溫度對連續剛構橋主橋與引橋間碰撞效應的影響

車 剛 剛

(1.蘭州交通大學土木工程學院，甘肅 蘭州 730070；2.蘭州交通大學道橋災害防治技術國家地方聯合實驗室，甘肅 蘭州 730070)

0 引言

地震作用下，橋梁伸縮縫處的碰撞現象極為常見，如2008年的汶川地震導致不少橋梁在鄰梁之間發生碰撞[1]。在橋梁減隔震技術中，多采用隔震橡膠支座來增大結構的自振周期，以降低地震響應。由于橡膠對溫度的敏感性，支座溫度變化會對橋梁結構產生不同程度的影響[2]。何文福等[3]通過試驗研究隔震橡膠支座在不同溫度下結構的響應，證實了溫度對隔震橡膠支座的影響不容忽視。而在國內橋梁抗震的相關規范中，關于溫度對橋梁的作用僅規定了一般原則，無具體的可實施方案。因此，本文借鑒美國2014年出版的“AASTHO指導性隔震設計指南”來探討溫度對大跨連續剛構橋梁體間碰撞產生的影響[4]，以此促進國內橋梁抗震技術的進一步發展。

1 橡膠支座參數修正及碰撞單元模型選取

1.1 “AASHTO指導性隔震設計指南”橡膠隔震支座力學溫度特性修正

“AASHTO指導性隔震設計指南”確定了橡膠隔震系統的兩個關鍵的設計因素，分別為有效剛度與阻尼系數，而這兩個因素主要由支座的特征強度(Qd)和屈服后剛度(Kd)決定。不同的溫度下Kd和Qd分別對應特定的修正系數，通過對支座特征強度與屈服后剛度的修正來改變支座的屈服力與屈服前后剛度比，實現不同溫度下橡膠支座所對應的特性。Kd和Qd與支座屈服力之間的關系見式(1)：

Fy=Kc×dy=Qd+Kd×dy

(1)

其中，Fy為支座屈服力；Kc為彈性剛度；dy為支座的屈服位移。溫度修正關系見式(2)：

(2)

美國“AASHTO指導性隔震設計指南”給出了不同溫度下橡膠支座的修正系數(見表1)，LDRB表示低阻尼橡膠支座，HDRB表示高阻尼橡膠支座，SHDRB表示超高阻尼橡膠支座。

表1 溫度特性修正系數

1.2 碰撞單元模型的選取

碰撞單元模型采用線性模型(見圖1)，加載與卸載的荷載—位移曲線均按線性考慮，忽略了碰撞過程中能量的消耗。

當梁體間相對位移差大于伸縮縫寬度時，梁體將會發生碰撞，此時將會產生碰撞力，且碰撞力的大小與梁體間的相對位移成正比；當梁體間相對位移差未超過伸縮縫寬度時，梁體間不會發生碰撞，碰撞力為零。碰撞單元的剛度取相鄰主梁的軸向剛度[5]。線性彈簧模型發生碰撞時的數學表達式見式(3)：

(3)

其中，F為碰撞力；u1,u2為兩個接觸點的位移大?。籯1為線性彈簧的剛度；Gp為伸縮縫初始間隙。

2 有限元模型的建立與地震波的選取

2.1 模型的建立

本文以陜西省境內一座連續剛構橋為研究對象，采用Midas有限元軟件建立全橋模型，并建立4個分析工況(見表2)。主橋上部結構為(65+4×120+65)m波形鋼腹板混凝土連續剛構，截面形式為單箱單室，梁寬12.9 m，采用C55混凝土，下部為單薄壁式空心墩；引橋部分由4片箱梁組合而成，混凝土強度等級為C50，橋墩混凝土強度等級為C40。主梁與橋墩均采用一般梁單元模擬，2號、8號過渡墩上設置80型伸縮縫，分別編號為1號、2號，伸縮縫寬度大小均為8 cm。有限元模型如圖2所示。

表2 分析工況

橋墩墩號從左至右依次為1號～9號，其中2號與8號墩為過渡墩，3號～7號墩為剛構墩。在后續的分析中，引橋過渡墩設計采用LNR(H)-d320*128型板式橡膠支座，主橋過渡墩分別為鉛芯橡膠支座(LRB)、高阻尼橡膠支座(HDRB)分析工況。橋址場地平均溫度取陜西省年平均溫度11.4 ℃[6]，后續的升降溫分析均在此基礎上完成。鉛芯橡膠支座與高阻尼橡膠支座參數的確定分別依據JT/T 822—2011公路橋梁鉛芯隔震橡膠支座[7]與JT/T 842—2012公路橋梁高阻尼隔震橡膠支座選取[8]。

2.2 地震波的選取與輸入

該橋所處場地類型為Ⅱ類，地震分組為第二組，場地特征周期為0.40 s，基本地震動峰值加速度為0.15g。從PEER地震庫中選取3條與橋址場地特征接近的地震波(地震波記錄見表3)，調幅后按峰值0.15g沿順橋向輸入，進行非線性動力時程分析。

表3 地震記錄

3 溫度對連續剛構橋碰撞效應的影響

表4為1號伸縮縫處的碰撞響應值。1號伸縮縫為地震波輸入的近測端，地震響應更為明顯。鑒于此，后續僅分析1號伸縮縫碰撞響應，由于篇幅所限，僅對 2號地震波作詳細分析。

表4 1號伸縮縫碰撞響應

2號地震波作用下LRB，HDRB模型的碰撞力時程曲線見圖3，結果表明：工況二與工況一相比，LRB，HDRB模型的碰撞力峰值分別增加了4.6%，5.1%；工況三與工況一相比，LRB，HDRB碰撞次數分別增加8次、7次，碰撞力峰值增加了57.2%，59.2%；工況四時，兩組模型的碰撞力均為0。由此表明溫度對梁體間的碰撞效應影響較大，僅考慮支座溫度時，-30 ℃隔震橡膠支座剛度增大，梁體間的碰撞力變大，但不同地震波作用下的碰撞次數沒有統一的規律?？紤]整體溫度時，21 ℃伸縮縫寬度變小，碰撞次數顯著增加，但不同地震波作用下梁體間的碰撞力峰值有大有??；整體溫度-30 ℃時伸縮縫寬度變大，梁體間的相對位移差小于伸縮縫寬度，梁體間不會發生碰撞。

2號地震波作用下鉛芯橡膠支座、高阻尼橡膠支座剪力—位移滯回曲線見圖4，結果表明：工況三與工況一相比，鉛芯橡膠支座、高阻尼橡膠支座耗能分別減少2.3%，2.2%；工況四與工況二相比，鉛芯橡膠支座、高阻尼橡膠支座耗能分別增加1.0%，0.5%；工況二與工況一相比，鉛芯橡膠支座、高阻尼橡膠支座耗能分別減少19.0%，13.9%，剪力峰值分別增加28.2%，34.9%，位移峰值分別減小11.5%，10.0%。由此表明：溫度相同伸縮縫大小不同對支座滯回特性影響很小，而低溫時對其滯回特性影響較大。溫度降低，橡膠剪切模量增加、支座剛度變大，導致支座剪力峰值增加、位移峰值減小，支座耗能能力減弱。

4 結語

1)不同溫度隔震橡膠支座的性能差異較大。溫度降低，支座變形能力減弱、剪力峰值變大，導致支座剛度變大、耗能減少，進而導致梁體間的碰撞力峰值增加，同時由于地震波之間存在差異性，低溫環境將不同程度地放大梁體間的碰撞響應。因此在低溫環境下運作的該類橋梁宜使用耐寒性能較好的支座。

2)僅考慮支座溫度不能準確反映大跨連續剛構橋主橋與引橋之間的碰撞效應。整體溫度升高時可能會低估梁體間的碰撞響應，而在整體溫度降低時將高估梁體間的碰撞響應。建議綜合考慮整體溫度對該類橋梁的碰撞效應的影響。