化建设的快速发展，桥梁建设事业也得到飞速发展，桥梁数量日益增多。由于斜交桥不仅能很好地适应地形环境的变化，改善道路线形[1]，而且其结构线条流畅、优美，因此，在城市立交及公路桥梁中得到广泛应用，成为重要的交通枢纽。但斜交桥由于其不规则的结构布置，地震响应要比正桥更为复杂，损坏程度也更为严重。近20余a发生的几次大地震使斜交桥普遍遭到严重破坏，其中以梁体碰撞破坏最为常见：如1991年哥多黎加地震中的Rio Bananito斜交桥(斜交角为30°)因碰撞而引起梁体转动过大导致落梁震害[2]；1999年墨西哥地震中多数斜交桥存在梁体与挡块间的碰撞现象，进而导致挡块破坏[3]；2008年汶川大地震中，绵竹市新东桥在锐角处发生碰撞损伤；映秀岷江大桥、彻底关大桥、马尾桥等均出现梁体与横向挡块间的碰撞震害[4]。针对斜交桥易发生碰撞震害这一现象，国内外学者对斜交桥地震碰撞模型的建立，结构参数、相邻结构间初始间隙、碰撞刚度等对桥面最大转角的影响，斜交桥限位措施等进行了大量研究并得出很多有价值的结论。在此对斜交桥地震碰撞响应研究现状进行回顾和总结，同时对需进一步研究的方向进行展望。

1　碰撞模型的建立

一般碰撞的模拟方法有碰撞动力学法和接触单元法，由于碰撞动力学法只考虑结构碰撞前后的状态，不是基于时间过程的分析，故很难进行有限元计算分析，因此限制了其应用范围。接触单元法是在两相邻结构之间设置一个接触单元，接触单元一般采用弹簧模拟碰撞时的刚度，用阻尼器模拟碰撞时的能量损失，碰撞发生时接触单元被激活。常用的接触单元模型有线弹簧模型[5]、Kelvin模型[6]、Hertz模型[7-8]、Hertz-damp模型[8]等。上述单元模型只考虑了接触面法向的碰撞力，均未考虑接触面切向的摩擦力，为此，吴天宇[9]提出了更为精细化的简支斜交桥三维点—面碰撞模型。朱平等[10]建立了考虑动摩擦力的三维接触—摩擦模型，用于模拟桥梁梁体间的任意碰撞。禚一等[11]基于Kelvin模型，并考虑接触点间横向和竖向的相对摩擦作用，建立了三维Kelvin接触—摩擦撞击模型，使得对碰撞模拟更为真实。

三维模型虽然能够更加真实地模拟相邻结构间的碰撞行为，但由于建模复杂且计算时间较长，因此，在实际工程中并不常用。为了得到简化的碰撞模型并且保证模拟精度，很多学者对不同的碰撞模型进行了改进。许祥等[12]结合Kelvin模型和Hertz-damp模型构造了新的碰撞阻尼系数，提出了线性粘弹性碰撞模型，消除了Kelvin模型中出现的撞击力跳跃和拉力的缺陷。叶昆等[13]对Kelvin模型提出了改进，并就改进的 Kelvin 模型中的参数确定方法进行了理论推导，克服了Kelvin模型中粘滞阻尼系数固定不变、与实际的碰撞物理事实不符的缺点。基于Hertz理论，黄潇[14]通过对该模型中阻尼常数的表达式进行修正，推导出新的Hertz-damp碰撞分析模型；李忠献等[15]则是考虑了波动效应，建立了碰撞分析的等效Kelvin碰撞模型，同时指出波动效应对碰撞弹簧刚度计算值有显著影响，不能忽略，并给出刚度系数和恢复系数的合理取值。刘鹏等[16]基于Hertz-damp模型及Hertz模型提出了一种改进的求解方法，使得对碰撞过程中能量耗散比较大的问题具有更强的适用性。

2　斜交桥地震碰撞响应

2.1 连续斜交梁桥

在地震作用下，梁体与桥台的碰撞易使连续斜交梁桥发生桥面扭转进而导致落梁震害，针对这一现象，学者们进行了深入研究。

廖兴[17]与卢明奇等[18]通过研究发现梁体与桥台间的碰撞效应最显著的影响表现在易使桥面发生扭转位移并增大桥墩扭矩，进而导致桥墩发生剪切破坏。P.Tirasit等[19]通过分析地震作用下斜度及碰撞作用对连续斜交梁桥桥面旋转的影响，指出梁体与桥台间的碰撞不但会引起梁体的面内转动，还会增大桥墩的扭矩，这与上述结论保持一致。L.Lou等[20]与何健等[21]从碰撞角度出发，重点研究了梁端碰撞对结构地震位移的影响，研究认为：碰撞作用易导致斜桥平面旋转现象；结构地震非线性位移对梁端截面最边缘碰撞单元较为敏感。为进一步研究碰撞效应对连续斜交梁桥的影响，胡建新[22]分析了碰撞效应及结构偏心效应对连续斜交梁桥梁体转角的影响，分析指出，地震作用下连续斜交桥梁体与桥台的碰撞效应及结构偏心效应是导致桥面转动的主要原因。梁才等[23]研究认为，无缝化斜交桥由于其台后结构的约束，在地震中可以防止梁端碰撞及落梁震害。可见，很多学者通过研究揭示出连续斜交梁桥桥面旋转机理，普遍认为梁体与桥台间纵向碰撞是引起连续斜交梁桥桥面扭转震害的主要原因。此外，已有研究指出[24-25]，桥台台后填土对斜交桥地震反应具有重要影响，不过很少有学者从碰撞角度进一步研究桥台台后填土对连续斜交梁桥地震碰撞反应的影响。

2.2 简支斜交梁桥

黄金翠[26]忽略了横向挡块对单跨简支斜交梁桥地震碰撞响应的影响，发现只考虑梁体与桥台纵向碰撞时，简支斜交梁桥桥面旋转对支承刚度较为敏感；随着伸缩缝宽度的增加，桥台与主梁的碰撞力、碰撞次数、桥面最大转角、转动运动的持续时间都逐渐减小。为研究横向碰撞对简支斜交梁桥地震反应的影响，S.Maleki[27、28]以中、小跨径的公路简支斜交梁桥为背景，专门对横向碰撞进行研究，研究发现：忽略挡块与支座之间的间隙、不考虑横向碰撞效应是偏于不安全的，考虑间隙与不考虑间隙相比，作用于铰支座上的地震力可能增大3～4倍，而作用于弹性支座上的地震力可能增大10～12倍。刘鹏[29]与罗婧文等[30]则进一步研究了挡块初始间隙对横向地震碰撞反应的影响，研究指出：桥面最大转角与挡块初始间隙的设置有一定的关系，并且存在一个最佳值，当其处于最佳值时，对桥面转动效应抑制最明显，而初始间隙与各挡块最大碰撞力之间的关系具有不确定性。

上述分析表明，对于简支斜交梁桥，相邻梁体间及梁体与桥台间的纵向碰撞是引起桥面旋转的重要原因，而横向挡块则对桥面旋转具有很好的抑制作用，不能忽略，因此，如果仅考虑纵向碰撞或横向碰撞，都与实际不相符。为此，沈贤[31]分析探讨了纵、横向碰撞参数对简支斜交梁桥桥面旋转的影响，结果表明：地震作用下，纵向碰撞刚度、相邻梁体间初始间隙及梁体和横向挡块间初始间隙对简支斜交梁桥桥面转角的影响较大，而横向碰撞刚度对简支斜交梁桥桥面转角的影响较小。孙庆凯[32]数值模拟了地震作用下简支斜交梁桥发生落梁震害的全过程，结果表明：碰撞效应是引起简支斜交梁桥落梁的重要原因；落梁发生时往往伴随着挡块的严重破坏，且锐角处的挡块碰撞破坏程度大于钝角处的破坏程度。

通过上述研究可以发现，相邻梁体间的碰撞使得简支斜交梁桥地震碰撞响应更为复杂，在进行简支斜交梁桥地震碰撞响应分析时则需要综合考虑斜度、碰撞刚度、伸缩缝宽度、初始间隙等参数的影响。此外，对于多跨简支斜交梁桥地震碰撞反应的影响因素更多，同时，台后填土的影响往往也不能忽略，而这些都需要进一步深入研究。

2.3连续斜交刚构桥

连续斜交刚构桥一般采用边墩及桥台用活动支座与梁体连接，而中间桥墩与梁体固结的结构形式，这使得连续斜交刚构桥在地震作用下易出现因桥面扭转而在桥墩中引起扭矩，最终导致桥墩剪切破坏及扭转破坏。

国外对这种桥型使用较多，研究也较早。其中，Meng[33]和Catacoli[34]等研究表明：在地震作用下，斜交刚构桥易在桥墩处发生剪切破坏，并伴有扭转震害；斜度对桥梁的动力响应有重要影响，较大斜度会使桥梁发生旋转和扭曲从而导致桥梁内力产生变化。同时，Meng[35]与Mohti[36]等认为简化的杆系模型能够准确反映斜交刚构桥桥墩扭转导致的内力变化，适合进行非线性时程分析。Huo等[37]使用易损性分析方法研究了碰撞和斜度对典型多跨混凝土公路桥梁地震响应的影响，发现碰撞效应对正桥影响很小，可以忽略，但对斜交桥尤其是斜交角度较大的斜交刚构桥有很大影响。国内，文献[38-41]对客运专线连续斜交刚构桥的动力特性进行了研究，研究指出：连续斜交刚构桥具有良好的动力性能，但对于连续斜交刚构桥的深入分析目前还鲜有报道。孙庆凯[32]以一座斜交刚构—连续组合梁桥为工程背景进行分析研究，研究发现：斜交桥碰撞过程中，主梁梁端碰撞力呈现不均匀分布，锐角处的碰撞程度要大于钝角处的碰撞程度；横向挡块上的碰撞力分布也不均匀，并且锐角处的挡块受到的碰撞要更严重。

3 限位措施研究

限位措施对桥梁抗震设计具有积极作用，为了阐明不同限位措施的使用效果，M.Saiidi等[42]提出了三种简支梁桥限位装置设计方法，认为设置限位装置能有效减小梁端位移。Watanabe G.等[43]针对三种缆索限位器对斜交桥碰撞的影响分别进行了研究，研究发现：限位器沿梁端横向布置对斜交桥桥面旋转约束效果最好，其次是限位器垂直于支承线布置，而限位器沿桥梁纵向布置限位效果最差。G.Sevgili等[44]研究表明：利用连接板将多跨简支斜交梁桥加固为桥面连续的体系能有效减小桥面的纵、横向位移以及相邻梁体间的相对位移；用连接板代替伸缩缝能减小相邻结构间的碰撞力。

我国对于结构外形不规则的斜交桥，一般只设置横向挡块，而很少采取其他限位措施，桥梁抗震设计规范也仅把横向挡块作为一种构造措施，针对斜交桥结构特点的防旋转限位措施的研究还较少。沈贤等[45]研究表明：在简支斜交梁桥梁端锐角区设置纵向垫块对减小地震引起的桥面旋转和梁端纵向位移有较好的效果。对于斜交桥限位措施的其它设计方法，有待进一步研究。

4 结论及展望

4.1 结论

通过综述国内外学者对斜交桥碰撞模型的建立、地震碰撞响应及限位措施的研究状况和进展，其研究成果可以归纳为：

(1)在地震作用下，斜交桥的地震响应要比正交桥更为剧烈，损坏程度也更为严重，在斜交桥的破坏中梁体碰撞破坏是最常见的震害之一，历次地震的震害情况也印证了这一点。

(2)斜交桥的碰撞模型有多种建立方法，针对不同方法的优缺点，很多学者对碰撞模型进行改进，使得改进后的碰撞模型具有更高的精度和更强的适用性。

(3)地震作用下斜交桥主梁与桥台的纵向碰撞是导致梁体面内转动的主要原因，同时横向碰撞对斜交桥的地震响应影响也很大，不能忽略，而梁体与桥台的初始间隙以及梁体与挡块的初始间隙则是影响碰撞的重要参数。

(4)斜交桥限位措施能很好地限制梁体的位移及转动，对防止梁体落梁是有利的，而横向挡块则是斜交桥中最为常见的限位措施。

4.2 建议及展望

(1)对斜交桥进行地震响应研究具有重要意义，同时，对桥梁横向挡块设计、伸缩缝设计以及梁体与挡块的初始间隙的取值等问题应该进行系统、规范的研究，以满足抗震设计的要求。

(2)目前对墩台弹塑性变形、碰撞位置的变化、碰撞变形的影响、台后填土的影响等研究还较少，需要建立考虑更多因素的碰撞模型进行分析研究，从而找到更加合理的抗震措施。

(3)对斜交桥的地震碰撞响应研究主要集中于简支斜交梁桥以及连续斜交梁桥，而针对连续斜交刚构桥的抗震分析，还缺乏深入研究。

(4)针对斜交桥限位措施的研究还处于起步阶段，还有很多问题亟待解决。

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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，硕士研究生，研究方向为桥梁抗震。njlhzm@163.com

10.13219/j.gjgyat.2016.05.001

U442.55;U448.41

A

1672-3953(2016)05-0001-05