李澄宇

考慮碰撞效應(yīng)的斜交橋抗震性能分析

李澄宇

（甘肅路橋公路投資有限公司，甘肅蘭州730030）

受地形條件的限制，在公路橋梁或城市橋梁設(shè)計(jì)中經(jīng)常采用斜交形式的梁橋。由于主梁軸線與支承邊存在斜交角，使得其會(huì)發(fā)生一定面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，當(dāng)考慮橫橋向碰撞效應(yīng)時(shí)，斜交橋的抗震性能變得比直線梁橋要更加復(fù)雜。論文采用非線性時(shí)程分析方法對(duì)具有不同斜交角的連續(xù)梁橋進(jìn)行分析，探討了結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)隨交角變化關(guān)系。結(jié)果表明：不考慮碰撞效應(yīng)會(huì)明顯低估連續(xù)梁橋抗震性能，在斜交連續(xù)梁橋設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮碰撞效應(yīng)的影響；斜交角的大小會(huì)顯著影響橋梁結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)，但不與斜交角成線性關(guān)系。

斜交連續(xù)梁橋；時(shí)程分析；抗震性能；碰撞

年美國(guó)圣佛南多地震中，多座斜交連續(xù)梁橋發(fā)生了嚴(yán)重破壞，斜交橋抗震性能逐漸引起重視［1］；隨后1994年美國(guó)北嶺地震中，GavinCanyon跨線立交（斜交連續(xù)梁橋）發(fā)生了落梁；2008年汶川地震橋梁震害統(tǒng)計(jì)表明，無(wú)論是全橋失效、嚴(yán)重破壞還是中等破壞，斜交橋的破壞率明顯較直線橋要高，如徹底關(guān)大橋發(fā)生了嚴(yán)重?fù)p傷［2］。鑒于斜交橋梁存在較高地震易損性，需對(duì)斜交橋進(jìn)行非線性時(shí)程分析，探討斜交橋梁地震響應(yīng)規(guī)律。

本文以一實(shí)際三跨斜交連續(xù)梁橋?yàn)槔?，考慮結(jié)構(gòu)材料非線性，并在橋墩潛在塑性鉸區(qū)采用集中塑性鉸來(lái)模擬橋墩進(jìn)入塑性階段的轉(zhuǎn)動(dòng)特性。通過(guò)改變斜交角（0°、15°、30°、45°和60°）來(lái)分析斜交連續(xù)梁橋抗震性能變化趨勢(shì)，并得到相關(guān)結(jié)論，可為斜交橋梁抗震設(shè)計(jì)提供參考意見(jiàn)。

2　有限元分析模型

2.1工程背景及模型建立

本文分析橋梁選自甘肅省內(nèi)某高速公路上一座三跨斜交連續(xù)梁橋，跨徑布置為3×25m，斜交角為30°。主梁由4片小箱梁組成，梁高1.4m，橋面總寬18.6m，采用C50混凝土。下部結(jié)構(gòu)采用三柱式橋墩，墩高5.4m，橋墩直徑為1.3m，混凝土采用C30，縱筋配筋率為1.2%，縱筋采用HRB335，箍筋形式為螺旋箍筋。全橋支座采用普通板式橡膠支座，型號(hào)為GYZ400×84。墩臺(tái)基礎(chǔ)均為群樁基礎(chǔ)，為簡(jiǎn)化計(jì)算，此處直接將墩底固結(jié)，不考慮樁土相互作用。橋址場(chǎng)地為Ⅱ類，地震設(shè)防烈度為Ⅷ度，基本地震動(dòng)加速度峰值0.2g。

采用Sap2000有限元軟件建立斜交連續(xù)梁橋分析模型，此處采用梁格法進(jìn)行建模。其中主梁采用線彈性梁?jiǎn)卧M，而地震作用下的橋墩可能進(jìn)入彈塑性階段，因此采用PMM纖維鉸來(lái)模擬橋墩的非線性轉(zhuǎn)動(dòng)。由于支座可能會(huì)發(fā)生滑動(dòng)，采用理想彈塑性模型來(lái)模擬支座的滑動(dòng)特性。同時(shí)，為考慮橋梁的碰撞效應(yīng)，在橋臺(tái)處縱向和橫向及橋墩處橫向均設(shè)置碰撞單元。橋梁有限元分析模型如圖1所示。

圖1　有限元分析模型

2.2支座模型

地震作用下，橋梁主梁與支座會(huì)發(fā)生相對(duì)位移，在計(jì)算模型中，板式橡膠支座采用非線性連接彈簧來(lái)模擬，通過(guò)定義的摩擦模型建立力-變形關(guān)系［3］，論文中采用庫(kù)倫摩擦模型，其臨界滑動(dòng)力Fcr與豎向力N之間的關(guān)系如式（1）。任一時(shí)刻支座受力狀態(tài)可通過(guò)圖2來(lái)判斷，支座滯回模型如圖3所示。

式中：μ為摩擦面的摩擦系數(shù)，具體取值可以參考文獻(xiàn)［4］；N為支座豎向力。

圖2　支座滑動(dòng)判斷準(zhǔn)則

圖3　支座滯回模型

2.3碰撞模型

碰撞是一個(gè)非常復(fù)雜的非線性問(wèn)題［5～7］，通常采用碰撞單元來(lái)模擬（Sap2000中提供的GAP單元）。碰撞過(guò)程通常包括兩種狀態(tài)：當(dāng)碰撞單元相對(duì)位移小于初始間隙時(shí)，碰撞不發(fā)生；當(dāng)碰撞單元相對(duì)位移大于初始間隙時(shí)，結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞現(xiàn)象。圖4為碰撞單元恢復(fù)力圖：

圖4　碰撞單元恢復(fù)力圖

對(duì)于橫橋向，主梁與橫向抗震擋塊的碰撞剛度值取5×106kN/m［8］，而橋臺(tái)與主梁的碰撞剛度值取主梁的軸向剛度值。

3　結(jié)果分析

為分析碰撞作用對(duì)斜交連續(xù)梁橋抗震性能的影響，對(duì)每一斜交角下連續(xù)梁橋分別建立考慮碰撞作用與不考慮碰撞作用的兩個(gè)有限元模型，并進(jìn)行結(jié)果對(duì)比分析。

3.1墩底彎矩

圖5為考慮碰撞與不考慮碰撞作用下，具有不同斜交角的斜交連續(xù)梁橋1#墩墩底縱橋向彎矩M33變化情況。顯然，考慮碰撞作用的模型分析結(jié)果要比不考慮碰撞作用的模型計(jì)算結(jié)果要大。同時(shí)，由于斜交角的存在，兩種計(jì)算模型下的墩底彎矩M33均隨斜交角的增加而增大。不考慮碰撞作用的模型的墩底彎矩M33隨斜交較增加明顯，幾乎成線性增加。而考慮碰撞作用的模型，在斜交角45°前，墩底彎矩M33增加較緩，在斜交角60°時(shí)，墩底彎矩M33顯著增加。說(shuō)明碰撞作用對(duì)斜交橋順橋向地震響應(yīng)有明顯影響。

圖5　1#墩底縱橋向彎矩M33

圖6為考慮碰撞與不考慮碰撞作用下，具有不同斜交角的斜交連續(xù)梁橋1#墩墩底橫橋向彎矩M22變化情況。與順橋向墩底彎矩一樣，考慮碰撞作用的模型分析結(jié)果要比不考慮碰撞作用的模型計(jì)算結(jié)果要大。但兩種模型下，墩底橫橋向彎矩M22并不隨斜交角的增加而增大。對(duì)于考慮碰撞作用的模型，墩底橫橋向彎矩M22先隨斜交角增加有個(gè)下降的趨勢(shì)，而在斜交角60°時(shí)有明顯的增加。而不考慮碰撞作用的模型，墩底橫橋向彎矩M22隨斜交角有較小的浮動(dòng)，變化范圍在10%以內(nèi)。說(shuō)明碰撞作用對(duì)斜交橋橫橋向地震響應(yīng)有明顯影響。

圖6　1#墩底橫橋向彎矩M22

綜上所述，碰撞作用對(duì)斜交連續(xù)梁橋有較大影響，在進(jìn)行斜交橋梁抗震設(shè)計(jì)及抗震性能評(píng)價(jià)時(shí)應(yīng)考慮橋梁縱橫橋向碰撞效應(yīng)。

3.2主梁轉(zhuǎn)角

支座的滑動(dòng)會(huì)增大上部結(jié)構(gòu)的位移，橋梁縱橫橋向的碰撞雖然在一定程度上起到限制主梁位移的作用，但也會(huì)因?yàn)榕鲎驳陌l(fā)生，導(dǎo)致斜交橋主梁會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。圖7為考慮碰撞與不考慮碰撞作用下，主梁轉(zhuǎn)動(dòng)弧度隨斜交角變化情況?？梢钥闯?，在不考慮碰撞作用時(shí)，斜交橋主梁位移主要表現(xiàn)為平動(dòng)，存在較小的轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)考慮碰撞作用后，主梁發(fā)生明顯轉(zhuǎn)動(dòng)，且隨著斜交角的增加，主梁的轉(zhuǎn)角有明顯增加，在斜交角大于30°以后，增加趨勢(shì)變緩。

圖7　主梁轉(zhuǎn)角

4　結(jié)論

論文采用非線性時(shí)程分析方法對(duì)具有不同斜交角的連續(xù)梁橋進(jìn)行了抗震性能分析，并討論了碰撞作用對(duì)斜交連續(xù)梁橋地震響應(yīng)的影響?？梢缘玫饺缦陆Y(jié)論：

1）由于斜交角的存在，斜交橋連續(xù)梁橋地震響應(yīng)較直線橋復(fù)雜，墩底縱橫橋向彎矩隨斜交角的增加具有不同的地震響應(yīng)。

2）碰撞作用的存在會(huì)明顯增大橋墩墩底的彎矩值，增加了下部結(jié)構(gòu)損傷的風(fēng)險(xiǎn)，斜交橋抗震設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮碰撞作用的影響。

3）斜交連續(xù)梁橋的碰撞作用是主梁產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的主要原因，且隨斜交角增加，主梁轉(zhuǎn)角會(huì)增加。在地震作用下，易發(fā)生主梁面內(nèi)旋轉(zhuǎn)、伸縮縫裝置損壞及橋面系擠壞等震害。

［1］Meng，JY，Lui，EM，GhasemiH.Analyticaland Experimental Study of a Skew Bridge Model［J］.Engineering Structures，2004，26（2）：1127-1142.

［2］ 陳樂(lè)生，莊衛(wèi)林，趙河清，等.汶川地震公路震害調(diào)查-橋梁［M］.北京：人民交通出版社，2012.

［3］ 莊衛(wèi)林，陳樂(lè)生.汶川地震公路震害分析-橋梁與隧道［M］.北京：人民交通出版社，2013.

［4］ 中華人民共和國(guó)行業(yè)推薦標(biāo)準(zhǔn).公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則（JTG/TBZ-01-2008）［S］.北京：人民交通出版社，2008.

［5］ 聶利英，李建中，范立礎(chǔ).地震作用下結(jié)構(gòu)碰撞的模型參數(shù)及其影響分析［J］.工程力學(xué)，2005，22（5）：142-147.

［6］ 徐略勤，李建中.擋塊對(duì)規(guī)則連續(xù)梁橋橫向地震反應(yīng)的影響［J］.公路交通科技，2013，30（4）：53-59.

［7］ 聶利英，范立礎(chǔ).地震作用下城市立交抗震擋塊防撞措施分析［J］.中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2006，19（3）：49-53.

［8］ 王軍文，李建中，范立礎(chǔ).非規(guī)則梁橋橫橋向地震碰撞反應(yīng)分析［J］.振動(dòng)與沖擊，2010，29（6）：25-30.

U442.5