斜交簡支梁橋地震碰撞反應參數(shù)分析

王軍文, 吳天宇, 閆聚考

(1.石家莊鐵道大學 道路與鐵道工程安全保障省部共建教育部重點實驗室，石家莊 050043；2. 石家莊鐵道大學 大型結構健康診斷與控制研究所，石家莊 050043)

斜交簡支梁橋地震碰撞反應參數(shù)分析

王軍文1, 吳天宇1, 閆聚考2

(1.石家莊鐵道大學 道路與鐵道工程安全保障省部共建教育部重點實驗室，石家莊 050043；2. 石家莊鐵道大學 大型結構健康診斷與控制研究所，石家莊 050043)

為研究斜交簡支梁橋地震碰撞反應，采用開放式地震模擬軟件OpenSees，建立能夠考慮梁體與橋臺間縱向碰撞、摩擦作用及梁體與擋塊間橫向碰撞效應的斜交簡支梁橋精細化動力計算模型，分析水平地震動輸入方向、豎向地震動和斜度等對斜交簡支梁橋地震碰撞反應的影響規(guī)律。結果表明：忽略橫向碰撞時，斜度為α的簡支梁橋梁端縱向最大位移、上部結構峰值轉角在水平地震動以角度θ=90°-α輸入時達到極小值；考慮橫向碰撞后，由于擋塊的有效限位作用，梁端縱向最大位移、上部結構峰值轉角會減小，豎向地震動對地震碰撞反應的數(shù)值有一定影響，但對其隨斜度的變化規(guī)律沒有明顯影響，鈍角處支座上拔力隨斜度增大而增大，銳角處支座上拔力隨斜度增大而減小，且支座上拔力由鈍角處向銳角處逐漸減小，考慮水平地震動輸入方向影響時，梁端縱向最大位移隨斜度增大而增大，上部結構峰值轉角、梁端縱向最大碰撞力隨斜度增大呈先增大后減小的變化規(guī)律，梁體與擋塊間橫向最大碰撞力隨斜度的增大總體變化不大。

簡支梁；斜交橋；地震反應；參數(shù)分析；摩擦；斜度

斜交橋能夠適應地形地物的限制及較復雜的城市道路，在高速公路、城市立交中得到廣泛應用。地震發(fā)生時，斜交橋由于自身不規(guī)則的結構形式，比直橋更容易受到破壞。如1971年美國圣費爾南多(San Fernando)地震中Foothill Boulevard下穿式立交橋上部結構在一側橋臺處發(fā)生了約8 cm的橫向偏移[1]；1994年美國北嶺大地震中，斜度為24°的Gavin Canyon跨線橋由于牛腿連接處過窄的支承面在第2跨和第4跨位置發(fā)生落梁倒塌破壞[2]；2008年汶川地震中都汶公路的徹底關大橋在地震中也發(fā)生位移震害，上部結構縱、橫向位移分別達30 cm、21 cm[3]。

近40年來，國內外學者針對斜交橋的結構特點建立不同的分析模型，研究了斜度、跨度、碰撞剛度、碰撞間隙等參數(shù)對斜交橋地震碰撞反應的影響，如GHOBARAH等[1]利用單梁模型對Foothill Boulevard下穿式立交橋的動力特性和地震反應進行了分析；MALEKI[4]基于剛性的上部結構研究斜度、跨度對單跨簡支斜交橋地震反應的影響；MENG 等[5]基于雙梁模型分析了邊界條件、斜度等參數(shù)的影響；ABDEL-MOHTI等[6]基于三梁模型分析了斜度、地震動強度、橋臺支承條件、寬跨比等參數(shù)對斜交橋地震反應的影響；在國內，卓秋林[7]研究了斜度、跨度和墩高對簡支斜交橋地震反應的影響；何健等[8]分析了碰撞剛度對三跨連續(xù)斜交橋的影響；盧明奇等[9]研究了碰撞對斜交連續(xù)梁橋地震反應的影響；王軍文等[10]基于多梁模型分析地震作用下斜交簡支梁橋上部結構旋轉的機理及斜度的影響。以上研究均未考慮碰撞接觸面間摩擦作用的影響，不符合實際情況[11]。為此，本文建立考慮梁體與橋臺間縱向碰撞、摩擦作用及梁體與擋塊間橫向碰撞的斜交簡支梁橋精細化動力計算模型，分析水平地震動輸入方向、豎向地震動及斜度對地震碰撞反應的影響規(guī)律。

1 計算模型

選取公路橋涵通用圖中跨徑為30 m、橋面寬為12 m的裝配式預應力混凝土箱型梁橋作為研究對象，其上部結構由4根等截面分離式箱梁拼裝而成，箱梁梁高1.6 m，底板寬1 m，頂板、底板、腹板厚度分別為0.2 m、0.18 m、0.18 m；上部結構中共設置7道橫隔板，端、中橫隔板厚度分別為0.3 m、0.25 m；橋面鋪裝層厚度0.18 m；主梁材料為C50混凝土，其彈性模量為E=3.45×104MPa；支座采用圓形板式橡膠支座，每側梁端布置8塊，支座規(guī)格為GYZ350 mm×80 mm。

采用開放式地震模擬軟件OpenSees對斜交簡支梁橋進行數(shù)值模擬，建立動力計算模型(圖1)，使用多梁模型建模技術將上部結構簡化為梁桿模型(圖1)，圖1中α表示斜度，X、Y、Z表示整體坐標系的坐標軸，其中X軸與梁端支座軸線垂直。模型中主梁與橫梁采用彈性梁柱(elasticBeamColumn)單元模擬；板式橡膠支座由滑動支座(flatSliderBearing)單元模擬，支座的水平剪切剛度為4.37×103kN/m。

圖1 斜交簡支梁橋精細化動力計算模型Fig.1 Refined dynamic calculation model of the simply-supported skewed girder bridge

模型(圖1)中利用彈塑性間隙材料和零長度單元模擬梁體與橫向擋塊間的碰撞，其中橫向擋塊采用能夠考慮破壞的雙折線模型(圖2)，圖2中K0為初始剛度，取5.4×105kN/m，K1為屈服后剛度，取1.86×105kN/m，gap為梁體與橫向擋塊間初始間隙，取5 cm，F(xiàn)y為擋塊發(fā)生屈服時對應的碰撞力。

圖2 橫向擋塊的恢復力模型Fig.2 Resilience model of retainer

圖3 碰撞單元的恢復力模型Fig.3 Resilience model of pounding element

利用能夠考慮碰撞過程中摩擦作用、基于Hertzdamp碰撞理論的零長度三維碰撞(Zero LengthImpact 3D)單元模擬主梁與橋臺之間的碰撞。該碰撞單元的力-位移關系曲線如圖3所示，相關參數(shù)詳見文獻[12]。在法向，邊梁的Kt1=5.404×105kN/m，Kt2=1.860×105kN/m，中梁的Kt1=5.243×105kN/m，Kt2=1.805×105kN/m；伸縮縫間隙gp=5 cm。碰撞單元的切向剛度與法向初始剛度取值相等[13]；考慮梁體與橋臺之間的摩擦力，動摩擦因數(shù)μ=0.542[14]。

2 簡支斜交橋地震碰撞反應參數(shù)分析

2.1 水平地震動輸入方向的影響

為獲得簡支斜交橋在水平地震動不同輸入方向作用下的地震碰撞反應，分兩種工況進行分析，工況1：只考慮梁體與橋臺間縱向碰撞，忽略支座滑動的影響；工況2：考慮梁體與橋臺間縱向碰撞、梁體與橫向擋塊間橫向碰撞的聯(lián)合影響，且考慮支座滑動的影響，橡膠支座與上部結構之間的動摩擦因數(shù)取為0.15[11]。根據9度設防烈度，選取表1中的7條Ⅱ類場地地震波(PGA調整到0.4 g)， 沿與縱橋向夾角θ(以逆時針方向為正)水平輸入到計算模型(圖1)中，計算出斜度分別為0°、15°、30°、45°、53°、60°時簡支斜交橋在水平地震動不同輸入方向時的地震碰撞反應。

表1 選用的地震波

圖4、圖5分別為梁端鈍角處A點和銳角處C點的縱向最大位移，圖6為上部結構峰值轉角，圖7、圖8分別為工況1梁端縱向最大位移、上部結構峰值轉角平均值，圖9、圖10分別為工況2梁端縱向最大位移、上部結構峰值轉角平均值。

由以上數(shù)值模擬結果可以得到地震作用下簡支斜交橋的一些地震反應特點：

(a) α=15° (b) α=30° (c) α=60°圖4 梁端鈍角處A點縱向最大位移Fig.4 Maximum longitudinal displacement of obtuse point A on deck’s end

(a) α=15° (b) α=30° (c) α=60°圖5 梁端銳角處C點縱向最大位移Fig.5 Maximum longitudinal displacement of acute point C on deck’s end

(1)縱向最大位移

由圖4、5可知，工況1下，斜度為α時，梁端鈍角處A點、銳角處C點縱向最大位移的最小值出現(xiàn)在輸入角θ=(90°-α)左右處，并且θ位于0°～(90°-α)之間時隨地震動輸入角度的增大而減小，θ位于(90°-α)～180°之間時隨輸入角度增大呈先增大后減小的趨勢，并且趨勢隨著斜度的增大而逐漸明顯。斜度為30°或60°時，由工況2得到的梁端縱向最大位移最小值比工況1的大、最大值比工況1的小。說明橫向擋塊有效限制了上部結構的面內旋轉幅度，并且使縱向最大位移隨輸入角度的變化趨勢相對于工況1變的復雜。

從圖7可以看出，工況1下，斜度不為0°時，梁端鈍角處A點和銳角處C點的縱向最大位移的最小值幾乎相等，最大值均隨著斜度增大而增大；斜度越大，梁端銳角處C點比鈍角處A點的縱向最大位移最大值大的越多。

由圖9可知，工況2下，地震動輸入角度約為90°時，梁端鈍角處A點和銳角處C點縱向最大位移隨著斜度的增大而增大，且增大幅度隨斜度增大而逐漸減小；而地震動輸入角度為20°左右時，縱向最大位移隨斜度增大而減小，且減小速度隨斜度增大而逐漸增大。

(2)上部結構峰值轉角

由圖6可知，工況1下，斜度為α時，上部結構峰值轉角最小值會出現(xiàn)在輸入角θ=90°-α左右處；斜度α<30°時，上部結構峰值轉角在輸入角θ位于0°～(90°-α)時隨輸入角度的增加呈先增大后減小的趨勢，斜度α≥30°時，上部結構峰值轉角在輸入角θ位于0°～(90°-α)時隨輸入角度的增加而減??；上部結構峰值轉角在輸入角θ位于(90°-α)～180°時隨輸入角度的增加呈先增大后減小的趨勢。由圖中還可知，地震動輸入角度較小時(約20°～115°-α)，工況2比工況1得到的峰值轉角大，輸入角度較大時(約(115°-α)～180°)，工況2比工況1得到的峰值轉角小。

從圖8可以看出，工況1時，上部結構峰值轉角的最大值隨斜度增加而增加，斜度30°以前的增大幅度明顯大于30°以后；峰值轉角出現(xiàn)最大值的輸入角θ從約120°逐漸減小到90°。

由圖10可知，工況2時，斜度為0°～30°時，隨著斜度的增大，上部結構峰值轉角最大值越來越大；斜度為45°～60°時，各斜度下上部結構峰值轉角隨水平地震動輸入角度的變化趨勢相近，并且隨著斜度增大，峰值轉角越來越小。

(a) α=15° (b) α=30° (c) α=60°圖6 上部結構峰值轉角Fig.6 Peak rotation angle of deck

(a)鈍角處A點 (b)銳角處C點圖7 工況1上部結構峰值轉角平均值Fig．7Averagevalueofmaximumlongitudinaldisplacementofdecksendforcase1圖8 工況1梁端縱向最大位移平均值Fig．8Averagevalueofthepeakrotationangleofdeckforcase1

(a) 鈍角處A點 (b) 銳角處C點圖9 工況2梁端縱向最大位移平均值Fig．9Averagevalueofmaximumlongitudinaldisplacementofdecksendforcase2圖10 工況2上部結構峰值轉角平均值Fig．10 Averagevalueofthepeakrotationangleofdeckforcase2

工況2與工況1的比較表明，考慮橫向擋塊之后，梁端縱向最大位移、上部結構峰值轉角的最大值均有所減小，說明擋塊起到有效限位作用，簡支斜交橋地震碰撞反應更加復雜，并且斜度越大，復雜程度越高。

2.2 豎向地震動的影響

2.2.1 豎向地震動對支座上拔力的影響

基于工況2，將表1中的7條地震波(PGA調整為0.4 g)沿縱橋向輸入、豎向地震動按相應水平地震動的65%[16]確定，分析得到簡支斜交橋支座上拔力隨斜度變化情況如圖11所示，支座位置見圖1。

圖11 支座上拔力Fig.11 The uplift force of bearings

由圖11可知，斜度為0°(直橋)時，簡支梁橋左端各支座上拔力相同，隨著斜度的增大，各支座之間上拔力的差距逐漸變大，靠近鈍角處的支座1上拔力隨斜度的增大而增大，反之，靠近銳角處的支座4上拔力隨斜度增大而減小，且支座上拔力由鈍角處向銳角處逐漸減小。

2.2.2 豎向地震動對簡支斜交橋地震碰撞反應的影響

為了反映豎向地震動對斜交簡支梁橋地震反應的影響程度，將按2.2.1中地震動輸入方式得到的地震反應與忽略豎向地震動得到的地震反應進行比較。圖12、13、14分別為最大碰撞力、縱向最大位移、上部結構峰值轉角隨斜度變化情況，圖中實線代表考慮豎向地震動、虛線表示忽略豎向地震動。

由圖12～圖14可知，考慮支座滑移的情況下，豎向地震動對斜交簡支梁橋地震碰撞反應的數(shù)值產生一定影響，而地震碰撞反應隨斜度的變化趨勢沒有明顯影響。

圖12 最大碰撞力Fig．12Maximumpoundingforce圖13 縱向最大位移Fig．13Maximumlongitudinaldisplacement圖14 上部結構峰值轉角Fig．14Peakrotationangleofdeck

2.3 斜度的影響

本節(jié)主要研究考慮水平地震動輸入角θ從0°逐漸變化到180°時，斜交簡支梁橋地震碰撞反應隨斜度的變化情況。圖15、圖16分別為考慮地震動輸入方向影響時梁端縱向最大位移、上部結構峰值轉角隨斜度的變化情況，圖17、圖18分別為工況2下考慮地震動輸入方向影響時梁端縱向最大碰撞力、梁端橫向最大碰撞力隨斜度的變化情況。

從圖15可以看出，梁端鈍角處A點縱向最大位移在斜度小于30°前基本保持不變，斜度大于30°后，隨斜度的增加而增大；銳角處C點縱向最大位移在斜度小于15°時基本保持不變，斜度超過15°后，隨斜度增大而增大；且工況2比工況1得到的縱向最大位移小，說明橫向擋塊對斜交簡支梁橋的縱向最大位移有限制作用。

(a)鈍角處A點 (b)銳角處C點圖15 梁端縱向最大位移Fig．15Maximumlongitudinaldisplacementofdecksend圖16 上部結構峰值轉角Fig．16Peakrotationangleofdeck

由圖16可知，上部結構峰值轉角隨斜度的增大呈先增大后減小的趨勢，且工況2比工況1得到的上部結構峰值轉角小，說明橫向擋塊能有效抑制上部結構的旋轉。

從圖17、18可見，梁端縱向最大碰撞力隨斜度的增大呈先增大后減小的趨勢，梁體與擋塊間橫向最大碰撞力隨斜度的增大總體變化不大。

圖17 梁端縱向最大碰撞力Fig.17 Maximum longitudinal pounding forces on deck end

圖18 梁體與擋塊間橫向最大碰撞力Fig.18 Maximum pounding forces between deck and retainer

3 結 論

本文采用斜交簡支梁橋精細化動力計算模型，通過數(shù)值模擬研究了水平地震動輸入方向、豎向地震動以及斜度對斜交簡支梁橋地震碰撞反應的影響，得到了以下結論：

(1)僅考慮梁體與橋臺間縱向碰撞情況下，斜度為α的簡支梁橋梁端鈍角處A點和銳角處C點的縱向最大位移以及上部結構峰值轉角均在地震動以角度θ=90°-α輸入時出現(xiàn)極小值；考慮水平地震動輸入方向時，梁端鈍角處A點和銳角處C點縱向最大位移及上部結構峰值轉角隨斜度增大而增大；

(2)考慮梁體與橋臺間縱向碰撞、梁體與擋塊間橫向碰撞的聯(lián)合影響，增加了斜交簡支梁橋地震碰撞反應的復雜程度；梁端縱向最大位移、上部結構峰值轉角較僅考慮梁體與橋臺間縱向碰撞情況下有一定下降，說明擋塊起到有效限位作用；

(3)考慮縱、橫向聯(lián)合碰撞效應時，豎向地震動對斜交簡支梁橋地震碰撞反應的數(shù)值有一定影響，但對其隨斜度的變化趨勢沒有明顯影響；靠近鈍角處支座上拔力隨斜度增大而增大，靠近銳角處支座上拔力隨斜度增大而減小，且支座上拔力由鈍角處向銳角處逐漸減??；

(4)考慮縱、橫向聯(lián)合碰撞效應及水平地震動輸入方向影響時，梁端縱向最大位移隨斜度(斜度大于30°)增大而增大，上部結構峰值轉角、梁端縱向碰撞力隨斜度增大呈先增大后減小的變化趨勢，梁體與擋塊間橫向最大碰撞力隨斜度的增大總體變化不大。

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Parametrican alysis for seismic pounding responses of a skewed simply-supported girder bridge

WANG Junwen1, WU Tianyu1, YAN Jukao2

(1.Key Laboratory of Roads, Railway Engineering Safety Control of Ministry of Enucation, Shijiazhuang TieDao University, Shijiazhuang 050043, China; 2. Structural Health Monitoring and Control Institute, Shijiazhuang TieDao University, Shijiazhuang 050043, China)

To study seismic pounding responses of a skewed simply-supported girder bridge(SSGB), a refined dynamic calculation model considering effects of longitudinal impact and friction between girder and abutment, and transverse impact between girder and retainer for SSGB was built with the open style seismic simulation software OpenSees. The effects of horizontal direction ground motion, vertical ground motion and skew degree on the seismic pounding responses of SSGB were analyzed. The results indicated that if neglecting the transverse pounding effect, the maximum longitudinal displacement of the girder bridge end and the peak rotation angle of the superstructure for SSGB with the skew degreeαreach their minimum values when the input direction of horizontal ground motion isθ=90°-α; if considering the transverse pounding effect, the maximum longitudinal displacement and the peak rotation angle decrease because the retainer can limit effectively the displacement of the superstructure; the vertical ground motion has a certain impact on the values of the seismic pounding responses, but has no obvious impact on the responses change law versus skew degree; the uplift forces of bearings in obtuse angle zone increase, those in acuteangle zone decrease with increase in skew degree, and those decrease from obtuse angle zone to acute angle zone; considering the effect of input direction of horizontal ground motion, the maximum value of the longitudinal displacement of the girder bridge end increases with increase in skew degree, the peak rotation angle of the superstructure and the maximum longitudinal pounding force firstly increase and then decrease with increase in skew degree， the maximum transverse pounding force between girder and retainer changes less with increase in skew degree.

simply-supported girder; skewed bridge; seismic response; parametric analysis; friction; skew degree

國家自然科學基金(51508347)；河北省自然科學基金(E2015210038)；河北省高等學校重點學科項目資助

2015-09-21 修改稿收到日期：2016-01-21

王軍文 男，博士，教授，1971年9月生

U448.41

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.03.033