王亮　李明輝　劉冠沖

摘要：隨著世界經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，世界各國(guó)都在致力于建立更加快速、便捷的陸路交通網(wǎng)絡(luò)。城市高架曲線梁橋因具有很好地克服地形、地物的限制，滿足路線整體線形的連續(xù)性的特點(diǎn)，在緩解城市交通起到至關(guān)重要的作用。作為交通樞紐中重要的組成部分，地震災(zāi)害發(fā)生時(shí)橋梁結(jié)構(gòu)一旦發(fā)生損壞，將加劇次生災(zāi)害發(fā)生，導(dǎo)致嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。由于曲線橋地震作用下動(dòng)力響應(yīng)的獨(dú)特性以及復(fù)雜型，在突發(fā)地震作用下，與直線橋梁相比，極易造成破壞，地震作用下主梁與橋墩連接較為薄弱，更多地發(fā)生橫、縱向位移，乃至最終落梁。在墳川地震、東日本大地震以及最近發(fā)生的熊本地震、厄瓜多爾地震中，震區(qū)大量的公路橋梁嚴(yán)重?fù)p毀，發(fā)生倒塌破壞。基于此，文章簡(jiǎn)要分析了強(qiáng)震作用下曲線連續(xù)梁橋碰撞響應(yīng)，以供參考。

關(guān)鍵詞：強(qiáng)震；曲線連續(xù)梁橋；碰撞響應(yīng)

引言

受山區(qū)地形、地貌和路線走向的影響，曲線梁橋被廣泛應(yīng)用于橋梁建設(shè)中。曲線梁橋相應(yīng)復(fù)雜特征使得曲線梁橋在強(qiáng)震下容易發(fā)生支座損壞、擋塊斷裂，甚至落梁等震害，如圣費(fèi)南多地震、汶川地震中均發(fā)生曲線梁橋落梁震害。目前在直線梁橋地震響應(yīng)方面，許多學(xué)者開(kāi)展了較為詳細(xì)的研究，已有的研究結(jié)果表明碰撞對(duì)結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)有很大的影響。在曲線梁橋地震響應(yīng)研究方面，王天利、李黎等研究了曲線梁橋在地震作用下的碰撞效應(yīng)，王天利對(duì)比分析了曲線匝道橋橋墩處和橋臺(tái)處伸縮縫的地震碰撞響應(yīng)的差距，研究發(fā)現(xiàn)取消橋臺(tái)處伸縮縫更有利于曲線梁橋的抗震；李黎采用非線性時(shí)程分析法研究了一座采用鉛芯橡膠支座的曲線梁橋，研究表明采用隔震支座可以明顯消耗碰撞過(guò)程中產(chǎn)生的能量。

1橋梁概況

某城市立交橋D匝道中橋橋段，D匝道中橋?yàn)榍拾霃綖?0m的曲線梁橋。該曲線匝道橋共有兩聯(lián)4跨、3道縫寬均為50mm的伸縮縫（50型伸縮縫）。為分析曲線梁橋在地震作用下的碰撞情況，保留原橋中的3道50型伸縮縫，并在兩端設(shè)置橋臺(tái)。

圖中的右側(cè)橋臺(tái)和①號(hào)橋墩之間為第1跨，①號(hào)橋墩與②號(hào)橋墩間為第2跨，②號(hào)橋墩與③號(hào)橋墩間為第3跨，③號(hào)橋墩和左側(cè)橋臺(tái)為第4跨。

2輸入地震動(dòng)

本文采用ABAQUS軟件建立有限元模型，采用隱式算法Newmark方法來(lái)進(jìn)行動(dòng)力方程求解。接觸碰撞過(guò)程是非線性問(wèn)題，對(duì)非線性動(dòng)力方程，采用修正Newton-Pophson迭代法。

本文建立的曲線梁橋模型有3個(gè)橋墩，根據(jù)規(guī)范要求應(yīng)分別沿①號(hào)橋墩與②號(hào)橋墩連線方向、②號(hào)橋墩與③號(hào)橋墩連線方向輸入地震動(dòng)。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，地震動(dòng)沿②號(hào)和③號(hào)橋墩連線方向輸入對(duì)曲線橋結(jié)構(gòu)碰撞的影響最大，因此，主要分析MEX00003波沿②號(hào)和③號(hào)橋墩連線方向輸入時(shí)曲線橋的碰撞響應(yīng)。

3強(qiáng)震作用下曲線連續(xù)梁橋碰撞響應(yīng)分析

3.1伸縮縫處碰撞力分析

輸入地震動(dòng)之后，當(dāng)相鄰結(jié)構(gòu)相對(duì)位移超過(guò)伸縮縫間距便發(fā)生碰撞。根據(jù)模型中接觸面的接觸設(shè)置，當(dāng)結(jié)構(gòu)未發(fā)生碰撞，碰撞力為0，一旦發(fā)生碰撞就會(huì)瞬間產(chǎn)生很大的碰撞力。碰撞力是將接觸面每個(gè)單元的接觸應(yīng)力進(jìn)行積分得到，即碰撞力是伸縮縫處接觸面發(fā)生碰撞的集中體現(xiàn)。

本節(jié)提取三個(gè)伸縮縫處的時(shí)程分析過(guò)程中的碰撞力，以確定主梁與主梁（橋臺(tái)）之間是否發(fā)生碰撞。由于多個(gè)時(shí)刻都存在碰撞力，即說(shuō)明三個(gè)伸縮縫處的相鄰結(jié)構(gòu)在地震作用下發(fā)生了多次碰撞。但不同伸縮縫的碰撞響應(yīng)差別很大，長(zhǎng)聯(lián)伸縮縫處發(fā)生碰撞（2.61s）是最早的，且是碰撞力最大的（16.45MN）。中間伸縮縫和短聯(lián)伸縮縫的碰撞主要發(fā)生在地震作用的中間時(shí)刻，中間伸縮縫碰撞力最小。

3.2伸縮縫接觸面的碰撞應(yīng)力分析

碰撞力是接觸面碰撞的整體表現(xiàn)，不能體現(xiàn)接觸面上具體的碰撞位置以及該位置對(duì)應(yīng)的碰撞應(yīng)力。相鄰結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞并不是整個(gè)接觸面上的所有單元都發(fā)生碰撞，而是局部發(fā)生碰撞。不同伸縮縫處發(fā)生碰撞的位置是不同的，短聯(lián)伸縮縫處是箱梁頂板與外側(cè)腹板交接處和橋臺(tái)發(fā)生碰撞；中間伸縮縫處是相鄰主梁的箱梁頂板外側(cè)發(fā)生碰撞；長(zhǎng)聯(lián)伸縮縫處是箱梁頂板與內(nèi)側(cè)腹板交接處和橋臺(tái)發(fā)生碰撞。雖然不同伸縮縫的最大碰撞力不同，但發(fā)生最大碰撞力的時(shí)刻與單元發(fā)生最大碰撞應(yīng)力的時(shí)刻基本一致。為進(jìn)一步確定不同節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力響應(yīng)，得到不同伸縮縫兩端節(jié)點(diǎn)碰撞應(yīng)力隨時(shí)間的變化圖，可以看出，3個(gè)伸縮縫的內(nèi)側(cè)和外側(cè)邊緣節(jié)點(diǎn)的碰撞響應(yīng)差異都很大，說(shuō)明曲線梁橋伸縮縫處發(fā)生偏心碰撞。

3.3伸縮縫相鄰結(jié)構(gòu)的損傷分析

曲線梁橋相鄰構(gòu)件之間的碰撞引起結(jié)構(gòu)的強(qiáng)烈振動(dòng)，由碰撞產(chǎn)生的碰撞力與結(jié)構(gòu)自身的慣性力相互作用，對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損傷破壞。損傷是地震作用下的累積破壞，通過(guò)分析最后時(shí)刻（t=50s）的壓縮損傷率n，n=0時(shí)表示沒(méi)有發(fā)生損傷，n=1時(shí)表示完全損傷，可見(jiàn)產(chǎn)生最大碰撞應(yīng)力的位置也是受壓損傷最嚴(yán)重的地方，這說(shuō)明碰撞部位瞬間產(chǎn)生巨大接觸壓力，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)有損傷破壞作用。長(zhǎng)聯(lián)橋臺(tái)處損傷最嚴(yán)重，最大損傷率接近n=0.5?？梢园l(fā)現(xiàn)中間伸縮縫處的短聯(lián)和長(zhǎng)聯(lián)的損傷部位存在差異，這是由于支座的約束條件不同導(dǎo)致。強(qiáng)震作用下主梁和滑動(dòng)支座可能發(fā)生分離，再加上曲線梁橋的扭轉(zhuǎn)作用，相鄰結(jié)構(gòu)易發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，引起結(jié)構(gòu)發(fā)生錯(cuò)動(dòng)碰撞。

3.4橋墩地震響應(yīng)分析

考慮碰撞響應(yīng)時(shí)墩頂位移有所增加，徑向位移增幅較大，這是因?yàn)榕鲎岔憫?yīng)加劇了主梁的扭轉(zhuǎn)，大幅增加了墩頂徑向位移。橋墩底部發(fā)生剪切破壞，是導(dǎo)致橋梁破壞的一個(gè)重要原因。提取每個(gè)橋墩的墩底徑向和切向剪力以及墩底彎矩。碰撞對(duì)墩底剪力和彎矩影響微小。這是因?yàn)榕鲎伯a(chǎn)生的碰撞力方向與慣性力方向相反，二者相互抵消一部分，再加上隔震支座的剪切變形作用，導(dǎo)致碰撞反應(yīng)對(duì)墩底剪力和彎矩的影響有限。

結(jié)論

分析發(fā)現(xiàn)強(qiáng)震作用下曲線梁橋極易發(fā)生碰撞，且碰撞瞬間產(chǎn)生很大的碰撞力，導(dǎo)致相鄰構(gòu)件損傷?？紤]碰撞響應(yīng)顯著增加了主梁的徑向位移，對(duì)墩頂位移和墩底扭矩也有明顯影響，進(jìn)一步加劇了橋墩的破壞。（1）相比接觸單元或梁一柱單元有限元模型，采用三維實(shí)體單元模型可以確定接觸面發(fā)生碰撞的具體位置以及相應(yīng)位置處的碰撞應(yīng)力，更能有效模擬分析曲線連續(xù)梁橋在地震作用下的不均勻碰撞效應(yīng)。（2）強(qiáng)震作用下曲線梁橋極易發(fā)生碰撞，碰撞瞬間產(chǎn)生很大的碰撞力，導(dǎo)致鋼筋混凝土構(gòu)件損傷。曲線梁橋相鄰結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞并不是整個(gè)接觸面上的所有單元都發(fā)生碰撞，而是局部發(fā)生碰撞。由于曲線橋彎扭耦合現(xiàn)象明顯，相鄰結(jié)構(gòu)易發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，引起結(jié)構(gòu)的錯(cuò)動(dòng)碰撞。受曲線梁橋支座類(lèi)型和主梁曲率的影響，各伸縮縫處產(chǎn)生最大碰撞力的位置是不同的，同一接觸面上不同節(jié)點(diǎn)發(fā)生碰撞的時(shí)間不同，碰撞應(yīng)力也有所區(qū)別。（3）碰撞產(chǎn)生的碰撞力與慣性力方向相反，對(duì)主梁、橋臺(tái)與橋墩頂部的切向位移有一定限制，所以考慮碰撞后切向位移增幅相比于徑向位移的增幅要小。但由于曲線梁橋的扭轉(zhuǎn)作用導(dǎo)致相鄰結(jié)構(gòu)易發(fā)生單側(cè)碰撞，單側(cè)碰撞引起主梁轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致墩底扭矩明顯增大。（4）在曲線梁橋抗震設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮碰撞響應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，并積極采取減輕碰撞響應(yīng)的措施。例如可以采用高阻尼橡膠減震支座，有效提高結(jié)構(gòu)安全性和抗震能力，明顯減小橋梁控制截面彎矩值和位移響應(yīng)，提高了橋梁的整體抗震性能。