地震作用下斜交橋橋面旋轉(zhuǎn)研究進展

王軍文， 沈 賢， 胡玉娟， 吳天宇

（1．石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043；2．石家莊鐵道大學(xué) 道路與鐵道工程安全保障省部共建教育部重點實驗室，河北 石家莊 050043；3．石家莊鐵道大學(xué) 四方學(xué)院，河北 石家莊 051132）

0 引言

由于斜交橋能很好地適應(yīng)道路線形、保證線路暢通，因此，在城市立交及公路橋梁中得到廣泛應(yīng)用。但是由于其獨特的外形和受力特性，在地震作用下斜交橋橋面除發(fā)生縱、橫向位移之外，還存在繞豎軸的轉(zhuǎn)動，橋面的轉(zhuǎn)動增大了斜交橋震害的發(fā)生幾率。在歷次破壞性地震中斜交橋普遍遭到損壞，如1999年墨西哥地震中Tehuacan斜交橋由于梁體轉(zhuǎn)動與橫向擋塊發(fā)生碰撞，導(dǎo)致?lián)鯄K破壞［1］；汶川地震中多數(shù)斜交橋橋面存在銳角向外的轉(zhuǎn)動［2］；岷江大橋橋面轉(zhuǎn)動導(dǎo)致支座脫離［3］；新東橋梁體旋轉(zhuǎn)，使梁體銳角處發(fā)生碰撞［4］；2010年Maule Chile地震中斜交橋繞豎軸旋轉(zhuǎn)，使梁體產(chǎn)生較大的橫向移位［5］。針對地震作用下斜交橋橋面存在的旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象，國內(nèi)、外學(xué)者對其發(fā)生的機理，結(jié)構(gòu)參數(shù)、橫向擋塊、支座等對橋面旋轉(zhuǎn)的影響，斜交橋限位措施等進行了大量分析研究。在此對地震作用下斜交橋橋面旋轉(zhuǎn)的研究現(xiàn)狀進行回顧和總結(jié)，并對需進一步研究的方向進行展望。

1 斜交橋橋面旋轉(zhuǎn)發(fā)生的機理

地震作用下斜交橋橋面繞豎軸的轉(zhuǎn)動，使其易發(fā)生落梁、支座和橋墩的破壞。為揭示地震作用下斜交橋橋面旋轉(zhuǎn)發(fā)生的機理，學(xué)者們基于不同模型、假設(shè)開展研究。

E．A．Maragakis等［6－7］基于剛性橋面運動理論研究地震作用下斜交橋橋面的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，認為梁體的剛體轉(zhuǎn)動主要由斜度、梁體與橋臺間的碰撞引起。Dimitrakopoulos E．G．［5，8－9］采用考慮斜向摩擦的剛體碰撞模型分析斜交橋的旋轉(zhuǎn)反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)斜度、橋面幾何形狀以及結(jié)構(gòu)之間的碰撞、摩擦是引起斜交橋橫向位移和橋面旋轉(zhuǎn)的主要原因，且碰撞引起的橋面轉(zhuǎn)動隨激勵頻率的增加而減小。P．Tirasit等［10－11］通過分析地震作用下斜度、碰撞作用對斜交橋橋面旋轉(zhuǎn)的影響，指出梁與梁（橋臺）間的碰撞導(dǎo)致橋梁上部結(jié)構(gòu)面內(nèi)旋轉(zhuǎn)；與正交橋相比斜交橋梁體會產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)角和殘余轉(zhuǎn)角。胡建新等［12］就連續(xù)斜交橋主梁面內(nèi)剛體轉(zhuǎn)動的發(fā)生機理進行研究，發(fā)現(xiàn)不考慮碰撞效應(yīng)時，支承剛度引起的結(jié)構(gòu)偏心會導(dǎo)致主梁轉(zhuǎn)動；考慮碰撞效應(yīng)后，梁體與橋臺或鄰跨間的碰撞效應(yīng)和結(jié)構(gòu)偏心效應(yīng)是引起斜交橋橋面剛體轉(zhuǎn)動的主要原因。盧明奇等［13－14］分析表明：梁體與橋臺不發(fā)生碰撞，增大斜度不能引起上部結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)位移；若梁體與橋臺發(fā)生碰撞，增大斜度將會增大橋面的扭轉(zhuǎn)位移。黃金翠［2］認為，斜交橋在支座剛度相同的情況下，不考慮碰撞效應(yīng)時橋面的轉(zhuǎn)動不明顯，考慮碰撞后橋面將產(chǎn)生明顯的轉(zhuǎn)動；下部結(jié)構(gòu)的支承剛度不對稱同樣會引起橋面的轉(zhuǎn)動。石巖等［15］研究發(fā)現(xiàn)：不考慮梁體與橋臺的碰撞，梁體旋轉(zhuǎn)度基本不受斜度影響；考慮碰撞后梁體旋轉(zhuǎn)度隨斜度增大明顯增大。文獻［16］指出，地震作用下不考慮碰撞效應(yīng)時，簡支斜交橋橋面的轉(zhuǎn)動由結(jié)構(gòu)自身的旋轉(zhuǎn)振型引起，但旋轉(zhuǎn)振型引起梁體的轉(zhuǎn)動很??；考慮碰撞效應(yīng)后梁體轉(zhuǎn)角明顯增大，碰撞產(chǎn)生的力矩是引起斜交橋梁體旋轉(zhuǎn)的主要原因。

2 參數(shù)的影響

針對地震作用下斜交橋橋面存在的旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象，各國學(xué)者對影響橋面旋轉(zhuǎn)的因素進行了研究。

E．A．Maragakis等［6－7］分析發(fā)現(xiàn)：橋面的旋轉(zhuǎn)將使梁端橫向產(chǎn)生較大的位移，橋墩發(fā)生剪切破壞。L．A．Ngoc等［17］研究表明：考慮橋墩的扭轉(zhuǎn)和彎曲相互作用要比僅考慮扭轉(zhuǎn)作用得到的橫向位移大1．8倍、橋面轉(zhuǎn)角大47%，而梁體與橋臺碰撞力在銳、鈍角處分別減小44%和67%；考慮橋墩扭轉(zhuǎn)、彎曲耦合作用時，橋面產(chǎn)生的殘余扭轉(zhuǎn)角為峰值轉(zhuǎn)角的40%。P．Kaviani等［18］認為：斜度、橋墩高度對斜交橋的地震反應(yīng)影響較大，斜度較大時橋面的旋轉(zhuǎn)可能導(dǎo)致橋臺破壞。A．Abdel Mohti等［19］指出：不論斜度多大，堅硬場地條件下斜交橋的地震反應(yīng)要比軟弱場地條件下的??；增大寬跨比對橋面縱向位移影響較小，對橫向位移、橋墩彎矩影響較大；斜度和寬跨比越大橋面旋轉(zhuǎn)程度均越嚴重。A．Shamsabadi等［20－21］研究表明：斜度越大、跨數(shù)越多，梁體轉(zhuǎn)角和殘余轉(zhuǎn)角越大；在近斷層脈沖地震作用下，斜交橋橋面轉(zhuǎn)角和橫向位移會發(fā)生累積，殘余位移較大，極易引起落梁。侯萬寧［22］分析指出：考慮縱向碰撞效應(yīng)時，橋面轉(zhuǎn)角隨著斜度的增大逐漸增大、隨碰撞剛度的減小而減小、隨伸縮縫初始間隙的增大呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律。羅婧文［23］研究發(fā)現(xiàn)：隨斜度的增大，橋面轉(zhuǎn)角和殘余轉(zhuǎn)角呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律，隨伸縮縫的增大，橋面轉(zhuǎn)角與殘余轉(zhuǎn)角均呈減小趨勢。文獻［24］通過分析考慮縱、橫向碰撞效應(yīng)聯(lián)合作用下斜交橋的地震反應(yīng)發(fā)現(xiàn)：隨著斜度的增大，橋面峰值轉(zhuǎn)角呈先增大后減小的變化規(guī)律；寬跨比對橋面轉(zhuǎn)角的影響較??；伸縮縫間隙對橋面轉(zhuǎn)角的影響較大。

3 橫向擋塊的影響

歷次破壞性地震中斜交橋橫向擋塊普遍遭到破壞。汶川地震中，永安鎮(zhèn)二號橋橫向擋塊根部產(chǎn)生斜向貫通的裂縫，發(fā)生斜拉破壞［25］；南壩大橋由于橋面橫向位移使得橫向擋塊發(fā)生剪切破壞［26］。針對橫向擋塊對斜交橋橋面旋轉(zhuǎn)的影響，相關(guān)學(xué)者做過以下研究。

E．A．Maragakis等［6－7］指出，在地震作用下由于橫向擋塊易損壞，且與主梁的間隙較大，使其對斜交橋橋面的旋轉(zhuǎn)影響不大。但是大多數(shù)學(xué)者認為擋塊的作用不能忽視，A．Abdel Mohti等［19，26］分析表明：橫向擋塊對整個斜交橋的地震反應(yīng)有重要影響，擋塊失效會增大橋面的橫向位移。當(dāng)斜交角大于30°時，擋塊對橋面旋轉(zhuǎn)的影響隨斜交角的增大而減小。P．Kaviani等［18］研究發(fā)現(xiàn)：擋塊的存在不僅能減小由橋面旋轉(zhuǎn)引起橋墩的偏移比，同時會減小橋面旋轉(zhuǎn)和落梁發(fā)生的幾率，而擋塊的破壞會增大橋面旋轉(zhuǎn)的程度。羅婧文［23］認為：擋塊對橋面橫向移位起到很好的限位作用，擋塊的存在同時會減小橋面的最大轉(zhuǎn)角和殘余轉(zhuǎn)角。

由于實際工程中橫向擋塊的材料、尺寸、配筋以及初始間隙等均存在較大差異，使學(xué)者們就地震作用下橫向擋塊對斜交橋橋面旋轉(zhuǎn)所起的作用持有不同觀點，因此仍需對擋塊的作用進一步研究。

4 支座的影響

支座作為橋梁結(jié)構(gòu)中最薄弱的部件，在地震中極易遭到損壞，但其對結(jié)構(gòu)的受力起著重要作用。汶川地震中，南壩大橋支座發(fā)生移位，導(dǎo)致主梁脫落［27］；岷江大橋、永安鎮(zhèn)二號橋的支座均存在不同程度的損壞現(xiàn)象；玉樹地震中退水渠二號橋梁體縱、橫向產(chǎn)生較大位移，部分支座發(fā)生錯位、脫落［28］，但是就支座對斜交橋地震反應(yīng)影響的研究仍處于起步階段。

A．Abdel Mohti等［26］指出地震作用下斜交橋在橋臺處產(chǎn)生不對稱的碰撞力，將導(dǎo)致支承構(gòu)件破壞。Tirasit P．等［10－11］研究認為鋼支座失效后主梁將產(chǎn)生較大的偏心碰撞力，顯著增大橋墩的扭矩，但是對橋面轉(zhuǎn)角影響不大。黃金翠［2］分析表明，地震作用下斜交橋墩高和支座剛度變化越大，橋面的最大轉(zhuǎn)角變化越明顯。石巖等［15］認為：在地震作用下，環(huán)境溫度降低會使隔震連續(xù)斜交橋梁體旋轉(zhuǎn)度減小，且溫度越低減小程度越大。然而對于斜交橋中普遍使用的板式橡膠支座，由于支座未與主梁和墊石進行錨固連接，在地震作用下，特別是近場地脈沖型地震，由于豎向地震動的作用，易使橋梁鈍角處支座發(fā)生破壞、銳角處支座出現(xiàn)負反力，使支座發(fā)生滑動、脫落，梁體出現(xiàn)翹起、脫空。因此，針對橡膠支座對斜交橋地震反應(yīng)的影響值得深入研究。

5 限位措施研究

1995年Kobe地震中Mukogawa和Kawaraginishi兩座斜交橋由于橋臺處支座以及限位裝置失效，導(dǎo)致墩柱發(fā)生剪切破壞、上部結(jié)構(gòu)倒塌［29］。我國跨徑較小的橋梁一般只設(shè)置橫向擋塊，很少采取其他限位措施，對于結(jié)構(gòu)外形不規(guī)則的斜交橋，在地震中橫向擋塊極易受損，使其缺少有效的限位裝置，但是到目前為止很少對斜交橋限位措施進行研究。

Watanabe G．等［30］研究發(fā)現(xiàn)：纜索限位器沿梁端橫向安裝對斜交橋的旋轉(zhuǎn)有較好的約束作用，限位器垂直于支承線布置時效果次之，而沿橋縱向布置限位器產(chǎn)生的抵抗力矩最小、限位效果最差。川島一彥等［31］對PC纜索式連梁裝置在斜交橋上采用與支承線垂直方向和沿橋軸線方向兩種布置形式的有效性進行研究，認為：垂直于支承線方向布置纜索對斜交橋旋轉(zhuǎn)的控制較好；而在橋墩處采用沿橋軸向布置時梁間的相對位移較大。

橋梁抗震設(shè)計規(guī)范中指出，對于支座中可能出現(xiàn)負反力的橋梁不宜采用減隔震設(shè)計，但是未給出適合斜交橋結(jié)構(gòu)特點的防旋轉(zhuǎn)限位措施。既有的大量斜交橋在設(shè)計時很少設(shè)置除橫向擋塊外的限位裝置，一旦發(fā)生破壞性地震將會造成重大損失。對斜交橋限位效果及防橋面旋轉(zhuǎn)的研究尚處于初步階段，因此亟需對其進行研究。

6 結(jié)語與展望

6．1 結(jié)語

通過介紹多次破壞性地震中斜交橋的震害，綜述國內(nèi)、外學(xué)者對地震作用下斜交橋橋面旋轉(zhuǎn)方面的研究現(xiàn)狀，將研究成果歸納如下：

（1）地震中斜交橋橋面普遍存在繞豎軸、銳角向外的轉(zhuǎn)動，橋面的旋轉(zhuǎn)既增大了梁體的橫向位移，又增大了上部結(jié)構(gòu)落梁、擋塊和支座破壞等震害發(fā)生的概率。

（2）地震作用下斜交橋自身的幾何形狀導(dǎo)致其橋面發(fā)生旋轉(zhuǎn)，而結(jié)構(gòu)間的碰撞、摩擦效應(yīng)以及支承剛度不對稱引起的結(jié)構(gòu)偏心等因素對橋面旋轉(zhuǎn)起主要作用。

（3）多數(shù)學(xué)者認為，橫向擋塊對斜交橋的地震反應(yīng)影響較大，能減小上部結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)、起到抑制橋面轉(zhuǎn)動的作用，擋塊破壞后橋面的旋轉(zhuǎn)程度會增大；但也有學(xué)者認為擋塊對斜交橋橋面旋轉(zhuǎn)的影響較小。

（4）除斜交橋自身的結(jié)構(gòu)參數(shù)（如：斜度、寬跨比和墩高等）外，結(jié)構(gòu)與邊界的碰撞和摩擦效應(yīng)、支承條件、臺后填土、場地類別以及地震動特性等均對橋面的轉(zhuǎn)動有較大影響，因此，今后在對斜交橋研究分析時應(yīng)充分考慮上述參數(shù)的影響。

（5）支座對斜交橋的地震反應(yīng)具有較大影響，支承剛度不對稱時會引起斜交橋橋面的旋轉(zhuǎn)；斜交橋的碰撞效應(yīng)會導(dǎo)致支座發(fā)生破壞，支座破壞后又會對斜交橋產(chǎn)生不利影響。

6．2 展望

（1）與正交橋不同，由于斜交橋縱、橫向反應(yīng)耦合的影響，在進行地震反應(yīng)分析時，應(yīng)同時沿兩相互垂直的水平方向輸入地震波，以確定最不利地震動水平輸入方向，然而影響斜交橋最不利地震動輸入方向的因素較多，需對其進行研究。

（2）斜交橋作為異形橋，特別當(dāng)斜度較大時，支座反力分布極不均勻，由于豎向地震動對斜交橋支座的影響較大，在地震反應(yīng)分析時應(yīng)同時輸入三向地震動，但是現(xiàn)有的研究中很少考慮豎向地震動的影響；

（3）實際工程中，由于板式橡膠支座與主梁和墊石之間未進行錨固，地震作用下支座與梁體間易發(fā)生相對位移，甚至脫落，因此，板式橡膠支座的滑移效應(yīng)對斜交橋橋面旋轉(zhuǎn)的影響值得研究。

（4）由于斜交橋防落梁措施研究仍處于起步階段，現(xiàn)有的研究尚未提出適合于斜交橋自身受力特點的防旋轉(zhuǎn)限位措施，既有的大量斜交橋正處于地震威脅下，針對斜交橋的限位措施亟待解決。

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