作者簡(jiǎn)介：李孟博（1991—），工程師，主要從事公路橋梁設(shè)計(jì)、施工工作。

摘要：文章選取一座三跨簡(jiǎn)支梁橋工程為算例，通過(guò)建立橋梁空間非線(xiàn)性模型來(lái)探討不同類(lèi)型地震波作用及碰撞效應(yīng)對(duì)橋梁動(dòng)力響應(yīng)的影響，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了相應(yīng)的減隔震分析。研究表明：三種類(lèi)型地震動(dòng)作用下，近場(chǎng)脈沖型地震動(dòng)產(chǎn)生的橋墩響應(yīng)最大，其次是普通地震動(dòng)，最小的為遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)；近場(chǎng)脈沖型地震動(dòng)趨向產(chǎn)生更大的碰撞力及更多的碰撞次數(shù)；安裝拉索連梁裝置的各伸縮縫碰撞效應(yīng)在9條地震波作用下，碰撞力受到了明顯的有效控制，碰撞次數(shù)小幅下降。

關(guān)鍵詞：近遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)；非線(xiàn)性時(shí)程響應(yīng)分析；碰撞效應(yīng)；多跨簡(jiǎn)支梁橋

中圖分類(lèi)號(hào)：U442.5⁺5

0 引言

隨著國(guó)內(nèi)公路橋梁建設(shè)的飛速發(fā)展，橋梁數(shù)量愈來(lái)愈多，作為占比最高的簡(jiǎn)支梁橋，其在地震下的抗震性能也開(kāi)始受到廣泛關(guān)注。李俠^[1]利用Midas軟件建立了一鐵路簡(jiǎn)支梁橋模型，采用不同減隔震措施并探討其應(yīng)用效果。余小晴等^[2]通過(guò)IDA分析方法對(duì)連續(xù)梁橋和簡(jiǎn)支梁橋進(jìn)行研究，分析不同支座滑動(dòng)摩擦系數(shù)對(duì)橋梁抗震性能的影響。楊孟剛等^[3]采用Abaqus軟件對(duì)高鐵簡(jiǎn)支梁橋進(jìn)行建模，探究不同橫向減震措施的減震效果，綜合比選后認(rèn)為減震榫的減震體系最佳。岳偉勤等^[4]利用ANSYS剪力簡(jiǎn)支梁橋的彈塑性模型來(lái)探討脈沖型地震動(dòng)與非脈沖地震動(dòng)搭接長(zhǎng)度的需求變化。王春陽(yáng)等^[5]以墩高變化的簡(jiǎn)支梁橋建立重力式橋墩單墩抗震模型來(lái)研究水平地震力的計(jì)算方法，結(jié)果表明靜力法計(jì)算值偏小，最好采用動(dòng)力法進(jìn)行計(jì)算。瞿發(fā)憲等^[6]利用OpenSees軟件建立簡(jiǎn)支梁橋模型并采取不同的抗震加固措施，研究不同方案對(duì)橋梁抗震性能的提高效果。張西丁^[7]通過(guò)改變橋墩剛度來(lái)分析橋墩剛度與減隔震剛度之比對(duì)隔震簡(jiǎn)支梁橋抗震性能的影響，并分析了不同場(chǎng)地烈度下減震效果的變化。潘哲^[8]等結(jié)合橋梁抗震規(guī)范研究主余震下簡(jiǎn)支梁橋板式橡膠支座的殘余位移情況，結(jié)果表明主余震會(huì)增加板式橡膠支座損傷，降低橋梁的運(yùn)營(yíng)時(shí)長(zhǎng)。甘露^[9]以高烈度簡(jiǎn)支梁橋?yàn)楸尘把芯坎煌瑴p隔震體系帶來(lái)的減震效果，結(jié)果表明高阻尼橡膠支座最為全面有效。

盡管關(guān)于簡(jiǎn)支梁橋的抗震性能已有相當(dāng)程度的研究，但對(duì)不同地震動(dòng)類(lèi)型和簡(jiǎn)支梁橋的梁間以及臺(tái)間碰撞的研究還比較少。因此本文以某三跨簡(jiǎn)支梁橋工程為實(shí)例，在對(duì)橋梁進(jìn)行精細(xì)化有限元建模的基礎(chǔ)上，研究了碰撞效應(yīng)對(duì)橋梁動(dòng)力響應(yīng)的改變，以及不同地震波下碰撞效應(yīng)的變化，并探討了相應(yīng)有效的減隔震措施。

1 算例簡(jiǎn)介及有限元建模

某單跨跨徑30 m的三跨簡(jiǎn)支梁橋，1^#及2^#橋墩高度分別為9 m和13 m。橋墩形式為直徑1.6 m的雙柱式橋墩，橋墩上支座為板式橡膠支座，橋臺(tái)支座為聚四氟乙烯滑板支座，梁間及臺(tái)梁間伸縮縫間隙為8 cm。

采用OpenSees軟件建立橋梁計(jì)算模型，模型中主梁采用彈性梁柱單元模擬，墩柱采取了基于力的非線(xiàn)性梁柱單元及纖維截面來(lái)模擬其非線(xiàn)性特性，板式支座及滑板式支座的模擬參數(shù)根據(jù)文獻(xiàn)^[10]進(jìn)行計(jì)算，橋臺(tái)及樁基礎(chǔ)采用固結(jié)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理；梁間及梁臺(tái)間的碰撞效應(yīng)采用雙線(xiàn)形Hertz-damp^[11]模型模擬，全橋有限元模型如圖1所示。

2 天然地震波輸入

近場(chǎng)脈沖型地震波、遠(yuǎn)場(chǎng)地震波采用文獻(xiàn)^[12-13]所述方法各選取3條，另外選取3條普通地震動(dòng)作為對(duì)比，地震動(dòng)一共9條。選取原則為通過(guò)設(shè)計(jì)的橋梁場(chǎng)地參數(shù)及橋梁抗震規(guī)范來(lái)生成算例橋梁的目標(biāo)反應(yīng)譜，運(yùn)用譜兼容原則^[14]來(lái)減少地震波的離散性。具體地震動(dòng)信息如表1～3所示，反應(yīng)譜和設(shè)計(jì)反應(yīng)譜匹配情況見(jiàn)圖2，可以看出在五階周期內(nèi)段匹配情況良好。地震波調(diào)幅至0.4 g并沿著縱橋向加載，由于篇幅所限，后頁(yè)圖3僅給出了天然地震波調(diào)幅之后的具體時(shí)程曲線(xiàn)。阻尼模型采用取值為5%的瑞利阻尼。

3 橋梁的動(dòng)力響應(yīng)結(jié)果分析

3.1 橋墩非線(xiàn)性動(dòng)力響應(yīng)

根據(jù)上述所選的9條地震動(dòng)，為研究碰撞效應(yīng)及不同類(lèi)型地震動(dòng)對(duì)橋梁地震響應(yīng)的變化，將模型分為有碰撞和無(wú)碰撞兩種情況。按照規(guī)范要求以及算例的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選取1^#及2^#橋墩作為研究對(duì)象。

表4及表5為1^#和2^#橋墩在有碰撞和無(wú)碰撞兩種情況下的動(dòng)力響應(yīng)，由表可知，在三種類(lèi)型地震動(dòng)作用下，近場(chǎng)脈沖型地震動(dòng)產(chǎn)生的橋墩響應(yīng)最大，其次是普通地震動(dòng)，最小的為遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)。考慮碰撞效應(yīng)后，三種類(lèi)型地震動(dòng)下，1^#和2^#橋墩墩底的剪力、彎矩以及墩頂位移都呈現(xiàn)不同幅度的降低。以三種類(lèi)型地震動(dòng)響應(yīng)最值為例，NO.1地震動(dòng)作用下，1^#橋墩墩底彎矩、剪力、墩頂位移由7 648.67 kN·m、1 019.55 kN、0.106 3 m降低至7 212.07 kN·m、943.091 kN、0.072 7 m，分別減少了9.6%、3.1%、65.5%。在NO.4地震動(dòng)作用下，2^#橋墩墩底彎矩、剪力、墩頂位移由8 219.78 kN·m、761.809 kN、0.286 5 m降低至7 416.58 kN·m、753 kN、0.137 1 m，分別減少了9.7%、1.1%、52.1%。其余大部分地震動(dòng)情況與上述類(lèi)似，值得注意的是遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)無(wú)論考慮碰撞情況與否，其橋墩響應(yīng)值基本無(wú)變化，這是因?yàn)檫h(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)尚未引起梁間的碰撞，所以對(duì)橋墩內(nèi)力基本無(wú)影響。同時(shí)，遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)較近場(chǎng)脈沖型地震動(dòng)和普通地震動(dòng)所引起的橋梁動(dòng)力響應(yīng)小，而近場(chǎng)脈沖型地震動(dòng)引起的橋墩動(dòng)力響應(yīng)最為劇烈。但考慮碰撞時(shí)，地震動(dòng)也不全是對(duì)橋梁動(dòng)力響應(yīng)的削弱，比如NO.2、NO.4、NO.8、NO.9地震動(dòng)對(duì)1^#和2^#橋墩響應(yīng)有不同程度的增大，這種情況主要與橋梁自身頻譜和地震動(dòng)的頻譜特性密切相關(guān)，NO.5地震動(dòng)作用下，2^#橋墩的墩底剪力由866.79 kN增加到1 544.79 kN，增長(zhǎng)率達(dá)到78.2%，主要原因是因?yàn)榱洪g的碰撞引起的墩底剪力劇增。具體情況可參考圖4及圖5，可以看出最大碰撞力發(fā)生時(shí)刻和剪力時(shí)程圖突增時(shí)刻完全吻合，在實(shí)際情況時(shí)須引起重視，以防瞬時(shí)增長(zhǎng)的剪力引起橋墩的剪切破壞。

3.2 不同類(lèi)型地震動(dòng)碰撞效應(yīng)結(jié)果

圖6及圖7為1^#伸縮縫到3^#伸縮縫在不同類(lèi)型地震動(dòng)作用下的碰撞力和碰撞次數(shù)情況，在NO.1～NO.3的普通地震動(dòng)作用下碰撞次數(shù)和碰撞力偏少，而遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)基本無(wú)碰撞效應(yīng)的產(chǎn)生，近場(chǎng)脈沖地震動(dòng)則趨向產(chǎn)生更大的碰撞力及更多的碰撞次數(shù)。在對(duì)近斷層橋梁進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，面對(duì)這種情況需要有相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施，以防止過(guò)大的碰撞力和過(guò)于頻繁的碰撞次數(shù)造成梁端破損、橋臺(tái)滑移甚至是落梁、橋梁傾覆等危險(xiǎn)情況。

4 近遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)作用下橋梁的減隔震措施

針對(duì)減隔震措施的造價(jià)成本、施工難易程度，針對(duì)上文的分析發(fā)現(xiàn)近斷層的地震動(dòng)帶來(lái)的碰撞效應(yīng)比較嚴(yán)重，是首要解決的問(wèn)題，本文采取連梁拉索裝置來(lái)探討橋梁的減震效果。拉索連梁裝置參數(shù)可參考文獻(xiàn)^[15]，拉索材料采用預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)，安裝位置位于主梁和蓋梁之間以及主梁和橋臺(tái)之間，其本構(gòu)關(guān)系如圖8所示，安裝拉索連梁裝置的各伸縮縫碰撞情況如圖9及下頁(yè)圖10所示。

由圖9、圖10可知，安裝拉索連梁裝置后，碰撞力得到了有效控制，碰撞次數(shù)有所減少，但不明顯。比如三條普通地震動(dòng)作用下，1^#伸縮峰的峰值碰撞力由7 331 kN、6 912 kN、7 591 kN全部降到0 kN，說(shuō)明拉索連梁裝置對(duì)梁間碰撞以及橋臺(tái)主梁間的碰撞起到了有效控制，在實(shí)際工程中可采用拉索連梁裝置來(lái)防止過(guò)大的碰撞力。

5 結(jié)語(yǔ)

本文考慮了不同類(lèi)型地震動(dòng)作用下橋梁結(jié)構(gòu)的非線(xiàn)性特性以及碰撞過(guò)程的非線(xiàn)性特性，探討了碰撞效應(yīng)在三種不同類(lèi)型地震動(dòng)作用下對(duì)全橋動(dòng)力響應(yīng)的影響，且針對(duì)碰撞情況探討了一些減隔震措施，主要得到以下結(jié)論：

（1）三種類(lèi)型地震動(dòng)作用下、近場(chǎng)脈沖型地震動(dòng)產(chǎn)生的橋墩響應(yīng)最大，其次是普通地震動(dòng)，最小的為遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)，考慮碰撞效應(yīng)后，三種類(lèi)型地震動(dòng)作用下，1^#和2^#橋墩墩底的剪力、彎矩以及墩頂位移都呈現(xiàn)不同幅度的降低。

（2）碰撞效應(yīng)可能使橋墩剪力迅速增大，原因是橋墩上伸縮縫間的碰撞力增加了橋墩所承受的水平力，這一點(diǎn)需要在抗震設(shè)計(jì)中做好相應(yīng)措施來(lái)防止橋墩的剪切破壞。

（3）普通地震動(dòng)作用下碰撞次數(shù)和碰撞力偏少，而遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)基本無(wú)碰撞效應(yīng)的產(chǎn)生，近場(chǎng)脈沖地震動(dòng)則趨向產(chǎn)生更大的碰撞力及更多的碰撞次數(shù)。安裝拉索連梁裝置后的各伸縮縫，在9條地震動(dòng)作用下，碰撞力得到了有效的控制，碰撞次數(shù)有所減少，但并不顯著。

參考文獻(xiàn)：

[1]李 俠.近斷層高烈度地震區(qū)鐵路簡(jiǎn)支梁橋減隔震方案研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2023，67（6）：93-98.

[2]余小晴，吳 剛，吳必濤.板式橡膠支座摩擦性能對(duì)中小跨徑梁橋地震響應(yīng)影響分析[J].公路，2023，68（5）：176-182.

[3]楊孟剛，栗夢(mèng)成，胡尚韜.考慮地震滑沖效應(yīng)的高鐵簡(jiǎn)支梁橋橫向減震體系研究[J].振動(dòng)與沖擊，2023，42（7）：312-320.

[4]岳偉勤，師新虎，張來(lái)福，等.近場(chǎng)地震下簡(jiǎn)支梁橋搭接長(zhǎng)度需求分析[J].世界地震工程，2023，39（13）：125-137.

[5]王春陽(yáng)，劉正楠，張永亮，等.設(shè)計(jì)地震下鐵路簡(jiǎn)支梁橋支座水平地震力計(jì)算方法研究[J].地震工程學(xué)報(bào)，2022，44（7）：270-275，284.

[6]瞿發(fā)憲，韓璐璐，鄧旭東.基于地震易損性的既有簡(jiǎn)支梁橋抗震加固方案[J].四川建筑，2021，41（2）：171-172.

[7]張西丁.基于剛度比的簡(jiǎn)支梁橋減隔震適用范圍研究[J].公路與汽運(yùn)，2021（6）：122-126.

[8]潘 哲.地震序列作用下板式橡膠支座簡(jiǎn)支梁橋響應(yīng)特點(diǎn)研究[J].城市道橋與防洪，2021（8）：271-274，290，M0025.

[9]甘 露.高烈度強(qiáng)震區(qū)典型公路簡(jiǎn)支梁合理減隔震體系分析[J].城市道橋與防洪，2021（6）：90-94.

[10]JTG/T 2231-01-2020，公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[11]Muthukumar S.A Contact Element Approach with Hysteresis Damping for the Analysis and Design of Pounding in Bridges[J].Georgia Institute of Technology，2003（11）：1-240.

[12]Abrahamson，Somerville. Effects of the hanging wall and foot wall on ground motions recorded during the Northridge earthquake[J].Bull Seism Soc Amer，1996，86（1B）：93-99.

[13]Liao W I，Loh C H，Wans，et al.Dynamic responses of bridges subjected to near-fault ground motions[J].Journal of the Chinese lnstitute of Engineers，2000，23（4）：455-464.

[14]PEER，Technical report for the PEER ground motion database web application.Pacific Earthquake Engineering Research Center[R].Berkeley：University of California，2010.

[15]崔 靜.無(wú)阻尼縱橋向限位裝置的計(jì)算與設(shè)計(jì)[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2010.