碰撞對(duì)山區(qū)高墩橋彈塑性動(dòng)力響應(yīng)的影響

李 晰， 賈宏宇， 李 倩， 康 銳， 陳志偉

(1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都610031;2.西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610031)

在中國(guó)西南山區(qū)，為了跨越山高谷深的復(fù)雜地形，高等級(jí)公路及鐵路系統(tǒng)中存在大量的高墩橋.高墩橋的主橋部分需要跨越河谷深溝，一般采用墩高較高的連續(xù)剛構(gòu)體系或者連續(xù)梁體系，引橋部分一般采用墩高較矮的連續(xù)梁體系或者簡(jiǎn)支梁體系.因此，與常規(guī)的多聯(lián)連續(xù)梁橋或者連續(xù)剛構(gòu)橋相比，高墩橋最為顯著的特點(diǎn)為墩高相差懸殊，屬于不規(guī)則橋梁［1］，且其抗震設(shè)計(jì)已經(jīng)超出中國(guó)現(xiàn)行橋梁抗震規(guī)范的適用范圍［2］.

在以往的地震中，碰撞被認(rèn)為是導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損傷及倒塌的一個(gè)重要原因，如在1989年的Loma Prieta地震［3］、1994 年的 Northridge地震、1995年的Kobe地震以及2008年的汶川地震中均有調(diào)查表明地震激勵(lì)所引起的橋梁相鄰結(jié)構(gòu)之間的碰撞會(huì)使橋梁產(chǎn)生嚴(yán)重的損傷甚至倒塌［4-6］.已有研究表明［7-8］相鄰結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的差別是引起橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生碰撞的主要原因，并且美國(guó)Caltrans的抗震規(guī)范也建議對(duì)于多聯(lián)橋梁結(jié)構(gòu)，相鄰聯(lián)的周期比應(yīng)大于0.7.然而由于受地形影響，高墩橋主橋和引橋墩高的顯著不同會(huì)導(dǎo)致相鄰兩聯(lián)橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性存在較大差別，使伸縮縫處的相鄰梁體更容易發(fā)生碰撞.因此，相對(duì)于其他形式的橋梁結(jié)構(gòu)，高墩橋在地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)更容易受到碰撞的影響.

在過去的幾十年里，碰撞對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)抗震性能的影響引起了很多學(xué)者的關(guān)注.大部分學(xué)者主要針對(duì)常規(guī)的多跨簡(jiǎn)支梁橋［9-10］和多聯(lián)連續(xù)梁橋［11-12］或者連續(xù)剛構(gòu)橋［13-15］進(jìn)行了研究.但這些已有研究中有關(guān)碰撞對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的影響有著不同的觀點(diǎn)，有些研究認(rèn)為碰撞對(duì)結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)不利，有些研究則認(rèn)為碰撞會(huì)減小結(jié)構(gòu)的響應(yīng).如Jankowski等［11］對(duì)連續(xù)梁橋進(jìn)行了研究，指出碰撞力會(huì)顯著增大墩底的內(nèi)力，而Molhotra［12］則指出由于碰撞會(huì)耗散一定的能量，不會(huì)導(dǎo)致橋墩變形的增加.Chouw和 Hao［14］對(duì)多跨連續(xù)剛構(gòu)橋進(jìn)行了研究，指出碰撞在一定程度上會(huì)降低墩底的彎矩響應(yīng)，DesRoches等［13］則指出碰撞會(huì)增大剛度較大結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，而減小剛度較小結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，特別是對(duì)于相鄰結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性相差較大的情形.因此，對(duì)于山區(qū)高墩橋這類非規(guī)則結(jié)構(gòu)，有必要進(jìn)一步研究碰撞對(duì)其地震響應(yīng)的影響.

有關(guān)橋梁碰撞的參數(shù)研究表明，除了相鄰結(jié)構(gòu)剛度比之外，碰撞的模擬方法［16-17］、地震動(dòng)的施加方式［18-20］、橋墩的非線性行為［10］等因素都會(huì)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的碰撞產(chǎn)生影響.但是，當(dāng)前對(duì)高墩橋碰撞效應(yīng)研究［21-22］沒有或者簡(jiǎn)單考慮了碰撞中的能量耗散、橋梁的非線性行為等因素對(duì)橋梁碰撞所產(chǎn)生的影響.

鑒于此，本文以中國(guó)西南山區(qū)的實(shí)際高墩橋梁為原型，建立了兩種典型橋跨結(jié)構(gòu)的彈塑性動(dòng)力分析模型，即連續(xù)剛構(gòu)(主橋)-連續(xù)梁橋(引橋)和連續(xù)梁橋(主橋)-連續(xù)梁橋(引橋)，并考慮了碰撞的能量耗散、橋墩的非線性行為以及不同場(chǎng)地條件等因素.在此基礎(chǔ)上，對(duì)比分析了碰撞對(duì)山區(qū)高墩橋彈塑性動(dòng)力響應(yīng)的影響，從而為山區(qū)高墩橋的減撞防撞設(shè)計(jì)提供相應(yīng)的參考.

1 橋梁模型及動(dòng)力特性

1.1 有限元模型建立

本文所選的原型橋梁為中國(guó)西南山區(qū)的一座實(shí)際高墩橋，該橋由兩聯(lián)組成，其中，主橋?yàn)槿珙A(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)橋(跨徑組合為88 m+168 m+88 m)，引橋?yàn)槿缱兘孛骖A(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋(跨徑組合為33 m+56 m+33 m)，主梁截面均為單箱單室箱形截面，頂板寬為12 m，底板寬為8 m，且梁高從跨中到支點(diǎn)處按二次拋物線變化.全橋共設(shè)5個(gè)橋墩，其中:1、2號(hào)墩為變截面空心矩形薄壁墩，墩高分別為75 m和103 m;3、4號(hào)墩為變截面空心圓角矩形薄壁墩，墩高分別為56 m和75 m，且3號(hào)墩為主橋和引橋的共用墩;5號(hào)墩為變截面實(shí)心圓角矩形重力式橋墩，墩高為19 m.具體橋型 布置見圖1.

圖1 全橋布置圖Fig.1 Layout of the bridge

參照上述原型橋，以O(shè)penSees作為分析平臺(tái)分別建立了兩種典型高墩橋體系的三維彈塑性動(dòng)力分析模型，即連續(xù)剛構(gòu)-連續(xù)梁橋體系(rigid bridge-continuous bridge，R-C)和連續(xù)梁橋-連續(xù)梁橋體系(continuous bridge-continuous bridge，CC)，有限元模型如圖2所示.

圖2 三維有限元模型示意圖Fig.2 Schematic view of 3-D FEA model

圖2 中:ft為混凝土抗拉強(qiáng)度;Et為混凝土抗拉軟化模量;fpc為混凝土28 d抗壓強(qiáng)度;E0為混凝土初始彈性模量;εc0為混凝土達(dá)到抗拉強(qiáng)度時(shí)的應(yīng)變;fpcU為混凝土殘余強(qiáng)度;εU為混凝土殘余強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的應(yīng)變;λ為殘余應(yīng)變處的卸載斜拉與初始斜率的比值;σ和ε分別為鋼筋的應(yīng)力和應(yīng)變;σy和εy分別為鋼筋的屈服應(yīng)力和應(yīng)變;σ*和ε*分別為歸一化的鋼筋應(yīng)力和應(yīng)變;ζ1和ζ2為控制彈性段向塑性段過渡的參數(shù);δm為最大入侵位移;gp為初始間隙;Fm為最大入侵位移所對(duì)應(yīng)的碰撞力;Kt1和Kt2分別為初始剛度和應(yīng)變硬化剛度;Keff為等效剛度;F和Fmax分別為支座滑動(dòng)摩擦力和臨界滑動(dòng)摩擦力;D和Dy分別為支座位移和支座屈服位移.

高墩橋的主梁采用基于位移的梁柱單元(displacement-based beam-column element，DBE)結(jié)合彈性截面屬性來模擬，并采用給單元兩節(jié)點(diǎn)賦予不同截面屬性的方法來考慮主梁截面高度沿縱向的變化.橋墩采用基于力的梁柱單元(forcebased beam-column element，F(xiàn)BE)結(jié)合纖維截面屬性來模擬地震中可能出現(xiàn)的非線性行為.圖2給出了橋墩纖維截面的劃分示意，無約束混凝土和約束混凝土的材料特性基于kent-scott-park模型［23］，鋼筋的材料 特 性基于 giuffré-menegottopinto model with isotropic strain hardening 模型［24］，支座采用連接單元來模擬，其滑動(dòng)向的非線性行為采用雙線性滯回材料來模擬.

此外，為了研究在地震中可能發(fā)生的梁-梁碰撞以及梁-橋臺(tái)碰撞，采用Hertz-damp模型來模擬碰撞效應(yīng)，并充分考慮了碰撞過程中的能量耗散以及碰撞剛度的變化，如圖3(a).圖中:kh為Hertzdamp理論模型的碰撞剛度，且相關(guān)參數(shù)依據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》［2］的規(guī)定進(jìn)行取值.

圖3 Hertz-damp模型Fig.3 Hertz-damp model

為了方便在有限元軟件中使用Hertz-damp模型，Muthukumar［25］給出了基于 Hertz-damp 理論模型的簡(jiǎn)化模型.該簡(jiǎn)化模型為雙線性剛度接觸模型，其碰撞力-位移關(guān)系如圖3(b)所示.簡(jiǎn)化模型的參數(shù)主要包括Kt1，Kt2以及δy，這些主要參數(shù)都需要通過對(duì)Hertz-damp理論模型進(jìn)行等效來確定.

對(duì)于本文的橋梁結(jié)構(gòu)體系，Hertz-damp理論模型中關(guān)鍵參數(shù)的精確值需要通過試驗(yàn)或者基于實(shí)體模型的數(shù)值分析獲得，但為了簡(jiǎn)化建模過程，通常也可以參照已有文獻(xiàn)的經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行取值.因此，本文依據(jù)文獻(xiàn)［25］有關(guān)Hertz-damper模型在混凝土橋梁結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的研究結(jié)果，對(duì)碰撞模型的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行取值，并計(jì)算得到其它特征參數(shù).相關(guān)參數(shù)的取值及計(jì)算結(jié)果如表1所示.表中:e為回歸系數(shù);n為Hertz系數(shù);a為屈服參數(shù).

表1 Hertz-damp簡(jiǎn)化模型特征參數(shù)Tab.1 Properties of Simplified Hertz-damp model

1.2 橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性

對(duì)于本文所研究的高墩橋，主梁和橋墩(臺(tái))的連接分為3種形式，即墩梁固結(jié)、固定支座及單向滑動(dòng)支座，因此主梁和橋墩(臺(tái))之間的橫向位移均被約束，碰撞的主要形式為縱橋向的梁-梁碰撞和梁-橋臺(tái)碰撞.鑒于此，本文主要研究在縱向地震激勵(lì)下碰撞對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的影響.橋梁結(jié)構(gòu)縱向的模態(tài)信息如表2所示.從表2中可以看出，R-C體系中主橋和引橋的頻率比為0.69，C-C體系中主橋和引橋的頻率比為0.58，這說明高墩橋體系中相鄰結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性相差較大，在地震激勵(lì)下容易產(chǎn)生非一致振動(dòng).

表2 橋梁結(jié)構(gòu)縱向模態(tài)信息Tab.2 Longitudinal modes of bridge structure

2 地震波激勵(lì)與工況設(shè)置

本節(jié)所選的地震波分為人工地震波和天然地震記錄兩類，并考慮了不同的場(chǎng)地條件(硬場(chǎng)、中硬場(chǎng)和軟場(chǎng)).為了考慮地震動(dòng)的隨機(jī)性，同一場(chǎng)地條件分別選取了3條人工合成地震波和3條天然地震記錄.

對(duì)人工地震波，文獻(xiàn)［26］所提供的方法來合成與目標(biāo)譜相匹配的人工地震波.該方法基于所選的功率譜密度函數(shù)和包絡(luò)函數(shù)對(duì)隨機(jī)過程進(jìn)行迭代修正來生成人工地震波.其中功率譜密度函數(shù)依據(jù)目標(biāo)反應(yīng)譜獲得，包絡(luò)函數(shù)采用Jennings提出的分段模型.本文將中國(guó)《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》［2］所規(guī)定的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜作為目標(biāo)反應(yīng)譜，不同場(chǎng)地條件下的目標(biāo)譜如圖4(a)所示，所生成的人工地震波與目標(biāo)譜的匹配情況如圖4(b)～(d)所示.

圖4 目標(biāo)反應(yīng)譜與所選地震激勵(lì)反應(yīng)譜Fig.4 Target spectra and response spectra of selected ground motions

本文的天然地震記錄均來自PEER 強(qiáng)震數(shù)據(jù)庫［27］，使用者可通過確定目標(biāo)反應(yīng)譜及描述地震動(dòng)的基本特性就可以挑選出一系列與目標(biāo)反應(yīng)譜相匹配的地震加速度時(shí)程.

對(duì)于所選地震動(dòng)與目標(biāo)反應(yīng)譜的匹配程度，采用均方誤差MSE來衡量，其基于地震記錄的加速度譜與目標(biāo)譜在感興趣的周期范圍內(nèi)所對(duì)應(yīng)的加速度譜值來計(jì)算，并且越小的MSE值表明所選地震動(dòng)與目標(biāo)譜有更好的匹配.表3給出了所選地震記錄的詳細(xì)信息.

表3 所選地震動(dòng)詳細(xì)信息Tab.3 Detail of selected ground motions

從表3可以看出，所選地震動(dòng)具有較低的MSE值(0.048 9～0.122 0)，說明其與目標(biāo)譜匹配較好，這從圖4(b)～(d)中也可以看出.各場(chǎng)地條件下典型的人工地震波加速度時(shí)程如圖5(a)所示.各場(chǎng)地條件下典型的天然地震記錄加速度時(shí)程曲線及加速度峰值PGA如圖5(b)所示.

圖5 各場(chǎng)地條件下典型地震波Fig.5 Typical ground motions for each site condition

由于本文主要研究碰撞對(duì)高墩橋彈塑性動(dòng)力響應(yīng)的影響，因此只在縱橋向施加了地震激勵(lì).基于所選地震動(dòng)，共進(jìn)行了36次計(jì)算，具體工況如表4所示.

表4 工況列表Tab.4 Case details

3 結(jié)果分析

為了說明碰撞效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響，本文定義了結(jié)構(gòu)響應(yīng)的改變率R=100(Rp－Rnp)/Rnp，其中:Rp為考慮碰撞效應(yīng)時(shí)結(jié)構(gòu)的響應(yīng);Rnp為不考慮碰撞效應(yīng)時(shí)結(jié)構(gòu)的響應(yīng).R為正值表示碰撞效應(yīng)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)響應(yīng)增大，反之則表示碰撞效應(yīng)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)響應(yīng)減小.

3.1 不同場(chǎng)地條件下碰撞對(duì)高墩橋動(dòng)力響應(yīng)的影響

圖6、7分別給出了兩種高墩橋結(jié)構(gòu)體系在考慮碰撞和不考慮碰撞兩種情形下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)對(duì)比.從圖6(a)和圖7(a)可以看出，碰撞效應(yīng)會(huì)對(duì)兩種結(jié)構(gòu)體系中的橋墩位移產(chǎn)生較為明顯的影響，場(chǎng)地條件越差，碰撞效應(yīng)對(duì)其的影響就越明顯.從表5也可以看出:對(duì)于R-C結(jié)構(gòu)體系和C-C結(jié)構(gòu)體系，1號(hào)墩相對(duì)位移的最大改變率分別為6.36%與－8.77%;2號(hào)墩相對(duì)位移的最大改變率分別為6.86%和3.94%;3號(hào)墩相對(duì)位移的最大改變率分別為2.12%和－3.89%;4號(hào)墩相對(duì)位移的最大改變率分別為－10.50%和－12.81%;5號(hào)墩相對(duì)位移的最大改變率分別為－2.86%和－2.53%.

圖6 R-C結(jié)構(gòu)體系響應(yīng)對(duì)比Fig.6 Response comparison of R-C structure system

從圖6(b)和圖7(b)可以看出，碰撞效應(yīng)也會(huì)對(duì)兩種體系結(jié)構(gòu)中的支座位移產(chǎn)生較為顯著的影響，場(chǎng)地條件越差，影響越為顯著.對(duì)于R-C結(jié)構(gòu)體系和C-C結(jié)構(gòu)體系，支座位移的最大改變率分別為－13.17%和－15.86%，如表 6 所示.

圖7 C-C結(jié)構(gòu)體系響應(yīng)對(duì)比Fig.7 Response comparison of C-C structure system

表5 橋墩相對(duì)位移改變率Tab.5 Change rate of pier displacement %

以上結(jié)果表明碰撞效應(yīng)會(huì)對(duì)高墩橋結(jié)構(gòu)的響應(yīng)產(chǎn)生較為明顯的影響在抗震設(shè)計(jì)中應(yīng)引起重視，特別是在場(chǎng)地條件較差的情形，否則可能會(huì)錯(cuò)誤的估計(jì)結(jié)構(gòu)的響應(yīng).

從圖6(a)、圖7(a)及表5還可以看出，對(duì)于墩梁固結(jié)的橋墩(R-C結(jié)構(gòu)體系中的1號(hào)墩、2號(hào)墩)，碰撞效應(yīng)會(huì)較為明顯的增大其相對(duì)位移，最大改變率為6.86%.對(duì)墩頂設(shè)置固定支座的橋墩(R-C結(jié)構(gòu)體系中的4號(hào)墩以及C-C體系中的1號(hào)墩、4號(hào)墩)，碰撞效應(yīng)會(huì)較為明顯的降低其相對(duì)位移，最大改變率為－12.81%.對(duì)墩頂設(shè)置活動(dòng)支座的橋墩(R-C結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中的3號(hào)墩、5號(hào)墩以及C-C體系中的2號(hào)墩、3號(hào)墩、5號(hào)墩)，碰撞效應(yīng)不會(huì)對(duì)其產(chǎn)生較為明顯的影響.產(chǎn)生這些現(xiàn)象的原因可以解釋為:對(duì)墩梁固結(jié)以及墩底設(shè)置固定支座的橋墩，碰撞力可以通過這些連接傳遞至橋墩，因而會(huì)對(duì)橋墩的變形產(chǎn)生較為明顯的影響;對(duì)墩頂設(shè)置活動(dòng)支座的橋墩，無論碰撞力的大小，作用于墩頂位置的水平力均不會(huì)超過活動(dòng)支座的滑動(dòng)摩擦力，因此，碰撞力對(duì)此類橋墩的變形影響較小.這些現(xiàn)象說明碰撞效應(yīng)對(duì)橋墩相對(duì)位移的影響大小及程度與橋墩同主梁的連接方式有較為密切的關(guān)系.在對(duì)高墩橋進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)有必要對(duì)支座的類型及布置方式進(jìn)行優(yōu)化.

表6 支座位移改變率Tab.6 Change rate of bearings %

3.2 碰撞對(duì)不同結(jié)構(gòu)體系高墩橋影響的差異

對(duì)比圖6(a)和圖7(a)可以看出，碰撞效應(yīng)較為明顯地增大了R-C結(jié)構(gòu)體系主橋部分的橋墩相對(duì)位移(1號(hào)墩、2號(hào)墩)，而較為明顯地降低了C-C結(jié)構(gòu)體系主橋部分的橋墩相對(duì)位移(1號(hào)墩)，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可以依據(jù)結(jié)構(gòu)的響應(yīng)時(shí)程來解釋.

圖8分別給出了R-C結(jié)構(gòu)體系和C-C結(jié)構(gòu)體系的橋墩位移時(shí)程和碰撞力時(shí)程.

為了方便解釋，將不考慮碰撞時(shí)的橋墩位移D，而考慮碰撞時(shí)的橋墩位移Dp.從圖8(a)和(b)可以看出，當(dāng)主梁與橋臺(tái)發(fā)生碰撞時(shí)，由于碰撞的限制作用使指向橋臺(tái)方向的主橋橋墩位移Dp要明顯小于D，但在碰撞力和地震動(dòng)的聯(lián)合作用下，相反方向的橋墩位移可能會(huì)增大.如果下一次碰撞(梁與梁碰撞)發(fā)生在橋墩位移Dp小于D時(shí)，碰撞將會(huì)阻礙Dp繼續(xù)增大，表現(xiàn)為碰撞作用降低了橋墩的位移(如圖8(a)).如果下一次碰撞發(fā)生在Dp大于D時(shí)，雖然碰撞依然會(huì)限制橋墩位移繼續(xù)增大，但此時(shí)橋墩位移Dp已經(jīng)超過D，其表現(xiàn)為碰撞作用增大了橋墩位移(如圖8(b)).這是因?yàn)榕鲎矔?huì)限制結(jié)構(gòu)當(dāng)前方向的變形，但同時(shí)可能聯(lián)合地震作用增大相反方向的結(jié)構(gòu)變形，此時(shí)碰撞對(duì)結(jié)構(gòu)峰值位移的影響主要取決于第2次碰撞發(fā)生的時(shí)間.對(duì)比圖8(a)和(b)可以看出，由于C-C結(jié)構(gòu)體系中相鄰結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性差異更大(如表5)，其發(fā)生梁-梁碰撞的概率要明顯大于R-C結(jié)構(gòu)體系，使碰撞的限制作用更容易在橋墩位移Dp小于D時(shí)發(fā)生，從而導(dǎo)致在考慮碰撞效應(yīng)后，R-C結(jié)構(gòu)體系的響應(yīng)表現(xiàn)為增大而C-C結(jié)構(gòu)體系的響應(yīng)表現(xiàn)為減小.

表7給出了兩種結(jié)構(gòu)體系中各碰撞位置處的最大碰撞力以及發(fā)生碰撞次數(shù)，其中，碰撞次數(shù)是指結(jié)構(gòu)在6條地震波作用下(6個(gè)工況)引起結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞的工況數(shù).

圖8 橋墩相對(duì)位移及碰撞力時(shí)程對(duì)比圖Fig.8 Comparison of piers relative displacements and pounding forces

從表7可以看出，C-C結(jié)構(gòu)體系的碰撞次數(shù)較多，但其碰撞力要小于R-C結(jié)構(gòu)體系.這可以解釋為:由于碰撞次數(shù)較多，碰撞對(duì)C-C結(jié)構(gòu)體系變形的限制作用更為明顯，同時(shí)在碰撞過程中發(fā)生的能量耗散也更多，使C-C結(jié)構(gòu)體系在發(fā)生碰撞時(shí)的碰撞力降低.

以上這些現(xiàn)象均說明雖然減小相鄰結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性差異可以降低碰撞發(fā)生的概率，但有可能提高碰撞的強(qiáng)度及其對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的放大的作用，從而對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響.因此在確定高墩橋結(jié)構(gòu)體系的相鄰結(jié)構(gòu)周期比時(shí)，不能只考慮相鄰結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性差異對(duì)碰撞概率的影響，還應(yīng)考慮其對(duì)碰撞效應(yīng)的影響，避免出現(xiàn)碰撞次數(shù)減小而碰撞強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)響應(yīng)增大的情況.

從表7還可以看出，對(duì)于梁-梁碰撞(B-B)，C-C結(jié)構(gòu)體系的發(fā)生次數(shù)要明顯高于R-C結(jié)構(gòu)體系，這是由于C-C結(jié)構(gòu)體系相鄰結(jié)構(gòu)的剛度差別要大于R-C結(jié)構(gòu)體系，從而使其相鄰結(jié)構(gòu)更容易產(chǎn)生不同步振動(dòng).而對(duì)于梁-橋臺(tái)碰撞(A-B1和A-B2)，兩種結(jié)構(gòu)體系的碰撞次數(shù)在同種場(chǎng)地條件下基本相同，這是因?yàn)闃蚺_(tái)被假設(shè)為固定點(diǎn)，梁與橋臺(tái)是否碰撞只取決于其自身結(jié)構(gòu)振動(dòng)幅值的大小.此外，還可以發(fā)現(xiàn)場(chǎng)地條件越差，兩種結(jié)構(gòu)體系發(fā)生碰撞的次數(shù)就越多，且碰撞力越大，這是因?yàn)閳?chǎng)地條件會(huì)對(duì)地震動(dòng)的幅值產(chǎn)生較為明顯的影響.這些現(xiàn)象表明:對(duì)梁-橋臺(tái)碰撞，其主要受地震動(dòng)作用大小的影響，對(duì)梁-梁碰撞，不但與地震動(dòng)的大小有關(guān)，還與相鄰結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性相關(guān)，因此在進(jìn)行減撞防撞設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)針對(duì)不同的碰撞位置采取不同的措施.

表7 最大碰撞力及碰撞次數(shù)Tab.7 Details of maximum pounding force and pounding frequency

4 結(jié)論

在充分考慮碰撞的剛度變化、能量耗散以及橋墩非線性行為的基礎(chǔ)上，以兩類典型的高墩橋結(jié)構(gòu)體系為例，研究了碰撞對(duì)高墩橋動(dòng)力響應(yīng)的影響.得出如下結(jié)論:

(1)與不考慮碰撞的情形相比較，碰撞會(huì)對(duì)高墩橋結(jié)構(gòu)的彈塑性動(dòng)力響應(yīng)產(chǎn)生較為明顯的影響，特別是結(jié)構(gòu)所處場(chǎng)地較差時(shí)，其最大改變率為15.86%.在抗震設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮碰撞效應(yīng)帶來的影響，否則會(huì)錯(cuò)誤的估計(jì)結(jié)構(gòu)的響應(yīng).

(2)橋墩與主梁的連接方式會(huì)改變碰撞效應(yīng)對(duì)橋墩變形的影響大小和程度，即碰撞會(huì)對(duì)墩梁固結(jié)以及墩頂設(shè)置固定支座的橋墩產(chǎn)生較大影響而不會(huì)對(duì)墩頂設(shè)置滑動(dòng)支座的橋墩產(chǎn)生明顯影響.在進(jìn)行高墩橋的減撞防撞設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮橋墩與主梁的連接方式對(duì)碰撞效應(yīng)的影響，從而對(duì)支座的類型及布置形式進(jìn)行優(yōu)化.

(3)隨著相鄰結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性差異的增大，其發(fā)生碰撞的概率也會(huì)增大，但由于碰撞對(duì)橋墩變形的限制作用，反而會(huì)降低橋墩的動(dòng)力響應(yīng).因此在確定高墩橋結(jié)構(gòu)體系的相鄰結(jié)構(gòu)周期比時(shí)，不但要考慮相鄰結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性差異對(duì)碰撞概率的影響，還應(yīng)考慮其對(duì)碰撞效應(yīng)的影響，即碰撞力的大小以及碰撞對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的放大和縮小作用，從而避免出現(xiàn)碰撞次數(shù)減小而碰撞強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)響應(yīng)增大的情況.

(4)梁-橋臺(tái)碰撞主要受地震動(dòng)作用大小的影響，而地震動(dòng)的強(qiáng)度和相鄰結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的差異都會(huì)對(duì)梁-梁碰撞產(chǎn)生影響，在對(duì)高墩橋進(jìn)行減撞防撞設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)針對(duì)不同的碰撞位置采取不同的措施.

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