三跨斜交簡支梁橋地震碰撞反應參數影響研究

湛　敏　王軍文　閆聚考　王　肖

(1. 石家莊鐵道大學 土木工程學院， 石家莊　050043； 2. 石家莊鐵道大學 大型結構健康診斷與控制研究所， 石家莊　050043； 3. 重慶交通大學 土木工程學院， 重慶　400074)

?

三跨斜交簡支梁橋地震碰撞反應參數影響研究

湛敏1王軍文1閆聚考2王肖3

(1. 石家莊鐵道大學 土木工程學院， 石家莊050043； 2. 石家莊鐵道大學 大型結構健康診斷與控制研究所， 石家莊050043； 3. 重慶交通大學 土木工程學院， 重慶400074)

利用OpenSees地震仿真模擬平臺，建立了3×30 m斜交簡支梁橋計算模型，通過改變斜度、縱向伸縮縫間隙、梁體與橫向擋塊間初始間隙，研究結構地震碰撞反應的變化規律，研究發現：橋面峰值轉角隨斜度和伸縮縫間隙增大呈現先增大后減小的變化規律，隨橫向初始間隙增大而逐漸增大；梁體縱向最大位移隨斜度和伸縮縫間隙增大而逐漸增大，隨橫向初始間隙增大呈現先減小后增大的變化規律；墩底最大反力和墩頂順橋向最大位移的變化規律與梁體縱向最大位移的變化規律一致．

斜交橋；簡支梁；地震碰撞；參數分析

斜交橋在公路、鐵路以及城市道路橋梁中是一種常見橋型，由于斜交橋獨特的結構外形和受力特性，地震破壞要比正交橋更為嚴重，而梁體碰撞破壞則是較為常見的震害之一．如1999年美國Hector Mine地震中Pisgah高架橋在橋臺處遭到碰撞破壞；1999年墨西哥Tehuacan地震中多數斜交橋上部結構與橫向擋塊之間發生橫向碰撞，導致擋塊嚴重破壞[1]；2008年汶川大地震中，綿竹市新東橋發生橋面旋轉現象，并在銳角處發生碰撞損傷，平武縣的南壩橋梁體發生嚴重的橫向位移，導致橫向擋塊碰撞破壞并最終引發落梁震害[2]．

近年來，學者們針對斜交橋地震反應進行了很多相關研究．Meng[3]研究發現：支承墩柱的地震內力和上部結構位移均隨斜度增大而增大；劉鵬[4]與羅婧文等[5]研究指出：橫向擋塊初始間隙的設置存在一個最佳值，當其處于最佳值時，對橋面轉動效應抑制最明顯，而初始間隙與各擋塊最大碰撞力之間的關系具有不確定性；文獻[6]通過對單跨斜交簡支梁橋進行研究，發現縱向位移峰值隨斜度增大而增大，橋面峰值轉角隨斜度增大呈現先增大后減小的變化趨勢；鄧志榮[7]針對單跨和多跨斜交橋地震反應進行研究，研究認為，橋梁斜度大于25°時，梁體位移和墩底內力隨斜度的增大而增大；卓秋林[8]分析探討了斜度、墩高和跨徑對多跨斜交簡支橋地震反應的影響，分析指出，斜度越大、墩高越高、跨徑越大，上部結構位移和墩底內力越大．可以看出，很多學者針對斜交橋地震反應的參數影響進行了大量研究，但鮮有文獻針對多跨斜交簡支梁橋地震碰撞參數影響進行研究．為此，本文借助OpenSees軟件，建立三跨斜交簡支梁橋計算模型，研究在考慮縱、橫向碰撞作用情況下，斜度和縱、橫向初始間隙變化對結構地震碰撞反應的影響．

1　計算模型及地震動輸入

本文以一座3×30 m斜交簡支梁橋作為研究對象．該橋上部結構采用4片預制小箱梁拼裝，橋面寬12 m，橫隔板每跨共設置6道；采用重力式橋臺，中間兩橋墩采用雙柱式圓形墩，蓋梁采用矩形截面；主梁每端設置8塊板式橡膠支座，支座剪切剛度取4.37×103kN/m．利用美國伯克利大學開發的OpenSees軟件進行數值模擬，斜交橋上部結構采用梁桿模型簡化，如圖1所示，α為斜交角．

圖1　全橋計算模型

模型中縱梁、橫隔梁、蓋梁均采用彈性梁柱單元模擬，支座采用零長度(Zero Length)單元模擬，橋墩采用塑性鉸梁柱單元模擬．利用碰撞材料和零長度單元模擬梁體與剛性橋臺間的碰撞，其恢復力模型[9]如圖2所示．圖中，δy為屈服位移，Keff、Kt1、Kt2分別為碰撞等效剛度、初始剛度和屈后剛度，通過計算，邊梁Kt1取5.54×105kN/m，Kt2取1.91×105kN/m；中梁Kt1取5.38×105kN/m，Kt2取1.85×105kN/m；最大侵入深度δm取2.54 cm．利用理想塑性間隙材料(Perfectly Plastic Gap Material)和零長度單元模擬梁體與橫向擋塊間的碰撞，橫向擋塊采用的理想彈塑性模型[10]如圖3所示．其中，初始剛度K0取5.0×106kN/m，屈服力Fy取1 294 kN．模型梁端設置4個縱向碰撞單元，方向垂直于主梁端部，每個角點處設置1個橫向碰撞單元．全橋計算模型如圖1所示．

圖2 碰撞材料的恢復力模型　圖3 擋塊的理想彈塑性模型

選取沿與整體坐標系X軸正向夾角分別為0°、45°、60°、120°和180°共5個方向作為地震輸入的主方向[6]．從Ⅱ類場地條件中選取7條近場實際地震加速度記錄(見表1)，根據規范[11]將地震波加速度峰值調整為0.4g沿選取的斜交橋主方向輸入，從中選出最不利的情況，并將計算結果取平均值以分析結構的地震響應．

表1　選取的地震波

2　結構參數影響分析

2.1斜度的影響

斜度是斜交橋結構分析的一個重要參數，斜度的變化對于斜交橋動力特性及地震反應具有重要影響．研究本參數時，保持4 cm橫向初始間隙和5 cm縱向伸縮縫間隙不變，取斜度0°、15°、30°、45°、60°作為參數，研究斜交橋橋面峰值轉角、縱向最大位移、最大碰撞力、墩底最大反力和墩頂最大位移的變化規律．計算結果分別如圖4～6和表2所示．

圖4　斜度對橋面峰值轉角的影響

圖5　斜度對縱向最大位移的影響

圖6　斜度對最大碰撞力的影響

斜度/°剪力/kN彎矩/kN·m扭矩/kN·mX向位移/cmY向位移/cm01169.25384.1808.61.741.44151245.95894.1858.91.861.47301362.46632.7981.21.882.28451450.57374.51009.21.921.81601465.67463.31062.31.982.05

結合圖4、圖5可以發現，隨著斜度增大，橋面峰值轉角呈現先增大后減小的變化規律，梁體縱向最大位移則逐漸增大，這與文獻[6]得出的結論保持一致；當斜交角為30°時，橋面峰值轉角達到最大值，這由斜交橋自身的結構特性及碰撞形式所決定，文獻[12]認為，考慮梁體碰撞時，碰撞力產生的力矩是引起斜交橋橋面旋轉的主要原因，對于本文所研究的對象，當斜度為30°時，縱向碰撞力最大，所產生的力矩也最大程度地加劇了橋面旋轉，因此，橋面峰值轉角最大．此外，由于邊跨及中跨支承剛度的差異，使得中跨峰值轉角始終小于邊跨，并隨著斜度增大，這種現象愈發明顯．同時，中跨縱向最大位移始終大于邊跨，最大可高出36.2 mm．

從圖6可以看出，最大碰撞力隨著斜度增大呈現先增大后減小的變化規律，并且在30°時，達到最大值，其中，橫向最大值為1 248 kN，縱向為3 875 kN；邊跨縱向最大碰撞力始終大于中跨，最大高出1 289 kN，而橫向最大碰撞力并無此規律．由表2可知，墩底最大反力隨斜度增大而逐漸增大，這與上述研究成果均保持一致；墩頂X向(順橋向)最大位移隨斜度增大而逐漸增大，Y向(橫橋向)最大位移則沒有明顯的變化規律．

通過以上分析，可以看出，對于斜交簡支梁橋，三跨與單跨地震碰撞反應隨斜度變化具有相似的變化規律，而對于三跨斜交簡支梁橋，在斜度為30°處將產生較大碰撞力并引起較大的橋面旋轉．

2.2縱向伸縮縫間隙的影響

相鄰梁體間及梁體與橋臺間的縱向相對位移超過伸縮縫間隙時，將發生碰撞作用，而合理地設置伸縮縫間隙對于橋梁結構地震碰撞反應有著重要影響．在進行本參數分析時，保持4 cm橫向初始間隙和30°斜交角不變，伸縮縫間隙從1～9 cm取值，中間間隔2 cm．計算結果如圖7～9和表3所示．

圖7　伸縮縫間隙對橋面峰值轉角的影響

圖8　伸縮縫間隙對縱向最大位移的影響

圖9　伸縮縫間隙對最大碰撞力的影響

伸縮縫間隙/cm剪力/kN彎矩/kN·m扭矩/kN·mX向位移/cmY向位移/cm1830.23926.8562.71.011.3831046.95866.4725.31.481.9651362.46632.7981.21.882.2871569.57098.61131.12.192.7691754.97416.81284.72.422.68

結合圖7、圖8可以看出，隨著縱向伸縮縫間隙的增大，橋面峰值轉角呈現先增大后減小的變化規律，縱向最大位移則幾乎呈線性增大，這與文獻[13]得出的結論保持一致；當伸縮縫間隙為3 cm時，橋面峰值轉角達到最大值，其中，邊跨最大值為0.003 61 rad，中跨為0.002 81 rad，邊跨橋面峰值轉角同樣始終要大于中跨．

由圖9可知，隨著伸縮縫間隙的增大，縱向最大碰撞力呈現先增大后減小的變化規律，并在伸縮縫間隙為3 cm處達到最大值，其中，邊跨最大值為3 884 kN，中跨為3 616 kN；橫向最大碰撞力逐漸減小，且當伸縮縫間隙不大于3 cm時，橫向最大碰撞力達到1 294 kN，超過屈服力Fy，橫向擋塊破壞．從表3可以看出，隨著伸縮縫間隙增大，墩底最大反力和墩頂X向最大位移均逐漸增大，墩頂Y向最大位移則先增大后減小．

通過上述分析可以發現，對于三跨斜交簡支梁橋，伸縮縫間隙過小，會引起橫向擋塊的碰撞破壞，而伸縮縫間隙過大，又將引起較大的橋面縱向位移和墩底反力，易導致落梁震害及墩底破壞．

2.3橫向擋塊初始間隙的影響

橫向擋塊是橋梁抗震設計的重要組成部分，橫向擋塊初始間隙的設置則直接影響其抗震性能．在進行該參數研究時，保持3 cm縱向伸縮縫間隙和30°斜交角不變，橫向初始間隙從2～10 cm取值，中間間隔2 cm，計算結果如圖10～12和表4所示．

圖10　橫向初始間隙對橋面峰值轉角的影響

圖11　橫向初始間隙對縱向最大位移的影響

圖12　橫向初始間隙對最大碰撞力的影響

橫向初始間隙/cm剪力/kN彎矩/kN·m扭矩/kN·mX向位移/cmY向位移/cm21115.87153.2767.11.501.9441046.96866.4725.31.481.9661005.96563.1695.31.451.9981033.16965.1712.81.432.01101047.97352.2723.31.632.12

結合圖10、圖11可知，隨著橫向初始間隙的增大，橋面峰值轉角逐漸增大，而縱向最大位移則呈現先減小后增大的變化規律，這與文獻[13]中的結論仍然一致；當橫向初始間隙為6 cm時，縱向最大位移達到最小值，其中，中跨為90.52 mm，邊跨為50.50 mm．

由圖12可知，隨著橫向初始間隙的增大，縱向最大碰撞力逐漸增大，橫向最大碰撞力逐漸減小，并且當橫向初始間隙不大于為4 cm時，橫向最大碰撞力達到1 294 kN，橫向擋塊破壞．從表4可以發現，隨著橫向初始間隙增大，墩底最大反力和墩頂X向最大位移均呈現先減小后增大的變化規律，并在6 cm處達到最小值；墩頂Y向最大位移則逐漸增大．

通過以上分析，可以看出，橫向初始間隙較小時，對于抑制橋面旋轉具有積極作用，但易發生碰撞破壞，而橫向初始間隙對縱向最大位移的影響并不是很大．

3　結　論

通過對三跨斜交簡支梁橋地震碰撞反應的變化規律進行研究，可得出如下結論：

1)隨著斜度增大，橋面峰值轉角和最大碰撞力呈現先增大后減小的變化規律，縱向最大位移、墩底最大反力和墩頂X向最大位移則逐漸增大．

2)隨著縱向伸縮縫間隙的增大，橋面峰值轉角和縱向最大碰撞力呈現先增大后減小的變化規律，橫向最大碰撞力逐漸減小，縱向最大位移、墩底最大反力和墩頂X向最大位移則逐漸增大．

3)隨著橫向初始間隙的增大，橋面峰值轉角、縱向最大碰撞力逐漸增大，橫向最大碰撞力逐漸減小，縱向最大位移、墩底最大反力和墩頂X向最大位移則呈現先減小后增大的變化規律．

4)影響三跨斜交簡支梁橋地震碰撞反應的因素較多，而在實際中各個因素之間的相互作用對結構地震反應的影響還有待進一步研究．

[1]DIMITRAKOPOULOS E G． Analysis of a Frictional Oblique Impact Observed in Skew Bridges[J]． Nonlinear Dynamics，2010，60(4): 575-594．

[2]杜修力，韓強，李忠獻，等．5·12泣川地震中山區公路橋梁震害及啟示[J]．北京工業大學學報，2008，34(12):1270-1279．

[3]Meng J Y, Lui E M． Seismic Analysis and Assessment of a Skew Highway Bridge[J]． Engineering Structures, 2000，22(11):1433-1452．

[4]劉鵬．地震作用下橋梁梁體與橫向擋塊動態碰撞研究[D]．成都:西南交通大學，2007．

[5]羅婧文，左科．地震作用下單跨斜交梁橋碰撞模型反應分析[J]．華東公路，2014(5):61-64．

[6]王軍文，吳天宇，閆聚考．斜交簡支梁橋地震碰撞反應參數分析[J]．振動與沖擊(已錄用)．

[7]鄧志榮．公路斜交橋地震反應分析[D]．長沙:長沙理工大學，2010．

[8]卓秋林．公路簡支斜梁橋地震反應分析[D]．福州:福州大學，2004．

[9]Nielson B G． Analytical Fragility Curves for High-way Bridges in Moderate Seismic Zones(Doctorate Dissertation) [D]． Atlanta: Georgia Institute of Technology，2005．

[10] Silva P F，Megally S，Seible F． Seismic Performance of Sacrificial Exterior Shear Keys in Bridge Abutments[J]． Earthquake Spectra，2009，25(3):643-664．

[11] 公路橋梁抗震設計細則JTG/TB02-01-2008[S]．北京：人民交通出版社，2008．

[12] 王軍文，沈賢，李建中．地震作用下斜交簡支梁橋旋轉機理及斜度影響研究[J]．橋梁建設，2014，44(3):34-40．

[13] 沈賢．地震作用下簡支斜交橋橋面旋轉機理及影響因素研究[D]．石家莊:石家莊鐵道大學，2013．

[責任編輯周文凱]

Parametric Analysis of Three-Span Skewed Simply Supported Girder Bridge under Seismic Collision Response

Zhan Min1Wang Junwen1Yan Jukao2Wang Xiao3

(1. School of Civil Engineering, Shijiazhuang Railway Univ., Shijiazhuang 050043, China； 2. Structural Health Monitoring & Control Institute, Shijiazhuang Railway Univ., Shijiazhuang 050043, China； 3. School of Civil Engineering, Chongqing Jiaotong Univ., Chongqing 400074, China)

A dynamic calculation model of 3×30m skewed simply supported girder bridge is established by using the software OpenSees. The variations of structure under seismic collision response is studied by changing the skew angle, initial gap at expansion joint and initial gap between girder. The results indicate that the peak angle of the deck increases firstly and then decreases with the increase of the skew angle and initial gap at expansion joint, but increases with the increase of initial gap between girder; the maximum longitudinal displacement of the girder increases with the increase of the skew angle and initial gap at expansion joint, but decreases firstly and then increases with the increase of initial gap between girder; the variations of the maximum reverse force and the maximum displacement of pier top along the bridge have the same variations with the longitudinal displacement of the girder.

skewed bridge;simply supported girder;seismic collision;parametric analysis

2016-04-15

河北省自然科學基金項目(E2015210038)；國家青年科學基金項目(51508347)

湛敏(1991-)，男，碩士研究生，研究方向為橋梁抗震．E-mail： njlhzm@163.com

10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2016.04.010

U448.41；U442.55

A

1672-948X(2016)04-0046-05