閆 磊， 李青寧， 岳克峰， 趙花靜， 申紀(jì)偉， 王天利

(1.重慶三峽學(xué)院 土木工程學(xué)院，重慶 404100；2.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，西安 710055)

歷次破壞性巨大的地震中橋梁結(jié)構(gòu)的震害表明，梁體與限位裝置和鄰梁之間的碰撞是導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)局部損壞或落梁等震害發(fā)生的主要原因。一般情況下，橋梁結(jié)構(gòu)某兩聯(lián)、兩跨之間或者梁體與橋臺(tái)之間的動(dòng)力特性存在較大差別，相鄰橋跨或者梁體與橋臺(tái)在地震作用下會(huì)導(dǎo)致其上部結(jié)構(gòu)的不同步振動(dòng)，若伸縮縫處的預(yù)留距離小于相鄰梁體間的相對(duì)位移時(shí)，相鄰結(jié)構(gòu)便會(huì)產(chǎn)生碰撞現(xiàn)象。橋梁結(jié)構(gòu)之間一旦發(fā)生碰撞會(huì)使得梁體產(chǎn)生較大的沖擊作用[1-2]，以往的震害中因碰撞作用引起的伸縮縫破壞、主梁局部破壞、落梁、斷墩、支座破損、橋臺(tái)胸墻破損等震害屢見(jiàn)不鮮[3-4]。

已有研究表明，學(xué)者們對(duì)結(jié)構(gòu)碰撞問(wèn)題進(jìn)行了較深入的理論研究[5-6]。目前，對(duì)于碰撞問(wèn)題的研究方法主要有立體力法和接觸單元法[7-9]，立體力法是以經(jīng)典力學(xué)理論為基礎(chǔ)，結(jié)合動(dòng)量和能量守恒定律進(jìn)行分析，其優(yōu)點(diǎn)在于概念明確、易于理解，但該方法有一定缺陷，其只適合于計(jì)算碰撞時(shí)間較短，碰撞自由度及接觸位置較少的情況，且難以與商業(yè)有限元軟件結(jié)合使用。接觸單元法是在兩個(gè)接觸體之間設(shè)置接觸單元，當(dāng)兩個(gè)結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞時(shí)，接觸單元被激活，接觸單元參與計(jì)算，其具有計(jì)算精度較高且易于與有限元軟件結(jié)合的優(yōu)點(diǎn)。

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)碰撞響應(yīng)的理論與數(shù)值分析時(shí)，碰撞參數(shù)的選取具有一定的不確定性，不同的參數(shù)及計(jì)算方法會(huì)產(chǎn)生不同的計(jì)算結(jié)果[10-11]，因此有必要進(jìn)行地震作用下結(jié)構(gòu)的碰撞試驗(yàn)，為碰撞理論的研究提供試驗(yàn)依據(jù)。目前，針對(duì)結(jié)構(gòu)碰撞的試驗(yàn)研究還鮮有深入[12-13]，對(duì)于結(jié)構(gòu)在多維地震激勵(lì)下的碰撞試驗(yàn)研究更是未見(jiàn)涉獵。

結(jié)構(gòu)碰撞振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)苷鎸?shí)直觀地反映結(jié)構(gòu)間的碰撞現(xiàn)象，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)現(xiàn)象的觀察和數(shù)據(jù)分析，并結(jié)合相關(guān)理論，研究能夠合理反應(yīng)和模擬結(jié)構(gòu)實(shí)際碰撞的分析方法，是目前碰撞問(wèn)題的一個(gè)重要研究方向?；诖?，本文設(shè)計(jì)并制作四組結(jié)構(gòu)碰撞振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，分析了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的結(jié)果，并在此基礎(chǔ)上研究碰撞剛度、碰撞間隙、鄰梁質(zhì)量比、恢復(fù)系數(shù)等參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)碰撞響應(yīng)的影響。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 模型設(shè)計(jì)

目前，常見(jiàn)橋梁結(jié)構(gòu)如圖1所示，在進(jìn)行橋梁抗震設(shè)計(jì)時(shí)，常將伸縮縫兩側(cè)結(jié)構(gòu)視為獨(dú)立結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行研究，對(duì)于梁體與橋臺(tái)之間或梁體之間的伸縮縫簡(jiǎn)化成接觸單元進(jìn)行設(shè)計(jì)，圖2為常用橋梁結(jié)構(gòu)碰撞簡(jiǎn)化模型。

圖1 橋梁結(jié)構(gòu)

由于本試驗(yàn)旨在研究碰撞參數(shù)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)碰撞響應(yīng)的影響，故在模型試件的設(shè)計(jì)與制作過(guò)程中不考慮幾何相似關(guān)系。碰撞裝置制作材料采用鋼材，共制作四組不同尺寸的碰撞構(gòu)件，碰撞構(gòu)件分別由碰撞鐵塊、螺紋鋼、工字型鋼組成。1#碰撞構(gòu)件由5 cm×5 cm×15 cm鐵塊組成，2#碰撞構(gòu)件由10 cm×10 cm×25 cm鐵塊組成，1#碰撞構(gòu)件下側(cè)焊接Ф22 mm螺紋鋼筋，2#碰撞構(gòu)件下側(cè)焊接尺寸為100×68×4.5×7.6工字型鋼，1#碰撞構(gòu)件和2#碰撞構(gòu)件間分別設(shè)置初始碰撞間隙gp。四組碰撞構(gòu)件參數(shù)如表1所示。

圖2 碰撞簡(jiǎn)化模型

圖3 理論碰撞模型

表1 碰撞構(gòu)件參數(shù)表

根據(jù)以上預(yù)先設(shè)計(jì)的碰撞參數(shù)，設(shè)計(jì)出的碰撞模型如圖4所示。

1.2 輸入地震波及測(cè)點(diǎn)布置

為研究橋梁結(jié)構(gòu)在多維激勵(lì)下不同場(chǎng)地不同地震波強(qiáng)度對(duì)結(jié)構(gòu)的碰撞響應(yīng)影響，本試驗(yàn)在西安建筑科技大學(xué)三維六自由度振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行。加載地震波選取El-Centro波、LZ波作為輸入地震波，如圖5所示。試驗(yàn)中將原地震波加速度峰值分別調(diào)整為0.50g,0.75g,1.00g，三向輸入時(shí)地震波峰值按X∶Y∶Z=1.00∶0.85∶0.65進(jìn)行調(diào)整。

本試驗(yàn)在碰撞構(gòu)件上分別布置了加速度和應(yīng)變傳感器。其中加速度傳感器共布置8個(gè)，分別布置在1#和2#構(gòu)件的質(zhì)量塊上。應(yīng)變傳感器共布置8個(gè)，分別布置在碰撞鋼柱和工字鋼的底部。

(a) 碰撞模型理論示意

(b) 碰撞模型振動(dòng)臺(tái)布置

(a) El-Centro波

(b) 蘭州波

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 結(jié)構(gòu)最大碰撞力值研究

強(qiáng)烈地震作用下，橋梁結(jié)構(gòu)之間的相對(duì)位移超過(guò)其預(yù)設(shè)的初始間隙后會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)間產(chǎn)生碰撞現(xiàn)象。橋梁結(jié)構(gòu)間劇烈的碰撞作用會(huì)引起構(gòu)件的局部損環(huán)，甚至出現(xiàn)落梁等震害。橋梁結(jié)構(gòu)碰撞是一種高度的非線性力學(xué)行為，其不僅會(huì)引起接觸點(diǎn)的塑性變形、局部開(kāi)裂等，也會(huì)引起相鄰聯(lián)、跨的橋墩底部彎矩及剪力需求的改變。在進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)鄰梁間、橋臺(tái)與梁體間的防撞設(shè)計(jì)時(shí)最重要的就是要確定其最大碰撞力的大小。本試驗(yàn)忽略相似比設(shè)計(jì)，以四組碰撞構(gòu)件為基礎(chǔ)，研究了多維地震激勵(lì)下碰撞對(duì)結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響。表2給出了多維地震激勵(lì)下El-Centro波和蘭州波引起的結(jié)構(gòu)的最大碰撞力值，其中T1,T2分別代表1#,2#碰撞構(gòu)件的自振周期。

表2 最大碰撞力

由表2分析可知：

(1)隨著地震波輸入加速度峰值的增加，相鄰結(jié)構(gòu)間的碰撞力逐漸增加。地震波的輸入維度對(duì)結(jié)構(gòu)碰撞響應(yīng)有一定的影響，地震波的輸入維度越多，相鄰結(jié)構(gòu)間的碰撞力越大。

(2)碰撞組II的最大碰撞力均大于碰撞組I，說(shuō)明碰撞結(jié)構(gòu)的高度對(duì)碰撞力有較大的影響。對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)，相鄰聯(lián)或相鄰跨的橋墩越矮，結(jié)構(gòu)間的碰撞作用越小。

(3)兩種地震波輸入的結(jié)果都表明，碰撞組I的最大碰撞力與碰撞組III相比并無(wú)統(tǒng)一的規(guī)律，碰撞間隙的大小對(duì)結(jié)構(gòu)最大碰撞力的影響并不是一個(gè)確定的量。因此在確定橋梁結(jié)構(gòu)最優(yōu)碰撞間隙時(shí)，要綜合考慮結(jié)構(gòu)類型、場(chǎng)地類別、接觸剛度等因素。

(4)碰撞組IV的最大碰撞力均大于碰撞組I，分析原因是因?yàn)榕鲎步MIV的上部質(zhì)量差異較小，導(dǎo)致兩碰撞構(gòu)件自振特性差異性較第I組大，因而其在地震作用下碰撞效應(yīng)增強(qiáng)。故橋梁結(jié)構(gòu)中相鄰聯(lián)或者相鄰跨的自振周期差異性越大其碰撞響應(yīng)越大。

2.2 數(shù)值分析與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比研究

目前，常用的四種接觸碰撞模型分別為線彈性、Kelvin-Voigt、Hertz、Jan-Hertz-damp[14]，四種碰撞模型由彈簧及阻尼組成，碰撞模型的力學(xué)計(jì)算方法如下。

(1) 線彈性模型

當(dāng)相鄰結(jié)構(gòu)間相對(duì)位移超過(guò)初始間隙時(shí)，碰撞彈簧被激活，在碰撞過(guò)程中產(chǎn)生碰撞力。線彈性模型便于應(yīng)用，但未考慮碰撞過(guò)程中的能量損失。碰撞力的計(jì)算公式為

(1)

式中：d為相鄰結(jié)構(gòu)初始間距;U2-U1為相鄰結(jié)構(gòu)間相對(duì)位移;kl為碰撞剛度;F為相鄰結(jié)構(gòu)間的碰撞力。

(2) Kelvin-Voigt 模型

Kelvin-Voigt模型由彈簧和阻尼單元并聯(lián)而成，考慮碰撞過(guò)程中的能量損失，碰撞力的計(jì)算公式為

(2)

(3)

式中：kk為相鄰結(jié)構(gòu)的碰撞剛度;ck為黏滯阻尼系數(shù)；ξ為碰撞阻尼系數(shù)；e為碰撞恢復(fù)系數(shù)。

(3) Hertz模型

Hertz模型同樣在計(jì)算過(guò)程中沒(méi)有考慮碰撞過(guò)程中的能量損失，但碰撞彈簧是非線性的碰撞力計(jì)算公式為

(4)

式中：n為Hertz系數(shù)，一般取3/2;kk為相鄰結(jié)構(gòu)初始間距。

(4) Jan-Hertz-damp模型

Jan-Hertz-damp模型考慮接觸體在碰撞過(guò)程中的能量損失。該模型假定結(jié)構(gòu)在碰撞接觸過(guò)程中可能發(fā)生塑性變形和局部損傷；在碰撞分離階段，凝聚在相鄰結(jié)構(gòu)間的彈性應(yīng)變能進(jìn)行釋放。接觸過(guò)程中的碰撞力計(jì)算公式為

(5)

(6)

圖6給出了El-Centro波激勵(lì)下第IV組結(jié)構(gòu)X單向試驗(yàn)時(shí)的碰撞力的時(shí)程曲線，根據(jù)結(jié)構(gòu)最大碰撞力確定模型的碰撞恢復(fù)系數(shù)e為0.5。在此基礎(chǔ)上，采用Matlab軟件，嵌入四種碰撞單元，自編程序計(jì)算出四種碰撞單元的結(jié)構(gòu)碰撞參數(shù)如表3所示。

表3 碰撞結(jié)構(gòu)模型參數(shù)

試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算所得到的0.75g和1g時(shí)El-Centro波X向激勵(lì)后第IV組結(jié)構(gòu)的碰撞力的時(shí)程曲線如圖6所示。

從圖6分析可知，針對(duì)不同碰撞單元，均可以選擇合適的碰撞剛度模擬出與實(shí)際試驗(yàn)相同的最大碰撞力。由于線彈性和Hertz模型計(jì)算過(guò)程中不考慮結(jié)構(gòu)在碰撞過(guò)程中的能量耗散，故其兩種計(jì)算模型得到的碰撞次數(shù)較多，且碰撞時(shí)間間隔短，總體持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。當(dāng)碰撞單元采用Jan-Hertz-damp模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算時(shí)，其結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果最為接近，說(shuō)明結(jié)構(gòu)在碰撞過(guò)程中屬于彈塑性碰撞，碰撞恢復(fù)系數(shù)的選取也較為合理；同時(shí)，該模型在計(jì)算過(guò)程中由于判斷語(yǔ)句及求解語(yǔ)句相比其他單元更趨復(fù)雜，因此計(jì)算耗時(shí)較多。

(a) 0.75g

3 結(jié)構(gòu)碰撞影響參數(shù)分析

本節(jié)針對(duì)不同的結(jié)構(gòu)碰撞參數(shù)，以試驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)，選取常用的El-Centro波、蘭州波、Taft波、Chi-Chi波、Hollisters波作為輸入地震波。采用自編程分別計(jì)算地震作用下不同碰撞參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)碰撞響應(yīng)的影響。

3.1 碰撞剛度取值對(duì)結(jié)構(gòu)碰撞響應(yīng)的影響

在實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)中，相鄰梁體之間的碰撞經(jīng)常會(huì)引起梁體的脆性破壞或者落梁等震害，因此碰撞剛度的選取是否合適將直接影響著數(shù)值計(jì)算結(jié)果是否可以真實(shí)反映結(jié)構(gòu)的真實(shí)碰撞力，本節(jié)研究碰撞剛度的取值對(duì)結(jié)構(gòu)碰撞力的影響。

根據(jù)2.2節(jié)的研究結(jié)果，證明合理選取結(jié)構(gòu)的碰撞剛度等參數(shù)，可以真實(shí)的反應(yīng)結(jié)構(gòu)的最大碰撞力，且針對(duì)彈塑性碰撞結(jié)構(gòu)，合理的選取碰撞單元模型也是能否接近真實(shí)地反應(yīng)結(jié)構(gòu)碰撞響應(yīng)時(shí)程曲線的重要影響因素。由表3分析可知，不同加速度峰值時(shí)結(jié)構(gòu)的碰撞剛度取值不同，且無(wú)統(tǒng)一規(guī)律，但其基本上處于一個(gè)數(shù)量級(jí)上。

表4、表5為采用Jan-Hertz-damp模型，計(jì)算El-Centro波和蘭州波在0.75g單向激勵(lì)下不同碰撞剛度時(shí)的最大碰撞力計(jì)算結(jié)果。從表中數(shù)據(jù)可知，相同地震輸入加速度峰值時(shí)，碰撞剛度對(duì)最大碰撞力的計(jì)算結(jié)果影響較大?？傮w上講，當(dāng)相鄰結(jié)構(gòu)的其它參數(shù)確定時(shí)，碰撞單元的碰撞剛度越大，相鄰結(jié)構(gòu)間的碰撞力越大。當(dāng)碰撞剛度取值處于使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的最大碰撞與實(shí)際結(jié)構(gòu)比較接近的范圍時(shí)，最大碰撞力的變化較小；當(dāng)碰撞剛度與實(shí)際碰撞剛度相差較大時(shí)，計(jì)算出的碰撞力與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果相差較大。因此，對(duì)于碰撞結(jié)構(gòu)，碰撞單元?jiǎng)偠鹊娜≈凳欠窈线m，直接影響著計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確與否。

表4 EI-centro波激勵(lì)下最大碰撞力

表5 蘭州波激勵(lì)下最大碰撞力

以往，學(xué)者們對(duì)于關(guān)于碰撞剛度的取值問(wèn)題已進(jìn)行了較深入的研究。Van Mier等[15]對(duì)Hertz剛度的取值問(wèn)題進(jìn)行了深入研究，結(jié)果表明Hertz剛度宜取1.2×106～2.6×106kN/m3/2。禚一等[16]運(yùn)用接觸剛度理論，建立了等效的Kelvin撞擊模型碰撞剛度的確定方法，并給出適于城市梁橋地震碰撞反應(yīng)分析的值取值范圍為3×105～6×105kN/m。

以上試驗(yàn)均是基于混凝土結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的碰撞研究，對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)方面，Chau等[17]做了地震動(dòng)激勵(lì)下兩鋼塔碰撞的試驗(yàn)，并進(jìn)行數(shù)值模擬，得出線彈性模型、Kelvin-Voigt模型、Hertz模型、Jan-Hertz-damp的剛度取值分別為1.40×106kN/m,1.40×106kN/m,2.36×107kN/m3/2,9.90×107kN/m3/2。Zhu等[18]經(jīng)正弦波激勵(lì)下的橋梁主梁與橋臺(tái)碰撞試驗(yàn)和數(shù)值模擬，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出線彈性彈簧、Kelvin-Voigt模型、Hertz模型、Jan-Hertz-damp的剛度取值分別為1.547 4×102kN/m,1.547 4×102kN/m,4.15×103kN/m3/2,4.15×103kN/m3/2。

本文計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)?shù)玫脚c計(jì)算結(jié)果相同的最大撞擊力時(shí)，線彈性模型和Kelvin-Voigt模型的碰撞剛度取值明顯不同，這與以往研究結(jié)論[19]關(guān)于其取相同剛度的結(jié)論不盡相同。在實(shí)際的碰撞結(jié)構(gòu)模擬中，接觸剛度的取值導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不一定能真實(shí)反映結(jié)構(gòu)碰撞響應(yīng)，且不同地震波輸入時(shí)也有可能使得結(jié)構(gòu)的計(jì)算碰撞剛度的取值得到改變。

3.2 初始間隙對(duì)結(jié)構(gòu)碰撞響應(yīng)的影響

初始間隙是結(jié)構(gòu)間碰撞的一個(gè)重要影響因素，對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)的碰撞問(wèn)題，鄰聯(lián)或者相鄰梁體的相對(duì)位移超過(guò)碰撞單元的初始間隙時(shí)，梁體之間發(fā)生碰撞。在復(fù)雜的碰撞過(guò)程中，結(jié)構(gòu)的地震需求在不斷改變。本節(jié)針對(duì)不同的初始間隙，選取El-Centro波、Taft波、Chi-Chi波、Hollisters波，并將四種地震波加速度峰值調(diào)整為1.00g。以結(jié)構(gòu)組IV的相關(guān)計(jì)算參數(shù)為基礎(chǔ)，建立結(jié)構(gòu)碰撞模型，分別計(jì)算不同碰撞初始間隙與結(jié)構(gòu)的最大碰撞力的關(guān)系。計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

圖7 初始間隙對(duì)縱向碰撞力的影響

從圖7分析可知,不同地震波作用下，相鄰結(jié)構(gòu)的最大碰撞力受初始間隙的影響差異情況較大，不存在一個(gè)確定的初始間隙，能使得相鄰結(jié)構(gòu)產(chǎn)生最不利的碰撞力。因此，對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)，伸縮縫的初始間隙是一個(gè)不確定因素，應(yīng)針對(duì)不同結(jié)構(gòu)的不同抗震需求進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.3 結(jié)構(gòu)高度對(duì)結(jié)構(gòu)碰撞響應(yīng)的影響

由于地形條件限制，一般山區(qū)橋梁或者城市高架橋梁橋墩高度變化較大，因此研究墩高變化對(duì)伸縮縫處碰撞力的影響顯得尤為重要。本節(jié)以第IV組碰撞結(jié)構(gòu)為基本模型，選取碰撞剛度k=8.8×106N/m3/2，初始間隙為10 mm，碰撞結(jié)構(gòu)高度分別選取1 m,1.2 m,1.4 m,1.6 m,1.8 m,2.0 m，采用自編程序建立計(jì)算模型。分別選取El-centro波、Taft波、Chi-Chi波以及Hollisters波，將地震波峰值調(diào)整為1g，對(duì)模型進(jìn)行地震激勵(lì)，得到結(jié)構(gòu)的最大碰撞力及1#碰撞構(gòu)件底部的剪力如圖8和圖9所示。

圖8 不同結(jié)構(gòu)高度最大碰撞力

圖9 不同結(jié)構(gòu)高度最大剪力

圖8可知,總體上講，隨著結(jié)構(gòu)下部高度的增加，相鄰梁體間的碰撞力增大。由此可見(jiàn)，橋墩高度對(duì)梁體縱向碰撞力的影響較大。圖9可知：考慮碰撞效應(yīng)時(shí)，結(jié)構(gòu)底部剪力隨著下部結(jié)構(gòu)高度的增加而降低，說(shuō)明對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)，橋墩越矮，縱向碰撞引起的橋墩底部沖剪作用越明顯。

3.4 碰撞結(jié)構(gòu)質(zhì)量比對(duì)結(jié)構(gòu)碰撞響應(yīng)的影響

橋梁結(jié)構(gòu)在地震過(guò)程中，主梁由于其慣性力導(dǎo)致其在橋墩上方運(yùn)動(dòng)。然而慣性力的大小與其質(zhì)量密切相關(guān)，因此有必要研究相鄰結(jié)構(gòu)質(zhì)量對(duì)結(jié)構(gòu)碰撞力的影響。為研究相鄰結(jié)構(gòu)質(zhì)量對(duì)結(jié)構(gòu)碰撞力的影響，本節(jié)選取相鄰結(jié)構(gòu)的質(zhì)量比為1，2，3，4，5，6時(shí)相鄰結(jié)構(gòu)間的碰撞力大小變化情況。計(jì)算模型中碰撞剛度按照1.15×107N/m3/2，碰撞間隙按照10 mm設(shè)計(jì)，選取7.5.2節(jié)中的四種地震波，將地震波峰值調(diào)整為1g進(jìn)行計(jì)算。圖10和圖11為不同鄰梁質(zhì)量比時(shí)結(jié)構(gòu)的最大碰撞力。

圖10 質(zhì)量比對(duì)最大碰撞力影響

圖11 質(zhì)量比對(duì)最大剪力影響

從圖10和圖11分析可知,相鄰結(jié)構(gòu)之間的碰撞力隨其質(zhì)量比的增大而增大，結(jié)構(gòu)底部剪力的大小亦隨著相鄰結(jié)構(gòu)質(zhì)量比的增大而增大。質(zhì)量比最大的結(jié)構(gòu)的最大碰撞力是質(zhì)量比最小的最大碰撞力的14.79倍，質(zhì)量比最大的結(jié)構(gòu)的最大剪切力是質(zhì)量比最小的結(jié)構(gòu)的最大剪切力的5.3倍。說(shuō)明相鄰結(jié)構(gòu)的質(zhì)量比對(duì)結(jié)構(gòu)的碰撞響應(yīng)影響較大，實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量使相鄰結(jié)構(gòu)的質(zhì)量比相差較小。

3.5 恢復(fù)系數(shù)對(duì)碰撞響應(yīng)的影響

橋梁結(jié)構(gòu)碰撞過(guò)程中常伴有能量的損失，能量損失情況常用阻尼c的大小表示。以往研究結(jié)果證明，阻尼的大小與結(jié)構(gòu)碰撞的恢復(fù)系數(shù)e密切相關(guān)。為研究恢復(fù)系數(shù)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)碰撞響應(yīng)的影響情況，本節(jié)以碰撞結(jié)構(gòu)IV為基礎(chǔ)，建立碰撞模型，碰撞剛度取1.15×107N/m3/2，碰撞間隙按照10 mm，恢復(fù)系數(shù)分別取0.5～0.9。地震波仍然按照7.5.2節(jié)的四種地震波選取，峰值調(diào)整至1g。計(jì)算出的最大碰撞力隨恢復(fù)系數(shù)的變化情況如圖12和圖13。

圖12 不同恢復(fù)系數(shù)最大碰撞力

圖13 不同恢復(fù)系數(shù)最大剪力

從圖12和13分析可知，恢復(fù)系數(shù)對(duì)相鄰結(jié)構(gòu)間的最大碰撞力及結(jié)構(gòu)底部的剪力均具有較大的影響。隨著恢復(fù)系數(shù)的增大，結(jié)構(gòu)間的最大碰撞力及結(jié)構(gòu)底部剪力逐漸增大，對(duì)于不同地震波，其增大的幅度不盡相同。忽略結(jié)構(gòu)碰撞過(guò)程中的能量損失，將不能真實(shí)反應(yīng)結(jié)構(gòu)間的最大碰撞力及結(jié)構(gòu)底部剪力等效應(yīng)，往往會(huì)過(guò)高估計(jì)相鄰結(jié)構(gòu)的最大碰撞力，引起材料的不必要浪費(fèi)。因此，在進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量在伸縮縫處設(shè)置高阻尼材料，達(dá)到增大結(jié)構(gòu)阻尼，提高在鄰梁碰撞過(guò)程中的能量損失。

4 結(jié) 論

本文進(jìn)行了多維激勵(lì)下相鄰結(jié)構(gòu)的碰撞振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)研究，在此基礎(chǔ)上分析了結(jié)構(gòu)的碰撞參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)碰撞響應(yīng)的影響。得到以下結(jié)論：

(1) 地震波的輸入烈度以及輸入維度對(duì)相鄰結(jié)構(gòu)間的碰撞力影響較大，烈度越大，維度越多，相鄰結(jié)構(gòu)的碰撞力越大。

(2) 四種碰撞單元均可以模擬出結(jié)構(gòu)的碰撞效應(yīng)，但Jan-Hertz-damp模型的計(jì)算精度最高，宜在碰撞計(jì)算中盡量選用。碰撞模型中接觸剛度的取值導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不一定能真實(shí)反映結(jié)構(gòu)碰撞響應(yīng)，且不同地震波輸入時(shí)也有可能使得結(jié)構(gòu)的計(jì)算碰撞剛度的取值得到改變，因此在實(shí)際結(jié)構(gòu)的碰撞模擬中，準(zhǔn)確選擇碰撞剛度尤為重要。

(3) 橋墩的高度對(duì)相鄰梁體間碰撞力影響較大，橋墩越高，相鄰梁體間的碰撞力越大，但是墩底剪力卻與之相反。因此，實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須選擇一個(gè)最優(yōu)橋墩高度，確保相鄰結(jié)構(gòu)碰撞力和墩底剪力相匹配，最大限度發(fā)揮結(jié)構(gòu)中的材料性能。

(4) 碰撞間隙的大小對(duì)結(jié)構(gòu)最大碰撞力的影響并不是一個(gè)確定的量，在確定橋梁結(jié)構(gòu)最宜碰撞間隙時(shí)，要綜合考慮結(jié)構(gòu)類型、場(chǎng)地類別、接觸單元?jiǎng)偠鹊纫蛩亍?/p>

(5) 相鄰結(jié)構(gòu)之間的碰撞力隨其質(zhì)量比的增大而增大，結(jié)構(gòu)底部剪力的大小亦隨著相鄰結(jié)構(gòu)質(zhì)量比的增大而增大，實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量嚴(yán)格控制相鄰跨或者相鄰聯(lián)的質(zhì)量差異。

(6) 恢復(fù)系數(shù)的取值是否合適，將會(huì)影響到結(jié)構(gòu)碰撞計(jì)算的準(zhǔn)確性。隨著恢復(fù)系數(shù)的增大，結(jié)構(gòu)間的最大碰撞力及結(jié)構(gòu)底部剪力逐漸增大，對(duì)于不同地震波，其增大的幅度不盡相同。因此，在進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量在伸縮縫處設(shè)置高阻尼材料，增大結(jié)構(gòu)阻尼，提高鄰梁在碰撞過(guò)程中的能量損失。