强震作用下曲线连续梁桥碰撞响应分析

王亮　李明辉　刘冠冲

摘要：随着世界经济的不断发展，世界各国都在致力于建立更加快速、便捷的陆路交通网络。城市高架曲线梁桥因具有很好地克服地形、地物的限制，满足路线整体线形的连续性的特点，在缓解城市交通起到至关重要的作用。作为交通枢纽中重要的组成部分，地震灾害发生时桥梁结构一旦发生损坏，将加剧次生灾害发生，导致严重的经济损失。由于曲线桥地震作用下动力响应的独特性以及复杂型，在突发地震作用下，与直线桥梁相比，极易造成破坏，地震作用下主梁与桥墩连接较为薄弱，更多地发生横、纵向位移，乃至最终落梁。在坟川地震、东日本大地震以及最近发生的熊本地震、厄瓜多尔地震中，震区大量的公路桥梁严重损毁，发生倒塌破坏。基于此，文章简要分析了强震作用下曲線连续梁桥碰撞响应，以供参考。

关键词：强震；曲线连续梁桥；碰撞响应

引言

受山区地形、地貌和路线走向的影响，曲线梁桥被广泛应用于桥梁建设中。曲线梁桥相应复杂特征使得曲线梁桥在强震下容易发生支座损坏、挡块断裂，甚至落梁等震害，如圣费南多地震、汶川地震中均发生曲线梁桥落梁震害。目前在直线梁桥地震响应方面，许多学者开展了较为详细的研究，已有的研究结果表明碰撞对结构的地震响应有很大的影响。在曲线梁桥地震响应研究方面，王天利、李黎等研究了曲线梁桥在地震作用下的碰撞效应，王天利对比分析了曲线匝道桥桥墩处和桥台处伸缩缝的地震碰撞响应的差距，研究发现取消桥台处伸缩缝更有利于曲线梁桥的抗震；李黎采用非线性时程分析法研究了一座采用铅芯橡胶支座的曲线梁桥，研究表明采用隔震支座可以明显消耗碰撞过程中产生的能量。

1桥梁概况

某城市立交桥D匝道中桥桥段，D匝道中桥为曲率半径为50m的曲线梁桥。该曲线匝道桥共有两联4跨、3道缝宽均为50mm的伸缩缝（50型伸缩缝）。为分析曲线梁桥在地震作用下的碰撞情况，保留原桥中的3道50型伸缩缝，并在两端设置桥台。

图中的右侧桥台和①号桥墩之间为第1跨，①号桥墩与②号桥墩间为第2跨，②号桥墩与③号桥墩间为第3跨，③号桥墩和左侧桥台为第4跨。

2输入地震动

本文采用ABAQUS软件建立有限元模型，采用隐式算法Newmark方法来进行动力方程求解。接触碰撞过程是非线性问题，对非线性动力方程，采用修正Newton-Pophson迭代法。

本文建立的曲线梁桥模型有3个桥墩，根据规范要求应分别沿①号桥墩与②号桥墩连线方向、②号桥墩与③号桥墩连线方向输入地震动。通过分析发现，地震动沿②号和③号桥墩连线方向输入对曲线桥结构碰撞的影响最大，因此，主要分析MEX00003波沿②号和③号桥墩连线方向输入时曲线桥的碰撞响应。

3强震作用下曲线连续梁桥碰撞响应分析

3.1伸缩缝处碰撞力分析

输入地震动之后，当相邻结构相对位移超过伸缩缝间距便发生碰撞。根据模型中接触面的接触设置，当结构未发生碰撞，碰撞力为0，一旦发生碰撞就会瞬间产生很大的碰撞力。碰撞力是将接触面每个单元的接触应力进行积分得到，即碰撞力是伸缩缝处接触面发生碰撞的集中体现。

本节提取三个伸缩缝处的时程分析过程中的碰撞力，以确定主梁与主梁（桥台）之间是否发生碰撞。由于多个时刻都存在碰撞力，即说明三个伸缩缝处的相邻结构在地震作用下发生了多次碰撞。但不同伸缩缝的碰撞响应差别很大，长联伸缩缝处发生碰撞（2.61s）是最早的，且是碰撞力最大的（16.45MN）。中间伸缩缝和短联伸缩缝的碰撞主要发生在地震作用的中间时刻，中间伸缩缝碰撞力最小。

3.2伸缩缝接触面的碰撞应力分析

碰撞力是接触面碰撞的整体表现，不能体现接触面上具体的碰撞位置以及该位置对应的碰撞应力。相邻结构发生碰撞并不是整个接触面上的所有单元都发生碰撞，而是局部发生碰撞。不同伸缩缝处发生碰撞的位置是不同的，短联伸缩缝处是箱梁顶板与外侧腹板交接处和桥台发生碰撞；中间伸缩缝处是相邻主梁的箱梁顶板外侧发生碰撞；长联伸缩缝处是箱梁顶板与内侧腹板交接处和桥台发生碰撞。虽然不同伸缩缝的最大碰撞力不同，但发生最大碰撞力的时刻与单元发生最大碰撞应力的时刻基本一致。为进一步确定不同节点的应力响应，得到不同伸缩缝两端节点碰撞应力随时间的变化图，可以看出，3个伸缩缝的内侧和外侧边缘节点的碰撞响应差异都很大，说明曲线梁桥伸缩缝处发生偏心碰撞。

3.3伸缩缝相邻结构的损伤分析

曲线梁桥相邻构件之间的碰撞引起结构的强烈振动，由碰撞产生的碰撞力与结构自身的惯性力相互作用，对结构产生损伤破坏。损伤是地震作用下的累积破坏，通过分析最后时刻（t=50s）的压缩损伤率n，n=0时表示没有发生损伤，n=1时表示完全损伤，可见产生最大碰撞应力的位置也是受压损伤最严重的地方，这说明碰撞部位瞬间产生巨大接触压力，对桥梁结构有损伤破坏作用。长联桥台处损伤最严重，最大损伤率接近n=0.5。可以发现中间伸缩缝处的短联和长联的损伤部位存在差异，这是由于支座的约束条件不同导致。强震作用下主梁和滑动支座可能发生分离，再加上曲线梁桥的扭转作用，相邻结构易发生错动，引起结构发生错动碰撞。

3.4桥墩地震响应分析

考虑碰撞响应时墩顶位移有所增加，径向位移增幅较大，这是因为碰撞响应加剧了主梁的扭转，大幅增加了墩顶径向位移。桥墩底部发生剪切破坏，是导致桥梁破坏的一个重要原因。提取每个桥墩的墩底径向和切向剪力以及墩底弯矩。碰撞对墩底剪力和弯矩影响微小。这是因为碰撞产生的碰撞力方向与惯性力方向相反，二者相互抵消一部分，再加上隔震支座的剪切变形作用，导致碰撞反应对墩底剪力和弯矩的影响有限。

结论

分析发现强震作用下曲线梁桥极易发生碰撞，且碰撞瞬间产生很大的碰撞力，导致相邻构件损伤。考虑碰撞响应显著增加了主梁的径向位移，对墩顶位移和墩底扭矩也有明显影响，进一步加剧了桥墩的破坏。（1）相比接触单元或梁一柱单元有限元模型，采用三维实体单元模型可以确定接触面发生碰撞的具体位置以及相应位置处的碰撞应力，更能有效模拟分析曲线连续梁桥在地震作用下的不均匀碰撞效应。（2）强震作用下曲线梁桥极易发生碰撞，碰撞瞬间产生很大的碰撞力，导致钢筋混凝土构件损伤。曲线梁桥相邻结构发生碰撞并不是整个接触面上的所有单元都发生碰撞，而是局部发生碰撞。由于曲线桥弯扭耦合现象明显，相邻结构易发生错动，引起结构的错动碰撞。受曲线梁桥支座类型和主梁曲率的影响，各伸缩缝处产生最大碰撞力的位置是不同的，同一接触面上不同节点发生碰撞的时间不同，碰撞应力也有所区别。（3）碰撞产生的碰撞力与惯性力方向相反，对主梁、桥台与桥墩顶部的切向位移有一定限制，所以考虑碰撞后切向位移增幅相比于径向位移的增幅要小。但由于曲线梁桥的扭转作用导致相邻结构易发生单侧碰撞，单侧碰撞引起主梁转动，导致墩底扭矩明显增大。（4）在曲线梁桥抗震设计中应考虑碰撞响应对结构的影响，并积极采取减轻碰撞响应的措施。例如可以采用高阻尼橡胶减震支座，有效提高结构安全性和抗震能力，明显减小桥梁控制截面弯矩值和位移响应，提高了桥梁的整体抗震性能。