斜拉橋與引橋地震碰撞影響因素研究

張文學，王景景，鮑 艷

(北京工業大學 建筑工程學院，北京 100124)

隨著經濟的發展，人們對交通線的依賴性越來越強，一旦地震使交通線遭到破壞，可能導致的生命財產損失以及間接經濟損失非常巨大。幾次大地震一再顯示了橋梁工程破壞的嚴重后果，也一再表明橋梁抗震研究的重要性[1－3]。雖然專家學者對斜拉橋的抗震問題進行了大量的研究，但目前關于斜拉橋抗震研究多以斜拉橋為研究對象，關于斜拉橋與引橋之間碰撞問題的研究較少。由斜拉橋與其引橋動力特性相差較大，在縱向地震作用下有導致發生非同向振動的可能，造成主橋與其引橋伸縮縫處相鄰梁體的碰撞和較大的梁體相對位移，導致伸縮縫破壞和落梁[4－7]。如日本阪神地震中西宮港大橋與主橋相鄰引橋發生落梁，汶川地震引起了紫坪鋪水庫大橋引橋落梁。過去對這一現象研究不夠深入，而現行的抗震設計規范對此沒也有明確規定，因此有必要對主橋與引橋之間的碰撞效應進行系統研究，分析相關參數對斜拉橋主橋與引橋之間碰撞效應的影響，以便為斜拉橋的抗震設計提供參考。

1 工程背景及分析模型

以某九江大橋為分析對象，橋梁分析模型跨徑組合為5×50 m等截面預應力砼連續箱梁+(70+75+84+818+233.5+124.5)m雙塔鋼箱梁斜拉橋+5×50 m等截面預應力砼連續箱梁，伸縮縫采用D1600型。采用sap2000軟件，利用空間梁單元模擬主梁、主塔和墩柱，其中主梁采用單梁式力學模型，斜拉索采用空間桁架單元，考慮拉索垂度效應和恒載作用對結構剛度的影響，采Ernst公式修正拉索彈性模量。引橋中離主橋較近的中墩為固定墩，其余為縱橋向滑動、橫橋向固定，有限元計算模型如圖1所示。

分析時結構的阻尼比取為5%，為模擬主橋與引橋之間的碰撞效應，在伸縮縫處采用如圖2所示的接觸單元。接觸單元的非線性力－位移關系為:

式中:d0為伸縮縫初始間隙，根據工程具體情況計算中取伸縮縫的初始間隙為80 cm;xs為伸縮縫處相鄰梁體的相對位移;k為接觸剛度，根據相關文獻的研究成果，并考慮到本分析模型中引橋長度達250 m，因此分析 k 取0.5 倍引橋箱梁軸向剛度[8－10]。

碰撞過程中的能量損失采用阻尼器模擬，其阻尼的大小與碰撞過程的恢復系數e有關，本分析中取e=0.65，根據恢復系數e和公式(2)計算阻尼器參數，式中m1和m2分別為伸縮縫相鄰梁體的質量。

圖1 結構模型Fig.1 Structure mode

圖2 伸縮縫模型Fig.2 Expansion joint mode

為使分析更具代表性，對不同場地類型分別選取了如表1所示的各典型地震波作為地震輸入，調幅后的加速度峰值為0.60 g。

2 斜拉橋碰撞影響因素分析

以表1所列不同場地地震波作為縱向地震動輸入，詳細分析了場地類型、斜拉橋重心高度和引橋結構形式因素對斜拉橋主橋與引橋之間碰撞影響情況分析如下。以下分析數據均為每類場地3條波的平均值。

2.1 場地類型的影響

為使分析更具有代表性，通過改變下塔柱高度h1，而保持上塔柱高度h2=h－h1不變的方式，分別取斜拉橋下塔柱與總塔高之比(以下簡稱重心高度)h1/h為1/15、3/15、5/15進行建模，分析場地類型對斜拉橋與引橋之間碰撞的影響，分析結果如圖3所示，由此可知:

(1)場地類型對斜拉橋與引橋之間的碰撞響應有較大的影響。在Ⅱ、Ⅲ類場地條件下，考慮碰撞后引橋固定墩墩底彎矩比沒考慮碰撞時有較大幅度的增加，最大增加幅度達90%以上。而在Ⅰ、Ⅳ類場地條件下考慮碰撞后引橋固定墩墩底彎矩比沒考慮碰撞時有所降低，降低幅度不到30%。

(2)在Ⅰ、Ⅱ和Ⅳ場地條件下，碰撞對斜拉橋主塔塔底彎矩響應有所影響，但影響幅度較小，在±10%左右。而在Ⅲ類場地條件下，考慮碰撞后主塔塔底彎矩響應比沒考慮碰撞有所降低，降低幅度在30%以內。

(3)考慮碰撞后斜拉橋與引橋伸縮縫處的相對位移明顯降低，且降低幅度受場地類型影響較大，Ⅰ類場地條件下降低幅度為10% ～20%，而在Ⅳ類場地條件下最大降低幅度達70%以上。

(4)場地類型對斜拉橋與引橋之間的碰撞力有較大影響，在Ⅰ、Ⅳ場地條件下碰撞力相對較小，而在Ⅱ、Ⅲ類場地條件下碰撞力明顯增加。Ⅱ、Ⅲ類場地條件下碰撞力約為Ⅰ、Ⅳ場地條件下碰撞力的6倍左右。

表1 典型地震波Tab.1 Typical earthquake wave

圖3 場地類型對碰撞的影響Fig.3 Impacting influence of site-type

圖4 斜拉橋重心高度對碰撞響應的影響Fig.4 Impacting influence of gravity center high

圖5 引橋結構形式對碰撞的影響Fig.5 Impacting influence of approach-bridge structure form

2.2 重心高度的影響

為分析斜拉橋重心高度對其與引橋之間碰撞的影響情況，分別取斜拉橋下塔柱高度與總塔高之比h1/h為1/15～5/15，對不同場地類型條件下斜拉橋與引橋之間的碰撞響應進行了詳細的分析，分析結果如圖4所示。由此可知:

(1)重心高度對斜拉橋與引橋之間的碰撞響應有一定影響。在相同場地類型條件下，隨著h1/h的不同，考慮碰撞時引橋固定墩墩底彎矩與沒考慮碰撞時引橋固定墩墩底彎矩之比的變化幅度高達40%;考慮碰撞時斜拉橋塔底彎矩與沒考慮碰撞時塔底彎矩之比的變化幅度高達30%。

(2)在不同的場地類型條件下，考慮碰撞與沒考慮碰撞引橋固定墩墩底彎矩之比及斜拉橋塔底彎矩之比受h1/h的影響程度存在較大差異。

(3)在相同場地類型條件下，隨著h1/h的不同，考慮碰撞與沒考慮碰撞伸縮縫相對位移之比的變化幅度高達35%;且隨著場地類型的不同，其變化幅度也有所不同。

(4)在相同場地類型條件下，隨著h1/h的不同，考慮碰撞與沒考慮碰撞伸縮縫處碰撞力之比的最大變化幅度高達50%以上;且隨著場地類型的不同，其變化幅度存在較大差異。

2.3 引橋結構形式影響

為分析引橋結構形式對斜拉橋與引橋之間碰撞的影響，分別對連續梁結構和簡支梁結構引橋進行了對比分析，遠離主橋的橋墩為簡支梁引橋固定墩，分析結果如圖5所示，由此可知:

(1)不論是簡支梁結構引橋，還是連續梁結構引橋，碰撞對引橋固定墩的墩底彎矩響應均有較大的影響。與連續梁引橋結構相比，簡支梁引橋固定墩墩底彎矩受碰撞的影響更顯著，特別是在Ⅱ類場地條件下，考慮碰撞后簡支梁引橋固定墩墩底彎矩約為不考慮碰撞效應時的4倍，在Ⅲ類場地條件下，考慮碰撞后簡支梁引橋固定墩墩底彎矩約為不考慮碰撞效應時的2倍，而Ⅰ、Ⅳ在場地條件下考慮碰撞后引橋的固定墩墩底彎矩響應卻比不考慮碰撞時有所降低，但降低幅度不大。

(2)碰撞對不同結構引橋梁端縱向位移響應的影響與引橋固定墩墩底彎矩響應的影響規律基本相同。

(3)不論是簡支梁結構引橋，還是連續梁結構引橋，碰撞斜拉橋主塔塔底的彎矩響應均有所影響，但其影響程度遠不如對引橋固定墩墩底彎矩影響明顯，影響幅度均在±10%以內。

(4)不同引橋結構形式對主橋與引橋之間碰撞力的影響較小，而場地類型對主橋與引橋之間碰撞力的影響非常明顯，Ⅱ、Ⅲ場地條件下的碰撞力明顯高于Ⅰ、Ⅳ場地條件下的碰撞力。

3 結論

以某九江斜拉橋為工程背景，建立了包括引橋在內的考慮碰撞效應的分析模型，對斜拉橋與引橋之間的碰撞問題進行了較為系統的研究，得出如下主要結論:

(1)碰撞不僅對引橋的地震響應有較大影響，而且對斜拉橋主橋地震響應也有一定影響。

(2)在本文所分析的各種影響因素中，場地類型對引橋與主橋之間碰撞的影響最為明顯，相同結構不同場地類型情況下，主橋與引橋之間的碰撞效應相差很大。因此，在進行斜拉橋抗震設計時應根據具體的場地類型進行具體分析。

(3)斜拉橋的重心高度對主橋與引橋之間的碰撞響應有一定影響，但其影響不具有規律性。

(4)通過對比不同引橋結構形式對碰撞效應的影響可知，從碰撞響應角度考慮斜拉橋的引橋不宜采用簡支梁結構。

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