单跨斜交梁桥碰撞震害机理研究

黄 颖，高 杰，许永吉

(1.福建船政交通职业学院， 福建 福州 350007；2.福建省智能养护工程有限公司， 福建 福州 350001)

Ford在1926年首次提及了结构碰撞现象。1985年密西哥城(Mexico City)地震后，研究人员针对建筑结构碰撞问题开展了大量研究，取得了一系列丰硕的成果[1-3]。相关研究表明，碰撞对桥梁结构地震反应的影响不可忽视[4-6]。

基于规则桥梁的碰撞理论，近几年学者以斜交梁桥为研究对象，开展了一系列针对斜交梁桥的碰撞响应分析。李建中等[7]研究了纵向地震作用下非规则梁桥的碰撞效应，分析表明：当梁式桥相邻联周期相差较大时，碰撞会导致低墩地震反应增大，对结构抗震不利。何健等[8]基于连续斜交梁桥震后落梁震害和平面旋转现象，提出一种带碰撞单元的单梁简化模型，能比较准地考虑斜交梁桥碰撞后桥面的平面旋转现象。罗婧文等[9]以45°斜交单跨简支梁桥作为研究对象，对挡块与梁体间的碰撞反应敏感性进行分析，表明挡块的设置对桥面残余转角起到了一定的限制作用，能使残余转角变小。卢明奇等[10]利用模态分析和非线性时程分析方法对不同斜度的斜交桥梁在地震作用下的扭转效应展开研究。研究表明增大桥梁的斜度并不影响上部结构的扭转位移；若梁体与桥台发生接触碰撞，斜度增大，上部结构的扭转位移增大。

1 有限元模型建立

为了研究单跨斜交梁桥碰撞效应震害机理，利用OpenSees建立单跨斜交梁桥的实桥模型，见图1。跨径和桥宽分别设置为25 m和8.6 m，采用单梁模型[11]，梁高2 m，支座形式为板式橡胶支座，桥台与主梁之间采用非线性滑移单元连接，主梁和横向挡块之间设置碰撞单元。本文的分析选择四种场地各三条地震动记录，合计12条实测地震动，地震动选取情况见表1。将地震动加速度峰值通过调整系数分别依次调整为0.1g～0.4g，并且按照1∶1∶0.65沿斜交桥纵向(X轴)、横向(Y轴)、竖向(Z轴)三向同时输入。

图1 单跨斜交梁桥的OpenSees模型

2 碰撞效应分析

2.1 动力特性分析

在进行单跨斜交梁桥地震碰撞效应分析之前，本节先进行结构的动力特性分析。模型参数如前所述，采用的斜度为30°，支座采用板式橡胶支座，获得单跨斜交梁桥的自振周期、质量参与系数和模态形式见表2。表中：UX、UY、Uz、URX、URY、URZ分别表示顺桥向、横桥向、竖向弯曲、面内绕X轴、面内绕Y轴、面内绕Z轴的质量参与系数，其他斜度的分析结果与30°时类似。从表中可知，板式橡胶支座的单跨简支斜交梁桥第一阶、第二阶振型分别以横桥向平动和顺桥向平动为主，两者的质量参与系数均大于95%，纵、横向平动耦合现象不明显。第三阶模态形式为面内绕Z轴旋转，此时纵、横向质量参与系数很小。

表2 单跨斜交梁桥自振周期和质量参与系数

注：表中数据“0.00”表示很小的数值，为非零数。

2.2 输入地震动影响分析

当防震挡块的初始刚度固定为10.38×108N/m2，碰撞刚度设置为3.85×108N/m2， 主梁与防震挡块之间的间隙和伸缩缝间距均为50 mm时， 分析在四类场地波作用下30°斜交简支梁体伴随地震动强度增强情况下主梁位移响应、 主梁分别与桥台与挡块之间的最大碰撞力[12-13]， 分析结果图2～图6。

2.2.1 主梁位移响应分析

(1) 主梁横向位移。图2中横向坐标系表示的是随着地震动逐级增大，每类场地各三条地震动作用在有横向挡块和无横向挡块作用下的情况，纵坐标表示的是梁体横向位移值。从图2中可以看出，有无横向挡块作用对梁体横向位移的影响差别较大，在无横向挡块作用的情况下，当地震动强度为0.1g时，I类场地中I-3波、II类场地中II-3波，横向响应分别达到0.15 m与0.16 m；当地震动强度为0.2g时，III类场地III-2波、IV类场地IV-1波横向响应分别达到0.09 m、0.17 m，此时结构已经发生落梁破坏；当地震动强度达到0.4g时，I类场地中I-3波、II类场地中II-2波、III类场地III-1波、IV类场地IV-1波，横向响应分别达到1.90 m、0.60 m、0.20 m、0.36m。当地震动强度为0.1g时有横向挡块作用的主梁最大横桥向位移值均小于挡块与盖梁间的间距，因此未发生碰撞破坏；当挡块破坏失效时主梁最大横向响应也只有59 mm，说明横向挡块对梁体的限位作用是十分明显的。在不同地震动作用下梁体横向最大位移响应差别较大，I-2、II-1、Ⅲ-3、IV-3作用横向位移响应较小，说明不同地震动类型对梁体横向位移响应影响也很大。从柱状图可以看出，无横向挡块作用时，随着地震动强度的增大，梁体横向响应逐渐增大，符合理论分析结果，有横向挡块作用时，梁体横向位移响应随着地震动强度的增大变化幅度不大，再次说明横向挡块在抵抗梁体横向位移中发挥了积极作用。

图2梁体横向最大位移响应

(2) 主梁纵向位移。由分析可知，有无横向挡块对梁体纵向位移影响不大，因此只分析I类场地响应情况，见图3。从图3中可以看出，I-1和I-3地震动作用下，梁体纵向最大位移约为55 mm，超过了伸缩缝间隙50 mm，说明在实际地震作用下，梁体将会与桥台发生碰撞导致破坏；I-2地震动作用下纵向位移较小，没有达到50 mm，因此随着地震动强度的增大位移逐渐增大，有无横向挡块的响应结果相同，说明在地震动强度不大时横向挡块对梁体纵向位移无影响；当地震动强度较大时，如I-1和I-3地震动作用梁体纵向位移已经超过了伸缩缝间隙，有横向挡块时随着地震动强度的增大梁体纵向位移基本不变，有横向挡块时的梁体纵向位移略小于无横向挡块作用的结果，从主梁纵向位移分析可以看出，地震作用下，横向挡块对梁体纵向位移影响不显著，随着地震动强度的增大，梁体纵向位移逐渐增大。

图3梁体纵向最大位移响应

(3) 主梁转角位移。图4分析了在无横向挡块即仅考虑梁体与桥台间的纵向碰撞、有横向挡块即考虑梁体与桥台和横向挡块双向碰撞情况下地震引起单跨斜交梁桥梁体的旋转反应。从图4中可以看出，四类场地不同地震动作用下，无论纵向碰撞还是双向碰撞，主梁转角的变化随着地震动强度的增大没有明显的规律性；纵向碰撞时梁体的转角约为双向碰撞时梁体转角的2倍～10倍，说明纵向碰撞作用使梁体产生较大的转角，而挡块的碰撞作用阻碍了转角的增大。

图4梁体最大转角响应

2.2.2 碰撞力响应分析

(1) 桥台碰撞力。图5分析了四类场地各3条地震动随着地震动强度的增大桥台的反力响应，从图5中可以看出，Ⅰ-2、Ⅳ-3地震动作用下桥台最大反力为零，说明这两条地震动作用下梁体与桥台没有发生碰撞；双向碰撞和纵向碰撞时，桥台最大反力均随着地震动强度的增大而增大，而横向挡块对桥台碰撞力的影响不显著，没有一定的规律性。

图5桥台最大反力响应

(2) 挡块碰撞力。图6分析了四类场地12条地震动随着地震动强度的增大挡块的反力响应，从图6中可以看出，当地震动加速度峰值为0.1g时，主梁的横向位移没有超过间隙50 mm，主梁与挡块没有发生碰撞，挡块的反力为0，随着地震动强度的增大，碰撞效应逐渐加剧，挡块最大反力也逐渐增大。

图6挡块最大反力响应

2.3 斜度影响分析

2.3.1 主梁位移响应分析

(1) 主梁横向位移。分别输入表1中的四类场地各三条地震动，地震动强度取0.4g，无横向挡块即仅考虑梁体与桥台间的纵向碰撞、有横向挡块即考虑梁体与桥台和横向挡块双向碰撞，分析在不同碰撞情况下斜度对单跨斜交梁桥主梁横向位移随斜度的变化规律。结果表明有无横向挡块主梁的横向位移差别较大，横向挡块在限制梁体横向位移起到积极的作用。仅考虑纵向碰撞时，随着斜度的增大，横向位移逐渐增大，斜度15°时达到最大值，此时结构落梁破坏，之后横向位移逐渐减小；而双向碰撞时，除了Ⅰ-2和Ⅳ-3地震动，主梁没有与挡块发生碰撞，其他地震动作用下主梁均与挡块发生碰撞破坏，横向位移均随着斜度的变化先增大后减小，斜度为30°时达到最大值。

(2) 主梁纵向位移。结果显示在四类场地12条地震动作用下，有无横向挡块时主梁纵向位移值基本一致，并且随着斜度的增大纵向位移逐渐减小。当斜度为60°时，相比直桥纵向位移减小约50%。I-3地震动作用下，斜度15°时，梁体纵向位移最大，达到55 mm，超过了伸缩缝间隙50 mm，梁体将会与桥台发生碰撞。

(3) 主梁转角位移。分析在四类场地各三条地震动作用下，不同碰撞情况下，斜度对斜交简支梁桥体旋转效应的影响。结果显示随着斜度的增大，梁体最大转角呈现先增大后减小的变化规律，从大部分地震动作用呈现出的趋势可以看出，斜度15°时梁体转角最大。无挡块时梁体产生的转角明显比有横向挡块时产生的转角的大，与后者相比梁体转角平均值高估约50%～200%，可见横向挡块能起到很好的横向限位作用，对单跨斜交梁桥旋转具有重要影响。

2.3.2 碰撞力效应

通过分析单跨斜交梁桥伴随斜度增大四类场地12条地震动作用下桥台最大反力响应和桥台挡块反力响应。结果表明伴随斜度的增大桥台最大反力曲线和桥台挡块反力没有一定的规律性，不同的地震动差异较大。

3 结 语

本文通过建立单跨斜交梁桥有限元模型，对其进行碰撞效应分析，得到以下结论：

(1) 无横向挡块作用时，随着地震动强度的增大，梁体横向位移响应逐渐增大，当地震动强度为0.2g时，大部分工况结构发生落梁破坏；当地震动强度为0.1g时，有横向挡块作用的主梁最大横桥向位移值均小于挡块与盖梁间的间距，因此未发生碰撞破坏，当挡块破坏失效时主梁最大横向响应也只有59 mm，说明横向挡块对梁体的限位作用是十分明显的。横向挡块对斜交梁桥的纵向位移无影响，说明在地震作用下，横向挡块对梁体纵向位移影响不显著。

(2) 当梁体没有发生碰撞时，梁体的转角很小，并且有无横向挡块梁体的最大转角相同，说明碰撞效应会增大梁体的旋转效应；四类场地不同地震动作用下，无论纵向碰撞还是双向碰撞，主梁转角的变化随着地震动强度的增大而增大；对于四类场地的大部分地震动，单跨斜交梁桥双向碰撞时产生的梁体转角比只考虑纵向碰撞时小约10%～50%，梁体与挡块的碰撞阻碍了转角的增大，不考虑横向挡块的作用将严重高估梁体的旋转。

(3) 伴随地震加速度峰值的增大，桥台最大反力和桥台挡块的最大反力均逐渐增大，并且在相同地震动作用下，双向碰撞产生的桥台反力较纵向碰撞大约10%～30%。而横向挡块对桥台碰撞力的影响不显著，没有一定的规律性。盖梁挡块反力在地震加速度峰值为0.2g～0.3g时，增长的幅度最大；在相同地震动及相同地震动强度作用下，桥台挡块反力约为盖梁挡块反力的2倍。

(4) 仅考虑纵向碰撞时，伴随斜度增大，横向位移先增大再减小，单跨斜交梁桥斜度为15°时达到最大值，此时结构落梁破坏；而双向碰撞时，随着斜度的变化主梁横向位移差别维持在毫米级，说明考虑横向挡块作用时，斜度对梁体横向位移的影响很小。而当斜度为60°时相比正桥纵向位移减小约50%，说明无论对于纵向碰撞还是双向碰撞，斜度对斜交梁桥的纵向位移的影响不可忽略。

(5) 大部分地震动作用呈现出的趋势是斜交角为15°时梁体转角最大，无挡块时梁体产生的转角明显比有横向挡块时产生的转角的大，说明横向挡块能起到很好的横向限位作用。

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