橋梁地震碰撞反應(yīng)研究與發(fā)展

邱有安 冼巧玲 崔 杰

橋梁地震碰撞反應(yīng)研究與發(fā)展

邱有安 冼巧玲 崔 杰

摘 要：橋梁在地震中的碰撞反應(yīng)不容忽視，文章綜述了國內(nèi)外橋梁地震碰撞的模擬方法以及各種形式橋梁結(jié)構(gòu)的地震碰撞近期研究進(jìn)展，歸納了橋梁碰撞的條件和影響因素，介紹了減輕橋梁結(jié)構(gòu)地震碰撞方法和防落梁措施的主要研究成果，并對橋梁地震碰撞反應(yīng)的進(jìn)一步研究作了展望。

關(guān)鍵詞：橋梁；地震；碰撞反應(yīng)；研究

邱有安：廣州大學(xué)工程抗震研究中心，碩士，廣東廣州 510405

近30多年來，地震導(dǎo)致橋梁碰撞破壞的震害屢屢出現(xiàn)，使橋梁的地震碰撞問題越來越為人們所重視。橋梁地震碰撞反應(yīng)主要是主梁端碰撞或者主梁與橋臺胸墻碰撞[1]，這些一般會引起主梁梁端開裂、橋臺胸墻局部混凝土脫落、伸縮縫擠壓等破壞，嚴(yán)重時會導(dǎo)致落梁破壞。因此，開展橋梁碰撞作用的機(jī)理、減少橋梁結(jié)構(gòu)的碰撞、防止落梁措施的研究具有重要意義。

1　橋梁碰撞的模擬方法

橋梁碰撞的過程是一個伴隨能量耗散、復(fù)雜的高度非線性現(xiàn)象，目前，研究橋梁碰撞的模擬方法主要有恢復(fù)系數(shù)法和接觸單元法。

1.1恢復(fù)系數(shù)法

恢復(fù)系數(shù)法是根據(jù)動量守恒定律，假定2相鄰橋梁碰撞是2質(zhì)心碰撞并且是瞬間完成?；謴?fù)系數(shù)表達(dá)式如式（1）。

式（1）中，e為恢復(fù)系數(shù)；v1和v2分別為碰撞前兩相鄰橋梁的速度；v1′和v2′分別為碰撞后兩相鄰橋跨的速度。

當(dāng)e＝0時，說明兩相鄰跨橋梁之間發(fā)生了完全塑性碰撞；當(dāng)e＝1時，說明兩相鄰跨橋梁之間發(fā)生完全彈性碰撞?；謴?fù)系數(shù)法的優(yōu)點(diǎn)是物理意義明確，缺點(diǎn)是跟有限元模擬軟件難以結(jié)合。

1.2接觸單元法

接觸單元法是橋梁碰撞分析常用的方法。接觸單元設(shè)置在容易發(fā)生碰撞的地方，當(dāng)兩相鄰橋梁一接觸，接觸單元就會激活。接觸單元可以分為線性彈簧單元模型、Kelvin模型、Hertz模型、Hertzdamp模型等幾種。

其中，線性彈簧單元模型比較簡單，由1個線性連接彈簧組成，僅僅考慮碰撞過程的剛度。Kelvin模型比線性彈簧單元模型多考慮了碰撞過程中的能量損失，由1個連接彈簧和1個阻尼器并聯(lián)組成。Hertz模型跟線性彈簧單元模型類似，不同之處是Hertz模型中的連接彈簧為非線性。Hertz-damp模型采用非線性彈簧和非線性粘滯阻尼器組合而成。

2　直線橋梁碰撞研究

王軍文等[2]研究了雙邊碰撞對橋梁結(jié)構(gòu)位移的影響。將3聯(lián)多跨連續(xù)梁簡化成3個自由度的動力分析模型，通過非線性時程分析法，研究了縱向地震作用下連續(xù)梁伸縮處碰撞效應(yīng)，并分析比較單邊碰撞與雙邊碰撞對橋梁結(jié)構(gòu)位移影響。結(jié)果表明，碰撞對于嚴(yán)重不同向振動的相鄰聯(lián)的地震反應(yīng)影響顯著，而對于基本振動周期比大于0.7的相鄰聯(lián)的地震反應(yīng)影響很小。

李建中、范立礎(chǔ)[3]研究了相鄰聯(lián)碰撞對結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響。通過某山區(qū)3聯(lián)多跨非規(guī)則連續(xù)梁作為計算模型，采用非線性時程分析法，分析伸縮縫處相鄰梁體碰撞對結(jié)構(gòu)反應(yīng)的影響。結(jié)果表明，相鄰聯(lián)周期相差較大時，會造成非同向振動，導(dǎo)致相鄰聯(lián)產(chǎn)生較大的相對位移和碰撞。

李忠獻(xiàn)等人[4]為了研究隔震簡支梁橋的碰撞反應(yīng)，進(jìn)行了2跨縮尺隔震簡支梁橋模型的振動臺試驗。模型的梁跨度為0.8 m，不受幾何相似比限制，每跨梁采用2根I20a工字鋼焊接而成。試驗采用2種橡膠支座，分別是板式橡膠支座和鉛芯橡膠支座。試驗采用將加速度峰值調(diào)整為0.7 g 的3條地震加速度記錄為地震動輸入，分別為EI Centro波、Kobe波和天津波。試驗結(jié)果表明，梁的間隙、鄰梁質(zhì)量比、隔震支座類型等參數(shù)對橋梁的碰撞反應(yīng)有很大的影響。

3　曲線橋、斜交橋和大跨度橋梁的碰撞研究

3.1曲線橋梁碰撞的研究

曲線橋梁在地震作用下沒有主方向，會產(chǎn)生不規(guī)則平面旋轉(zhuǎn)位移，所以曲線橋梁梁間的碰撞與直線橋軸向碰撞相比有較大區(qū)別。

李黎等人[5]針對隔震曲線橋梁，以1座3聯(lián)曲線橋梁為研究對象，采用非線性動力時程計算方法，研究了曲線橋梁最不利地震輸入角度，以及強(qiáng)震時隔震曲線橋梁梁間碰撞特征。結(jié)果顯示，當(dāng)?shù)卣鸩ㄑ亓后w某點(diǎn)切向輸入時，該點(diǎn)響應(yīng)值達(dá)到最大；在伸縮縫寬度一樣時，與非隔震橋梁相比，隔震橋梁更易發(fā)生碰撞，但是橋墩內(nèi)力和振動響應(yīng)明顯降低。

王天利等人[6]以1座多層互通式立交體系中的單支帶伸縮縫曲線匝道橋為研究對象，建立了全橋空間動力模型，利用非線性時程分析法，對比分析曲線匝道橋橋墩處伸縮縫和橋臺處伸縮縫的地震響應(yīng)差異，研究表明，保持橋墩伸縮縫取消橋臺伸縮縫的設(shè)置有利于抗震。

3.2斜交橋梁碰撞的研究

斜交橋梁在地震作用下梁間的碰撞力不是軸向的，會產(chǎn)生主梁平面內(nèi)扭矩，從而導(dǎo)致主梁發(fā)生平面旋轉(zhuǎn)和落梁。

胡建新等人[7]以2跨及3跨預(yù)應(yīng)力混凝土斜交橋為研究對象，建立數(shù)值分析模型，地震波輸入方式采用水平雙向正交輸入，研究了碰撞效應(yīng)和結(jié)構(gòu)偏心效應(yīng)對主梁轉(zhuǎn)角影響。研究結(jié)果表明，斜交連續(xù)梁橋在地震作用下導(dǎo)致梁體內(nèi)剛體轉(zhuǎn)動的主要原因是，梁體與橋臺或橋聯(lián)間的碰撞效應(yīng)與結(jié)構(gòu)偏心效應(yīng)。所以，減少斜交橋的碰撞效應(yīng)應(yīng)注意剛度平衡與質(zhì)量均勻分布。

何健等人[8]以1座3跨連續(xù)斜交梁橋為對象，建立帶碰撞單元并考慮豎向、水平及扭轉(zhuǎn)剛度的單梁簡化模型，采用動力特性分析和非線性時程分析，考慮梁端碰撞效應(yīng)和支座滑移，計算了斜交橋的非線性地震反應(yīng)，并將簡化模型的計算結(jié)果與精細(xì)化的板單元有限元模型的結(jié)果進(jìn)行對比。研究結(jié)果表明，簡化模型計算斜交橋的非線性地震反應(yīng)精確度滿足要求；斜交橋梁端與橋臺發(fā)生碰撞時，梁端地震位移顯著增加，碰撞作用容易導(dǎo)致斜交橋的落梁和平面旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象；地震非線性位移對于梁端截面最外緣的碰撞單元較敏感。

3.3大跨度橋梁碰撞的研究

國內(nèi)研究大多是針對中小跨徑梁式橋梁碰撞，大跨徑的懸索橋或者斜拉橋主橋與引橋之間碰撞研究較少。大跨徑橋梁的基本周期長，并且主橋與引橋的動力特性相差較大，在地震作用下更容易造成伸縮縫處碰撞。

張文學(xué)等人[9]以某九江大橋為例，結(jié)合場地類型、斜拉橋重心高度和引橋結(jié)構(gòu)形式等因素，研究了斜拉橋與引橋之間的碰撞問題。結(jié)論表明，場地類型對引橋和主橋之間碰撞影響最明顯；斜拉橋重心高度對主橋與引橋之間碰撞響應(yīng)影響不具有規(guī)律性；斜拉橋的引橋不宜采用簡支梁結(jié)構(gòu)。

鄧育林[10]等人主要研究了大跨懸索橋伸縮縫處雙邊碰撞效應(yīng)對結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響。以1座大跨3塔懸索橋為對象，建立空間動力分析模型，采用非線性動力時程分析方法進(jìn)行研究。結(jié)果表明，當(dāng)一側(cè)引橋周期明顯大于主橋周期，而另一側(cè)引橋周期接近或小于主橋周期時，雙邊碰撞使短周期側(cè)引橋梁端位移、主引橋相對位移及引橋梁體搭接長度響應(yīng)輕微減少，而使長周期側(cè)的梁端位移、梁體搭接長度以及主引橋間相對位移響應(yīng)、引橋墩底地震內(nèi)力增大。

4　橋梁碰撞的條件和影響因素

橋梁碰撞過程是一個復(fù)雜過程，導(dǎo)致碰撞有許多原因，其中，最直接的是相鄰橋跨間的相對位移超過了伸縮縫的設(shè)計間隙。然而產(chǎn)生這樣的相對位移的主要原因是，相鄰橋跨的動力響應(yīng)差異（也是剛度和質(zhì)量的差異），地震波輸入不一致（地震波的空間效應(yīng)）。同時，跟兩相鄰橋梁之間間距的大小和土與結(jié)構(gòu)相互作用也有影響。

4.1相鄰橋跨的動力響應(yīng)差異

衡量相鄰橋跨的動力響應(yīng)差異采用兩相鄰跨的周期比。Des Roches 和Muthukumar[11]指出了決定兩相鄰橋梁之間是否發(fā)生碰撞的主要參數(shù)，為兩相鄰跨橋梁之間的周期比(T1/T2)和地震特征周期的比（T1/Tg和T2/Tg）。Pantelides和Ma[12]指出對于自振周期大于0.3的結(jié)構(gòu)，阻尼的增加可以明顯減少地震碰撞作用。

4.2地震波的空間效應(yīng)

對于跨度比較大的橋梁來說，必須要考慮地震動的輸入方法，這樣才能真實(shí)反映實(shí)際情況。由于不一致的震動輸入，最后導(dǎo)致相鄰的橋跨響應(yīng)不一致，也是橋梁碰撞的直接原因。Bi等人[13]以實(shí)際跨越峽谷的2跨簡支梁橋為例，研究了在空間變化的地震動以及場地放大效應(yīng)，來確定出采用大位移模數(shù)式伸縮縫橋梁防止碰撞的分隔距離。研究表明，當(dāng)橋梁的主梁與場地發(fā)生共振或者橋梁模態(tài)頻率與地面位移中心頻率一致，模數(shù)式伸縮縫需要分隔距離越大，建在越深越軟的土層上的橋梁需要越大的分隔距離；越柔軟的橋梁需要分隔距離越大；模數(shù)式伸縮縫的寬度取決于相鄰結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性、土層的動態(tài)行為和空間變化的地震動。

4.3土與結(jié)構(gòu)相互作用

土與結(jié)構(gòu)相互作用對橋梁碰撞有明顯的影響，有Bi等[14]將彈簧單元和阻尼單元來模擬樁基礎(chǔ)周邊的土來反應(yīng)土與結(jié)構(gòu)之間的相互作用。通過比較場地條件為柔軟土層、中等土層、堅硬土層以及不考慮土與結(jié)構(gòu)相互作用發(fā)現(xiàn)，當(dāng)場地為柔軟土?xí)r，對橋梁碰撞影響很大，必須要考慮土與結(jié)構(gòu)相互作用；還指出了當(dāng)結(jié)構(gòu)自振周期與場地發(fā)生共振時，土與結(jié)構(gòu)相互作用對橋梁碰撞影響更明顯。

5　減少碰撞的措施

防止碰撞的措施有2類，一是確定合適的相鄰橋跨的間距和支座寬度，二是采用減震耗能的措施來降低碰撞產(chǎn)生的破壞。

5.1確定合適的鄰跨間距和支座寬度

確立合適的鄰跨間距是減少碰撞影響的最直接的方法。我國GB50111-2006《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》[15]對隔震橋梁伸縮縫設(shè)置規(guī)定：當(dāng)跨度≤16 m時，伸縮縫長度為≥10 cm；當(dāng)跨度≥20 m時，伸縮縫長度為≥15 cm。Kasai等人[16]通過運(yùn)用差值譜法（spectral difference method）來確定相鄰結(jié)構(gòu)之間最大相對位移，得出的結(jié)果比當(dāng)下的規(guī)范給出的間隙值要精確得多。

5.2安裝耗能減震裝置

對于橋梁結(jié)構(gòu)不能過大地增大相鄰橋跨之間的間距來防止碰撞，因為過大的間距會影響行車舒適度，并且也會增加造價，因此可以綜合考慮運(yùn)用各種耗能減震裝置來減少碰撞。

Chouw等人[17]在相鄰橋跨伸縮縫處安裝粘彈性阻尼器，增加結(jié)構(gòu)阻尼減少碰撞的發(fā)生。Sheikh等人[18]針對多跨鋼筋混凝土公路橋梁，在EI Centro波激勵作用下，研究了通過使用MR阻尼器來減少橋梁的碰撞。通過研究passive-0ff對應(yīng)MR阻尼器的工作電壓為0 V、passive-on對應(yīng)MR阻尼器的工作電壓為2 V、Bang-bang控制等3種工況，以及MR阻尼器的工作電壓在0～2 V間不停切換，發(fā)現(xiàn)在Bang-bang控制下，對減少橋梁碰撞更為明顯。

6　防止落梁措施

6.1合理的支承搭接長度

日本的Kobe地震經(jīng)驗表明，支座破壞后發(fā)生的碰撞是引起落梁的原因之一，因此，防止落梁破壞需要確定合理的支座寬度?？姿囘_(dá)[19]針對防落梁最小搭接長度進(jìn)行研究，在模型設(shè)計上采用均勻設(shè)計思想，用反應(yīng)譜法和時程分析法進(jìn)行抗震分析，計算了不同跨徑、墩高組合下的簡支梁橋的梁搭接長度，最后采用最小二乘法線性回歸得出梁搭接長度計算公式。

6.2連梁裝置（限位器）

Des Roches[20]將SMA限位器運(yùn)用于橋梁碰撞控制，將傳統(tǒng)的限位器與SMA限位器做了比較分析，結(jié)果表明，SMA限位器對減少碰撞更為明顯。

趙清杰[21]通過1/20縮尺隔震橋梁模型的振動臺試驗，研究了高架橋梁在地震作用下的碰撞反應(yīng)，并在模型上安裝SMA限位器，研究比較了安裝SMA限位器前后減少碰撞效果。結(jié)果表明，無控狀態(tài)下，在EI Centro波激勵作用下，以及沒有安裝點(diǎn)接觸裝置的情況下，相鄰橋跨間的相對位移大大超過了伸縮縫的計值，這必然會導(dǎo)致碰撞；在梁-梁間限位器作用下以及EI Centro波激勵作用下，梁-梁間的限位器可以顯著減輕兩跨間的碰撞；在梁-墩間限位器作用下，梁-墩間限位器可以減少碰撞次數(shù)，但也明顯增加了兩跨間的相對位移。

7　展望

（1）目前，對于橋梁結(jié)構(gòu)的地震碰撞問題研究主要針對城市高架橋梁縱向碰撞問題，然而對于深水橋梁，在動水壓力和波浪作用下，相鄰兩跨橋梁的自振周期相差更大，最后導(dǎo)致碰撞更嚴(yán)重。因此，對于地震作用下的深水橋梁的地震碰撞研究很有實(shí)際意義。

（2）隨著我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，大量的城市多層立交橋梁不斷建起，上層橋梁的橋墩與下層橋梁的主梁間碰撞研究較少，對于它們之間的安全距離研究實(shí)有必要。

（3）目前，研究橋梁的縱向碰撞都是停留在直線橋梁，對于不規(guī)則的幾何形狀的斜橋和彎橋研究較少，所以研究非規(guī)則橋梁的碰撞亦很有必要。

（4）針對安裝耗能裝置來減少橋梁地震碰撞，大多數(shù)研究者通過變換裝置的參數(shù)，從而獲得合適的裝置參數(shù)，這樣帶有隨意性，可以考慮采用能量法進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。

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責(zé)任編輯 朱開明

Study and Development of Seismic Collision Response of Bridge

Qiu You’an, Xian Qiaoling, Cui Jie

Abstract:The seismic collision response of bridge cannot be ignored. This paper reviews the recent study progress of bridge seismic collision simulation methods used in China and other countries and the seismic collision of various bridge structures, summarizes the conditions and infl uencing factors of bridge collision, introduces the alleviating seismic collision methods for bridge structures and main research results of beam falling prevention measures, and discusses the further study on bridge seismic collision response.

Keywords:bridge, earthquake, collision response, study

收稿日期2014-08-29

基金項目：國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（2011CB013606）；聯(lián)合基金重點(diǎn)項目（U1334209）

中圖分類號：U442.5+5