斜拉橋主橋與引橋碰撞反應(yīng)研究綜述

寇培培

【摘 要】大跨斜拉橋一般采用飄浮體系或彈性約束體系，其在強(qiáng)震作用下梁端會(huì)發(fā)生很大位移，梁端的過大位移可能會(huì)導(dǎo)致主梁與相鄰跨引橋的碰撞，使整個(gè)結(jié)構(gòu)喪失整體性。本文從橋梁碰撞的影響因素、模擬模型以及防止碰撞的措施等方面，對(duì)國(guó)內(nèi)外有關(guān)斜拉橋碰撞地震反應(yīng)研究的成果進(jìn)行了系統(tǒng)的總結(jié)和分析，得出以下結(jié)論：斜拉橋主引橋碰撞是由多種因素共同作用所發(fā)生的，并使得橋梁的碰撞效應(yīng)更加復(fù)雜；要準(zhǔn)確分析橋梁地震碰撞反應(yīng)需要建立精確、合理的模擬模型；選擇合理的伸縮縫間距以及安裝合適的消能減震裝置，可以有效地減小橋梁的地震碰撞效應(yīng)。

【關(guān)鍵詞】斜拉橋；引橋；碰撞；地震反應(yīng)

隨著社會(huì)的發(fā)展，交通線所發(fā)揮的作用越來越強(qiáng)，一旦地震發(fā)生，會(huì)使交通線遭到破壞，可能導(dǎo)致的生命財(cái)產(chǎn)損失將非常巨大。幾次大地震一再顯示了橋梁工程破壞的嚴(yán)重后果，也一再表明橋梁抗震研究的重要性，斜拉橋的抗震安全性問題越來越受到重視。由于斜拉橋主、引橋結(jié)構(gòu)體系不同，結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性相差較大，在地震作用下相鄰聯(lián)易發(fā)生非同向縱向振動(dòng)，造成伸縮縫處相鄰梁體較大相對(duì)位移，導(dǎo)致相鄰聯(lián)在伸縮縫處易發(fā)生碰撞，碰撞效應(yīng)極有可能增大橋梁的地震需求，導(dǎo)致橋梁出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p傷甚至落梁。如1989年美國(guó)Loma Prieta地震中，由于設(shè)計(jì)低估了相鄰橋跨間的相對(duì)位移，預(yù)留的支承面太窄，致使奧克蘭海灣大橋相鄰跨引橋落梁；1995年日本阪神地震中西宮港大橋（主跨252m的鋼系桿拱橋）第一跨引橋脫落，原因是主橋和引橋間的相對(duì)位移過大，橋墩的支承面太窄，而支座、連接限位構(gòu)件又失效。要解決斜拉橋存在的碰撞問題，需先對(duì)其產(chǎn)生機(jī)理、影響因素等要有準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)，以此為基礎(chǔ)，提出有效的防治方法。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于地震引發(fā)的斜拉橋主引橋的碰撞研究已經(jīng)取得了許多成果。

1.影響橋梁伸縮縫間碰撞發(fā)生的因素研究現(xiàn)狀及動(dòng)態(tài)

碰撞產(chǎn)生的直接原因在于相鄰結(jié)構(gòu)間的相對(duì)位移反應(yīng)超過了伸縮縫的允許間隙。橋梁結(jié)構(gòu)的碰撞是由很多因素共同作用導(dǎo)致的，其最主要的因素包括相鄰橋跨動(dòng)力特性的差異（即質(zhì)量與剛度的差異）、地震動(dòng)特性、伸縮縫大小、支座的摩擦、相鄰結(jié)構(gòu)的材料及接觸面等。地震動(dòng)的空間效應(yīng)也是影響橋梁碰撞的主要因素。輸入地震動(dòng)的空間效應(yīng)引起各支承點(diǎn)的不同步輸入，從而引起相鄰結(jié)構(gòu)的非同向振動(dòng)導(dǎo)致碰撞的發(fā)生。

1.1相鄰橋跨動(dòng)力特性的差異

決定兩相鄰跨橋梁之間是否發(fā)生碰撞的主要參數(shù)是兩相鄰跨橋梁之間的周期比（即T1/T2 ），其中T1和T2分別為相鄰兩跨橋梁各自的自振周期。隨著周期比的減小，即主、引橋縱向基本周期差距逐漸變大，伸縮縫處的碰撞效應(yīng)逐漸增加，不僅碰撞次數(shù)增加，碰撞力的峰值也處于增加變化的趨勢(shì)。這說明了相鄰結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性差異越明顯，則碰撞效應(yīng)越明顯；相鄰結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性越接近，則碰撞效應(yīng)越不顯著。

1.2伸縮縫間隙的大小

隨著伸縮縫間隙的減小，碰撞效應(yīng)不僅會(huì)使伸縮縫處的碰撞力有較大增長(zhǎng)，也使引橋墩底內(nèi)力及引橋墩梁相對(duì)位移的需求有很大增長(zhǎng)，但減小了塔底內(nèi)力及主梁與過渡墩相對(duì)位移的需求。

1.3 地震動(dòng)的空間效應(yīng)

考慮地震動(dòng)空間變化后相鄰橋跨結(jié)構(gòu)的碰撞效應(yīng)會(huì)被放大，伸縮縫處的碰撞效應(yīng)可能會(huì)大幅度增大墩梁的相對(duì)位移，從而增大了地震作用下發(fā)生落梁的風(fēng)險(xiǎn)。

2.碰撞效應(yīng)模擬方法研究現(xiàn)狀及動(dòng)態(tài)

目前，對(duì)橋梁地震碰撞作用模擬方法有接觸單元法和恢復(fù)系數(shù)法兩類。在接觸單元法中，在兩相鄰主引橋之間設(shè)置一個(gè)接觸單元，碰撞發(fā)生時(shí)接觸單元被激活。接觸單元用剛度很大的線彈性彈簧模擬以避免相鄰節(jié)段碰撞時(shí)發(fā)生材料的重疊，但過大的碰撞剛度不僅會(huì)帶來數(shù)值計(jì)算的穩(wěn)定性問題，在分析結(jié)果中還可能會(huì)出現(xiàn)失真的過大撞擊力。接觸單元有時(shí)采用阻尼器并聯(lián)彈簧來進(jìn)行模擬，其中阻尼器用來模擬碰撞過程中能量的耗散。其中接觸單元模型有Hertz模型、Hertz-damp模型、線性彈簧模型、Kelvin模型等幾種?；謴?fù)系數(shù)法是一種經(jīng)典的力學(xué)分析方法，它運(yùn)用恢復(fù)系數(shù)以及動(dòng)量守恒定律來確定兩相鄰橋梁碰撞發(fā)生后的速度。恢復(fù)系數(shù)法可以處理兩個(gè)剛體間的碰撞問題，其具有算法簡(jiǎn)單、物理概念清楚等優(yōu)點(diǎn)；但碰撞接觸時(shí)間和恢復(fù)系數(shù)要事先給定，并不適合用于持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的碰撞情形，而且其不易與商業(yè)軟件相結(jié)合，因此限制了恢復(fù)系數(shù)法的使用范圍。

3.防碰撞措施研究現(xiàn)狀及動(dòng)態(tài)

已有許多學(xué)者在對(duì)建筑及橋梁結(jié)構(gòu)的地震碰撞問題進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，提出了幾種不同的緩解地震碰撞的方法，主要包括在相鄰結(jié)構(gòu)間填充適當(dāng)?shù)牟牧弦詼p輕碰撞效應(yīng)，增加主引橋之間的縫隙以及避免發(fā)生碰撞，或者在相鄰的結(jié)構(gòu)間使用特制的減震耗能裝置。為了避免碰撞的發(fā)生，最直接有效的方法就是為相鄰的結(jié)構(gòu)提供足夠大的間隙距離，然而間隙過大又會(huì)影響橋上行車的平穩(wěn)性，同時(shí)搭接長(zhǎng)度不夠更易引起地震中引橋的落梁。

根據(jù)碰撞發(fā)生的原因及其規(guī)律，對(duì)防撞裝置進(jìn)行數(shù)值參數(shù)分析，具體包括：

3.1相鄰跨梁體間采用不同參數(shù)的橡膠墊層、木材墊層；

橡膠和木材具有彈性模量較小的特點(diǎn)，采用橡膠和木材作為相鄰跨梁體間的墊層，來達(dá)到防撞減震的效果。

3.2相鄰跨梁體間采用防撞墊層對(duì)全橋結(jié)構(gòu)減震效果的分析。

對(duì)防撞裝置進(jìn)行數(shù)值分析，研究不同參數(shù)耗能緩沖的減震效果，根據(jù)結(jié)構(gòu)的響應(yīng)（墩梁的相對(duì)位移、梁端的加速度、橋墩的內(nèi)力及緩沖裝置的耗能曲線）對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。總結(jié)不同耗能緩沖減震特點(diǎn)，選取結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)為評(píng)價(jià)指標(biāo)，確定緩沖耗能裝置的特性及適用性。

4.結(jié)論

4.1橋梁的碰撞是由多種因素共同作用所導(dǎo)致的，主要有相鄰跨主引橋動(dòng)力特性的差異、伸縮縫間隙的大小和地震波的空間效應(yīng)等。因此，需要更加深入的研究橋梁碰撞的作用機(jī)理。

4.2橋梁地震碰撞作用模擬方法有恢復(fù)系數(shù)法和接觸單元法?；謴?fù)系數(shù)法不適合于碰撞時(shí)間持續(xù)較長(zhǎng)的情況，且不易與商業(yè)軟件相結(jié)合，因此限制了其應(yīng)用范圍。接觸單元法易與商業(yè)軟件相結(jié)合，但其求解精度和收斂速度受接觸單元的接觸剛度的影響很大。

4.3選擇合理的伸縮縫間距以及安裝合適的消能減震裝置，可以有效地減小橋梁的地震碰撞效應(yīng)。

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