長周期地震動作用下隔震梁橋碰撞效應研究

孫 穎，陳天海，卓衛東，谷 音，許智星

(1.福州大學土木工程工學院，福建 福州 350108；2.福建省建筑科學研究院，福建 福州 350025)

長周期地震動對橋梁結構的影響主要表現為共振（或類共振）現象[1-2]．對于橋梁結構而言，具有長周期振動特點的結構除大跨徑結構（斜拉橋、懸索橋等）之外，還有一類結構同樣具有長周期振動特性，即在常規地震動作用下抗震性能良好的減隔震橋梁．此類結構通過人為增設減隔震裝置達到了延長結構固有周期的目的，從而避開常規地震動的卓越周期，達到降低結構地震反應的目的．但當結構遭遇長周期地震動作用時，仍面臨著如位移過大、碰撞等巨大考驗．截止目前，針對長周期地震動作用對橋梁結構地震反應的影響的研究主要集中在幾個方面：一是針對橋梁結構自身為長周期結構地震反應特點研究，此類研究主要針對大跨徑結構如斜拉橋[3]開展；二是針對隔震橋梁在長周期地震動作用下結構地震反應特點開展研究，此類研究的重點表現為隔震裝置的減震效率以及橋梁結構自身地震反應反應特點(內力、位移)的變化情況．研究結果表明：在長周期脈沖型地震作用下，隔震支座的減震效果有一定的下降，梁體縱橋向位移有所增長，易造成相鄰梁體的碰撞甚至發生落梁，因此，建議近斷層地區橋梁不宜采用鉛芯橡膠隔震支座[4-6]．由此可見，長周期地震動作用對隔震梁橋地震反應有較為明顯的影響，特別是上部結構的位移反應，這在一定程度上放大了結構出現碰撞的概率，但目前的研究尚未設計到長周期地震動作用對隔震梁橋碰撞效應的影響．因此，本文以隔震梁橋為研究對象，重點探討長周期地震動作用下隔震梁橋的碰撞反應以及伸縮縫裝置參數變化對結構碰撞反應的影響程度．

1 有限元模型的建立及地震動輸入

1.1 基本參數

五跨一聯的連續梁橋上部結構跨徑布置為 5×40 m，采用單箱單室箱梁截面，梁高2.4 m，頂板寬12.5 m，底板寬6.25 m，腹板厚度自端部0.8 m線性變化至跨中0.45 m．主梁采用C50混凝土．為考慮上部結構鄰跨間的碰撞，本文在基準橋兩側各增加一跨32 m簡支箱梁．中墩及主梁連接處的橋墩均采用花瓶式橋墩，墩高15 m，材料為C40混凝土，橋墩斷面右頂部6.0 m×3.0 m圓端形截面變化至墩底斷面為4.5 m×3.0 m圓端形截面，截面在墩頂以下6.4 m范圍內變化．結構布置圖如圖1所示．

圖1 橋梁總體布置圖（單位：m）Fig.1 General arrangement of bridge (Unit: m)

1.2 有限元模型的建立

本文采用 SAP2000通用有限元軟件建立基準橋分析模型．其中，梁體采用空間彈性梁單元模擬，單元質量以集中質量形式模擬，剛度定義為無裂縫時剛度；橋墩采用空間梁單元模擬，與主梁類似，其剛度取無縫時剛度，不考慮其非線性變形，結構的非彈性變形僅發生在隔震裝置[7]．為簡化計算，外部邊界條件取為墩底固結．

為考慮碰撞效應而在主梁梁端增設的簡支梁，則通過節點束縛分別與基準橋橋墩墩頂相連，縱橋向設置為滑動連接；此處伸縮縫則采用縫單元模擬可能產生的碰撞效應，其行為描述如下：

其中：open為初始縫寬度，設置為最大伸縮量 80 mm．k為彈簧常數，取碰撞梁體的軸向剛度[8]．

本文的研究對象為隔震橋梁，所采用的隔震裝置為鉛芯橡膠支座(LRB)與摩擦擺隔震支座(FPB)．LRB支座的滯回曲線理論上選用雙線性模型進行模擬，程序中采用Wen模型予以實現，其滯回性能如圖2所示．LRB支座在1#～6#墩墩頂各布設兩個，其具體型號及相關參數如表1所示．

摩擦擺支座采用程序中提供的摩擦擺動支座的非線性連接單元進行模擬，該單元在剪切變形上與摩擦塑性耦合，具有在剪切方向上的滑移后剛度，在軸向上具有縫行為，單元不能承受軸拉力．其力學行為模式如圖3所示．摩擦擺支座的參數取值如表2所示．

圖2 LRB滯回曲線簡化雙線性模型Fig.2 Simplified bilinear model of hysteretic behavior of LRB

圖3 摩擦擺支座滯回性能模型Fig.3 The model of hysteretic behavior of FPB

表1 LRB支座參數Tab.1 The parameters of lead rubber bearings

表2 FPB支座參數Tab.2 The parameters of friction pendulum bearing

1.3 地震動輸入

基準橋在近場及遠場地震動作用下的碰撞反應已在文獻[9]中進行了討論．由分析結果可知，長周期地震動較易使隔震連續梁橋相鄰跨發生碰撞．本文從其中挑選碰撞反應較為明顯的4條長周期地震動記錄作為本文的地震動輸入(見表3)，探討伸縮縫參數變化對結構碰撞效應的影響．

表3 長周期地震動記錄Tab.3 The records of long-period ground motion

2 伸縮縫寬度變化對碰撞的影響

伸縮縫寬度的選擇，應考慮上部結構在氣溫變化、混凝土收縮與徐變等影響下的伸縮量．然而在長周期地震作用下，隔震連續梁橋的梁體位移被放大[9]，此時，伸縮縫寬度的設置還要考慮梁間發生碰撞時，伸縮縫寬度對碰撞響應（最大碰撞力、總碰撞次數）的影響．本文選取基準橋的1#墩最為分析對象，取伸縮縫寬度為4 cm、6 cm、8 cm、10 cm、12 cm等5個寬度值，來模擬分析不同寬度對結構地震反應的影響．圖4～圖5分別繪出了伸縮縫寬度變化對最大碰撞力及總碰撞次數的影響規律．

由圖可知，遠場長周期地震動作用對LRB隔震梁橋的碰撞影響較大，而FPB隔震結構的碰撞反應則對近場長周期地震動更為敏感．從定量角度來看，在同等強度地震動作用下，FPB隔震結構的最大碰撞力低于LRB隔震結構約1/2．此外，從碰撞力的變化趨勢來看，伸縮縫寬度增大對LRB隔震結構碰撞力的影響較FPB隔震結構明顯．從碰撞次數的變化規律來看，FPB隔震結構在減小碰撞次數的效果方面優于LRB隔震結果，且其受伸縮縫寬度的影響較小．

總之，無論是是在近場長周期地震動作用亦或是遠場長周期地震動作用下，伸縮縫寬度的變化可使結構的碰撞響應發生較大改變．較大的伸縮縫寬度值，可有效減小主梁的碰撞力和碰撞次數，當寬度值取的足夠大時，甚至可以避免碰撞的發生．從減少碰撞發生的角度來看，FPB隔震結構對伸縮縫寬度的要求明顯低于LRB隔震結構．

在實際應用中，伸縮縫寬度的設置還要考慮梁體正常使用狀態下的運動．伸縮縫寬度過小時，就不能滿足橋梁在地震作用下的位移需求，甚至無法滿足正常使用階段下因溫度、徐變作用所產生的伸縮量；較大的縫寬雖然可以滿足主梁運動時所需的位移，而且可以有效減少主梁的碰撞次數和碰撞力，然而過大的縫寬在實際中并不適用，原因在于過大的間隙會影響橋梁的平順性，因此伸縮縫寬度的設置應綜合考慮橋梁正常使用狀態的要求同時還要根據所采用的隔震裝置的類型兼顧其地震反應的需求．

圖4 伸縮縫寬度變化對最大碰撞力的影響Fig.4 Effect of width of expansion joint on maximum collision force

圖5 伸縮縫寬度變化對總碰撞次數的影響Fig.5 Effect of width of expansion joint on total collision times

3 伸縮縫剛度變化對碰撞力的影響

由于梁體位移增大產生碰撞效應，對梁間伸縮縫的碰撞彈簧剛度取值僅會直接影響到碰撞力的計算結果[9]，因此，本文主要討論伸縮縫剛度變化對結構碰撞力的影響．在進行該分析時保持伸縮縫寬度0.08 m不變，將文獻[8]提及的截面碰撞剛度按式(1)進行修正[10]:

其中：EA取為2.7×108kN；α為控制截面剛度取值的系數，其取值范圍在0.2～1.0之間[10]．

根據文獻[9]對基準橋碰撞效應的初步分析結果可知，LRB隔震結構在1.3節中四條地震動作用下的碰撞效應明顯，但對FPB隔震結構來說，當伸縮縫寬度保持在8 cm時，僅2號地震動作用下結構出現碰撞，因此，在本文僅考慮在2號地震動記錄作用下伸縮縫剛度變化對 FPB隔震結構碰撞效應的影響．圖 6給出了剛度修正系數α變化對最大碰撞力的影響規律．

圖6 伸縮縫剛度變化對最大碰撞力的影響Fig.6 Effect of stiffness of expansion joint on maximum collision force

顯而易見，伸縮縫碰撞剛度的變化，可以使結構的碰撞響應發生一定改變．無論是遠場長周期地震動作用還是近場長周期地震動作用，碰撞力均隨伸縮縫剛度的增大而增大，LRB隔震結構的最大增幅為25%，FPB隔震結構的最大增幅為17%；由最大碰撞力數值來看，在相同長周期地震動作用下，FPB隔震結構的最大碰撞力僅為 LRB隔震結構的79%．相比可知，FPB隔震支座在降低結構碰撞力方面的性能優于LRB隔震支座．

此外，碰撞力的大小與碰撞剛度有直接的關系．規律顯示，減小碰撞剛度可以顯著減小碰撞力帶來的影響．因此，在不改變主梁剛度且能達到減小碰撞力的目的要求下，在伸縮縫間設置壓縮剛度較小的緩沖材料不失為一種有效的方法．

4 結論

本文以設置LRB隔震支座及FPB隔震支座的五跨一聯連續梁橋為研究對象，探討了伸縮縫參數變化對結構最大碰撞力及碰撞次數的影響，并得到以下結論：

(1)伸縮縫寬度對長周期地震動作用下隔震結構的最大碰撞力及總碰撞次數有較為明顯的影響，伸縮縫寬度越大，最大碰撞力及總碰撞次數越低；

(2)伸縮縫寬度的設置應綜合考慮橋梁結構正常使用狀態以及地震作用下的碰撞反應；

(3)伸縮縫剛度對最大碰撞力有明顯的影響，在不改變主梁剛度的前提下，可在伸縮縫處增設壓縮剛度較小的緩沖材料以達到降低碰撞力的目的；

(4)綜合隔震連續梁橋在長周期地震動作用下伸縮縫參數變化對上部結構最大碰撞力及總碰撞次數的影響規律可知，設置FPB隔震支座的連續梁橋其最大碰撞力及總碰撞次數均小于設置 LRB隔震支座的連續梁橋，即在降低碰撞風險的方面FPB隔震支座優于LRB隔震支座．

本文雖然針對隔震連續梁橋開展了部分碰撞效應研究，由于所選用的長周期地震動數量有限，研究對象單一，因此所得結論具有一定的局限性，還有待后續研究予以驗證．

References

[1]楊偉林,朱升初,洪海春,等.汶川地震遠場地震動特征及其對長周期結構影響的分析[J].防災減災工程學報,2009, 29(4):473-478.YANG Weilin, ZHU Chusheng, HONG Haichun, et al.Characteristics of far-field ground motion of Wenchuan earthquake and the effect on long-periodic structures [J].Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering, 2009, 29 (4): 473-478.

[2] 王博,白國良,代慧娟. 典型地震動作用下長周期單自由度體系地震反應分析[J]. 振動與沖擊, 2013, 32(5):190-196.WANG Bo, BAI Guoliang, DAI Huijuan. Seismic response analysis of long-period SDOF system under typical ground motions [J]. Journal of Vibration and Shock,2013, 32(5): 190-196.

[3] 陳清軍, 張婷, 陳志海, 等. 長周期隨機地震作用下超大跨斜拉橋的行波效應分析. 湖南大學學報:自然科學版, 2014, 41(4): 1-9.CHEN Qingjun, ZAHNG Ting, CHEN Zhihai, et al.Traveling wave effect analysis of super-long-span cable-stayed bridge under long-period stochastic seismic excitation [J]. Journal of Hunan University: Natural Sciences, 2014, 41(4): 1-9.

[4] 王統寧,劉建新,于永波. 近斷層地震動作用下減隔震橋梁空間動力分析[J].交通運輸工程學報, 2009, 9(5):20-31.WANG Tongning, LIU Jianxin, YU Yongbo. Spatial dynamic analysis of isolated bridges subjected to near-field ground motion [J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering, 2009, 9(5): 20-31.

[5] 于永波. 減隔震橋梁的空間動力分析及動力試驗: [D].西安: 長安大學, 2004.YU Yongbo. 3-dimension dynamic analysis of isolation bridge and dynamic testing [D]. Xi′an: Chang′an University, 2004.

[6] 葉鑫. 近場長周期地震動對減隔震連續梁橋的地震響應的影響研究[J].公路工程, 2014,(1):135-139.YE Xin, LI Xue-hong, XU Xiu-li, etc. Analysis of isolated continuous girder bridges’ seismic response under the near-fault long-period ground motion [J].Highway Engineering, 2014, (1):135-139.

[7] 范立礎, 王志強. 橋梁減隔震設計[M].北京：人民交通出版社, 2001.FAN Lichu, WANG Zhi-qiang. Isolation Design of Bridges [M]. Beijing: China Communications Press,2001.

[8] 李黎,葉志雄,吳璟. 隔震連續梁橋地震作用下梁間碰撞響應的研究[J].公路交通科技, 2009,26(7):100-104 LI Li, YE Zhixiong, WU Jing. Analysis on seismic pounding response of isolated continuous girder bridge under earthquake excitation [J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2009,26(7):100-104.

[9] 許智星. 長周期地震作用下隔震連續梁橋的地震反應特性研究:[D]. 福州:福州大學,2014.XU Zhixing. Study on seismic response characteristics of isolated continuous girder bridges subjected to long-period ground motions [D]. Fuzhou: Fuzhou University, 2014.

[10] 段文中. 地震作用下鋼筋混凝土梁橋間碰撞響應分析及防止措施研究:[D].西安, 西安理工大學, 2007.DUAN Wenzhong. Analysis of seismic response including pounding effect and shock attenuation measure for reinforced concrete bridge[D].Xi′an: Xi′an University of Technology, 2007.