作者簡介：

睢海濤（1987—），碩士，高級工程師，主要從事道路橋梁施工技術科研與教學工作。

摘要：文章利用OpenSees軟件對某連續(xù)剛構橋建立了有限元空間模型，分析動水作用下伸縮縫間的碰撞效應對連續(xù)剛構橋梁地震響應的影響。結果表明：動水作用下，主橋4#墩和5#墩的曲率發(fā)展顯著增長，碰撞效應能夠抑制墩底曲率的發(fā)展；動水作用促使全橋橋墩墩底剪力有所增加，考慮碰撞時引橋墩底剪力增長顯著，動水作用對伸縮縫處的碰撞力和碰撞次數影響有限。

關鍵詞：非線性時程分析；動水作用；碰撞效應；連續(xù)剛構橋

中圖分類號：U448.23文獻標識碼：A 29 098 4

0 引言

我國西南部地區(qū)地勢險峻，多深谷河流，連續(xù)剛構橋因施工方便、受力性能優(yōu)、跨越能力強，被大量運用在此類地區(qū)。由于西南部地區(qū)位于我國地震高發(fā)區(qū)域，地震會對橋梁的安全服役造成隱患。在地震作用下，跨越江河或者水庫的橋梁橋墩或基礎的振動會使周圍水域產生振動，從而影響結構的地震響應［1-2］。許多學者對深水橋梁動力響應做了相應研究，江輝等［3］探討了深水橋墩在波浪、海流作用下改變相應參數來研究橋墩地震響應的變化。鄭成成等［4］等研究了動水作用對大跨度懸索橋阻尼器減震效果的影響。馬婧等［5］對一座拉索減隔震支座的深水橋梁進行研究，并與摩擦擺支座隔振體系做了對比分析。

目前，針對考慮橋梁梁體及梁臺間碰撞的深水橋梁研究較少。為此，本文選取了西南地區(qū)某跨河高墩連續(xù)剛構橋工程實例為研究對象，考慮梁-梁、梁-橋臺碰撞和動水作用兩者耦合的情況，通過OpenSees軟件建立不同的橋梁結構分析模型，探討動水作用和梁-梁、梁-橋臺碰撞對此類橋梁地震響應的影響。

1 工程概況及有限元模型的建立

本算例為剛構-連續(xù)梁橋組合體系，實橋主跨為總跨190 m的連續(xù)剛構橋，引橋為3×25 m的連續(xù)梁橋。主橋墩及過渡墩截面形式為空心矩形截面，橋墩淹沒水中，最大淹沒深度為25 m，引橋采用實心圓形雙柱墩，橋墩編號詳見圖1。在OpenSees軟件建模中，主梁模擬采用彈性梁柱單元，墩柱采取了纖維截面來模擬，基于此充分考慮橋墩非線性特性。盆式支座的模擬則用理想彈塑性材料，參數取值根據橋梁抗規(guī)［6］查詢。梁-梁和梁-臺間的碰撞效應采用簡化后且具有更好適用性的雙線性的赫茲-阻尼［7］模型來模擬橋梁結構可能發(fā)生的碰撞行為。

2 天然地震波選擇

本文通過橋梁抗規(guī)生成算例橋梁的設計反應譜來選取天然地震波［8-9］，如表1所示為所選取的7條地震波詳細信息，加載方向為橋梁水平向。對序號為1～7的地震波進行調幅至0.4 g，阻尼模型采用阻尼比取值為5%的Rayleigh阻尼。

3 動水作用的模擬

地震作用下考慮動水效應多采用附加質量法，計算地震荷載作用下動水附加質量的方法很多，但各有其優(yōu)缺點。本文根據算例橋梁橋的墩構造形式，使用了楊萬理［9］基于線性輻射波浪法結果進行相應簡化后擬合出來的矩形墩及圓形墩截面的附加質量公式，具體公式如下：

4 橋梁的地震響應結果分析

4.1 橋墩非線性地震響應

根據上述所選地震波，選擇序號為1#～7#的實震記錄，為考慮水深對橋梁地震響應的變化，在有碰撞和無碰撞兩種情況下，水深變化區(qū)間取0～60 m，每級增加10 m。為了清晰反映出水深及梁-梁、梁-橋臺碰撞對橋梁地震響應的影響，本文引入了無量綱參數-動力放大系數，具體含義可見下式，即：

動力放大系數=

考慮碰撞效應與動水作用下橋墩響應絕對最值無碰撞及無水時橋墩響應絕對最值

動水作用下橋墩響應絕對最值無碰撞及無水時橋墩響應絕對最值

（3）

本文采用動力放大系數來表征動水作用和梁-梁、梁-橋臺碰撞兩者對橋梁地震響應的影響。為避免地震波的頻譜特性導致的離散性，采用7條地震波的響應均值來計算橋墩響應參數。

如下頁圖2～5所示為7條地震波作用下各橋墩動力響應均值的動力放大系數結果。除去3#過渡墩墩底彎矩略微增加外，其他橋墩墩底彎矩變化并不明顯。另外，3#過渡墩的墩頂位移有了些許增加，其他墩在考慮橋臺限位的情況下位移都明顯減小。動水作用顯著增加了主橋4#和5#墩的曲率，曲率放大系數分別為4.69和3.42，明顯增加了墩底塑性鉸的發(fā)展且提高橋墩的損傷程度，具體變化程度詳見下頁圖6和圖7。在考慮橋臺處的碰撞現(xiàn)象后，由于墩頂位移的限制，墩底曲率的增加逐漸緩和，碰撞現(xiàn)象對于主橋橋墩底的塑性鉸的發(fā)展起到抑制作用。

全橋橋墩墩底剪力在無碰撞情況下，水深的增加對主橋橋墩剪力起到了一定程度的放大作用，60 m水深時3#～5#墩的動力放大系數分別為1.40、1.32和1.21，但對于引橋橋墩影響卻并不明顯。在考慮動水作用和碰撞的情況下，1#～5#墩墩底剪力放大系數分別為1.31、1.97、1.47、1.54和1.46，碰撞和動水作用下都增加了墩底剪力的發(fā)展，因主引橋間的碰撞導致引橋2#墩的剪力增加最為明顯，具體變化情況見下頁圖8。從圖8可以看到，2#墩底剪力的增大時刻和碰撞力的發(fā)生時間有著良好的對應關系，梁間碰撞使得引橋墩底剪力增長顯著，這可能對引橋橋墩抗剪安全造成威脅。

4.2 各伸縮縫處動力響應分析

從圖9、圖10可以得知，按7條地震波的平均值結果來看，3#縫處的碰撞力最大，2#縫的碰撞力次之，1#縫的碰撞力最小。在動水作用下，其碰撞力峰值和碰撞次數變化并不明顯，動水作用對碰撞過程中產生的碰撞力和碰撞次數基本無影響，其主要取決于橋梁結構本身的固有動力特性以及地震波頻譜特性。

5 結語

本文應用OpenSees軟件對橋梁工程實例進行有限元建模，探討了地震荷載作用下動水作用和梁-梁、梁-橋臺碰撞對橋梁結構地震響應的影響，得出以下結論：

（1）動水作用對于主橋4#墩和5#墩的曲率發(fā)展影響顯著。水深由0 m增加60 m時，曲率放大倍數分別為4.69和3.42，但考慮橋臺的限位后，墩底曲率的發(fā)展受到抑制，曲率放大倍數顯著下降。

（2）考慮梁-梁、梁-橋臺碰撞時，3#過渡墩墩底彎矩略微增加，其他橋墩墩底彎矩變化并不明顯。3#過渡墩墩頂位移有了些許增加，其他墩在考慮橋臺限位的情況下位移都明顯減小。

（3）動水作用對引橋橋墩剪力增加情況影響不明顯，但對主橋橋墩而言都有一定的放大作用。梁間碰撞使得引橋墩底剪力增長顯著，這可能對引橋橋墩抗剪安全造成威脅。

（4）動水作用對伸縮縫處的碰撞力和碰撞次數影響有限，其主要取決于橋梁結構本身的固有動力特性以及地震波頻譜特性。

參考文獻

［1］魏 凱，袁萬城.深水高樁承臺基礎地震動水效應數值解析混合算法［J］.同濟大學學報（自然科學版），2013，41（3）：336-341，396.

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［3］江 輝，百曉宇，黃 磊，等.波浪、海流環(huán)境中跨海橋梁深水橋墩的地震響應特性［J］.鐵道學報，2019，41（3）：117-127.

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［9］楊萬理. 深水橋梁動水壓力分析方法研究［D］.成都：西南交通大學，2012.