考慮碰撞效應的斜交橋抗震性能分析

李澄宇

考慮碰撞效應的斜交橋抗震性能分析

李澄宇

（甘肅路橋公路投資有限公司，甘肅蘭州730030）

受地形條件的限制，在公路橋梁或城市橋梁設計中經常采用斜交形式的梁橋。由于主梁軸線與支承邊存在斜交角，使得其會發生一定面內旋轉，當考慮橫橋向碰撞效應時，斜交橋的抗震性能變得比直線梁橋要更加復雜。論文采用非線性時程分析方法對具有不同斜交角的連續梁橋進行分析，探討了結構地震響應隨交角變化關系。結果表明：不考慮碰撞效應會明顯低估連續梁橋抗震性能，在斜交連續梁橋設計時應考慮碰撞效應的影響；斜交角的大小會顯著影響橋梁結構地震響應，但不與斜交角成線性關系。

斜交連續梁橋；時程分析；抗震性能；碰撞

年美國圣佛南多地震中，多座斜交連續梁橋發生了嚴重破壞，斜交橋抗震性能逐漸引起重視［1］；隨后1994年美國北嶺地震中，GavinCanyon跨線立交（斜交連續梁橋）發生了落梁；2008年汶川地震橋梁震害統計表明，無論是全橋失效、嚴重破壞還是中等破壞，斜交橋的破壞率明顯較直線橋要高，如徹底關大橋發生了嚴重損傷［2］。鑒于斜交橋梁存在較高地震易損性，需對斜交橋進行非線性時程分析，探討斜交橋梁地震響應規律。

本文以一實際三跨斜交連續梁橋為例，考慮結構材料非線性，并在橋墩潛在塑性鉸區采用集中塑性鉸來模擬橋墩進入塑性階段的轉動特性。通過改變斜交角（0°、15°、30°、45°和60°）來分析斜交連續梁橋抗震性能變化趨勢，并得到相關結論，可為斜交橋梁抗震設計提供參考意見。

2　有限元分析模型

2.1工程背景及模型建立

本文分析橋梁選自甘肅省內某高速公路上一座三跨斜交連續梁橋，跨徑布置為3×25m，斜交角為30°。主梁由4片小箱梁組成，梁高1.4m，橋面總寬18.6m，采用C50混凝土。下部結構采用三柱式橋墩，墩高5.4m，橋墩直徑為1.3m，混凝土采用C30，縱筋配筋率為1.2%，縱筋采用HRB335，箍筋形式為螺旋箍筋。全橋支座采用普通板式橡膠支座，型號為GYZ400×84。墩臺基礎均為群樁基礎，為簡化計算，此處直接將墩底固結，不考慮樁土相互作用。橋址場地為Ⅱ類，地震設防烈度為Ⅷ度，基本地震動加速度峰值0.2g。

采用Sap2000有限元軟件建立斜交連續梁橋分析模型，此處采用梁格法進行建模。其中主梁采用線彈性梁單元模擬，而地震作用下的橋墩可能進入彈塑性階段，因此采用PMM纖維鉸來模擬橋墩的非線性轉動。由于支座可能會發生滑動，采用理想彈塑性模型來模擬支座的滑動特性。同時，為考慮橋梁的碰撞效應，在橋臺處縱向和橫向及橋墩處橫向均設置碰撞單元。橋梁有限元分析模型如圖1所示。

圖1　有限元分析模型

2.2支座模型

地震作用下，橋梁主梁與支座會發生相對位移，在計算模型中，板式橡膠支座采用非線性連接彈簧來模擬，通過定義的摩擦模型建立力-變形關系［3］，論文中采用庫倫摩擦模型，其臨界滑動力Fcr與豎向力N之間的關系如式（1）。任一時刻支座受力狀態可通過圖2來判斷，支座滯回模型如圖3所示。

式中：μ為摩擦面的摩擦系數，具體取值可以參考文獻［4］；N為支座豎向力。

圖2　支座滑動判斷準則

圖3　支座滯回模型

2.3碰撞模型

碰撞是一個非常復雜的非線性問題［5～7］，通常采用碰撞單元來模擬（Sap2000中提供的GAP單元）。碰撞過程通常包括兩種狀態：當碰撞單元相對位移小于初始間隙時，碰撞不發生；當碰撞單元相對位移大于初始間隙時，結構發生碰撞現象。圖4為碰撞單元恢復力圖：

圖4　碰撞單元恢復力圖

對于橫橋向，主梁與橫向抗震擋塊的碰撞剛度值取5×106kN/m［8］，而橋臺與主梁的碰撞剛度值取主梁的軸向剛度值。

3　結果分析

為分析碰撞作用對斜交連續梁橋抗震性能的影響，對每一斜交角下連續梁橋分別建立考慮碰撞作用與不考慮碰撞作用的兩個有限元模型，并進行結果對比分析。

3.1墩底彎矩

圖5為考慮碰撞與不考慮碰撞作用下，具有不同斜交角的斜交連續梁橋1#墩墩底縱橋向彎矩M33變化情況。顯然，考慮碰撞作用的模型分析結果要比不考慮碰撞作用的模型計算結果要大。同時，由于斜交角的存在，兩種計算模型下的墩底彎矩M33均隨斜交角的增加而增大。不考慮碰撞作用的模型的墩底彎矩M33隨斜交較增加明顯，幾乎成線性增加。而考慮碰撞作用的模型，在斜交角45°前，墩底彎矩M33增加較緩，在斜交角60°時，墩底彎矩M33顯著增加。說明碰撞作用對斜交橋順橋向地震響應有明顯影響。

圖5　1#墩底縱橋向彎矩M33

圖6為考慮碰撞與不考慮碰撞作用下，具有不同斜交角的斜交連續梁橋1#墩墩底橫橋向彎矩M22變化情況。與順橋向墩底彎矩一樣，考慮碰撞作用的模型分析結果要比不考慮碰撞作用的模型計算結果要大。但兩種模型下，墩底橫橋向彎矩M22并不隨斜交角的增加而增大。對于考慮碰撞作用的模型，墩底橫橋向彎矩M22先隨斜交角增加有個下降的趨勢，而在斜交角60°時有明顯的增加。而不考慮碰撞作用的模型，墩底橫橋向彎矩M22隨斜交角有較小的浮動，變化范圍在10%以內。說明碰撞作用對斜交橋橫橋向地震響應有明顯影響。

圖6　1#墩底橫橋向彎矩M22

綜上所述，碰撞作用對斜交連續梁橋有較大影響，在進行斜交橋梁抗震設計及抗震性能評價時應考慮橋梁縱橫橋向碰撞效應。

3.2主梁轉角

支座的滑動會增大上部結構的位移，橋梁縱橫橋向的碰撞雖然在一定程度上起到限制主梁位移的作用，但也會因為碰撞的發生，導致斜交橋主梁會發生轉動。圖7為考慮碰撞與不考慮碰撞作用下，主梁轉動弧度隨斜交角變化情況。可以看出，在不考慮碰撞作用時，斜交橋主梁位移主要表現為平動，存在較小的轉動，當考慮碰撞作用后，主梁發生明顯轉動，且隨著斜交角的增加，主梁的轉角有明顯增加，在斜交角大于30°以后，增加趨勢變緩。

圖7　主梁轉角

4　結論

論文采用非線性時程分析方法對具有不同斜交角的連續梁橋進行了抗震性能分析，并討論了碰撞作用對斜交連續梁橋地震響應的影響。可以得到如下結論：

1）由于斜交角的存在，斜交橋連續梁橋地震響應較直線橋復雜，墩底縱橫橋向彎矩隨斜交角的增加具有不同的地震響應。

2）碰撞作用的存在會明顯增大橋墩墩底的彎矩值，增加了下部結構損傷的風險，斜交橋抗震設計時應考慮碰撞作用的影響。

3）斜交連續梁橋的碰撞作用是主梁產生旋轉的主要原因，且隨斜交角增加，主梁轉角會增加。在地震作用下，易發生主梁面內旋轉、伸縮縫裝置損壞及橋面系擠壞等震害。

［1］Meng，JY，Lui，EM，GhasemiH.Analyticaland Experimental Study of a Skew Bridge Model［J］.Engineering Structures，2004，26（2）：1127-1142.

［2］ 陳樂生，莊衛林，趙河清，等.汶川地震公路震害調查-橋梁［M］.北京：人民交通出版社，2012.

［3］ 莊衛林，陳樂生.汶川地震公路震害分析-橋梁與隧道［M］.北京：人民交通出版社，2013.

［4］ 中華人民共和國行業推薦標準.公路橋梁抗震設計細則（JTG/TBZ-01-2008）［S］.北京：人民交通出版社，2008.

［5］ 聶利英，李建中，范立礎.地震作用下結構碰撞的模型參數及其影響分析［J］.工程力學，2005，22（5）：142-147.

［6］ 徐略勤，李建中.擋塊對規則連續梁橋橫向地震反應的影響［J］.公路交通科技，2013，30（4）：53-59.

［7］ 聶利英，范立礎.地震作用下城市立交抗震擋塊防撞措施分析［J］.中國公路學報，2006，19（3）：49-53.

［8］ 王軍文，李建中，范立礎.非規則梁橋橫橋向地震碰撞反應分析［J］.振動與沖擊，2010，29（6）：25-30.

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