李澄宇

考慮碰撞效應(yīng)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(shè)計中經(jīng)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(fā)生一定面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，當(dāng)考慮橫橋向碰撞效應(yīng)時，斜交橋的抗震性能變得比直線梁橋要更加復(fù)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(xù)梁橋進(jìn)行分析，探討了結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)隨交角變化關(guān)系。結(jié)果表明：不考慮碰撞效應(yīng)會明顯低估連續(xù)梁橋抗震性能，在斜交連續(xù)梁橋設(shè)計時應(yīng)考慮碰撞效應(yīng)的影響；斜交角的大小會顯著影響橋梁結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)，但不與斜交角成線性關(guān)系。

斜交連續(xù)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(xù)梁橋發(fā)生了嚴(yán)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(xù)梁橋）發(fā)生了落梁；2008年汶川地震橋梁震害統(tǒng)計表明，無論是全橋失效、嚴(yán)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(guān)大橋發(fā)生了嚴(yán)重?fù)p傷［2］。鑒于斜交橋梁存在較高地震易損性，需對斜交橋進(jìn)行非線性時程分析，探討斜交橋梁地震響應(yīng)規(guī)律。

本文以一實際三跨斜交連續(xù)梁橋為例，考慮結(jié)構(gòu)材料非線性，并在橋墩潛在塑性鉸區(qū)采用集中塑性鉸來模擬橋墩進(jìn)入塑性階段的轉(zhuǎn)動特性。通過改變斜交角（0°、15°、30°、45°和60°）來分析斜交連續(xù)梁橋抗震性能變化趨勢，并得到相關(guān)結(jié)論，可為斜交橋梁抗震設(shè)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(nèi)某高速公路上一座三跨斜交連續(xù)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(jié)構(gòu)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(chǔ)均為群樁基礎(chǔ)，為簡化計算，此處直接將墩底固結(jié)，不考慮樁土相互作用。橋址場地為Ⅱ類，地震設(shè)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(xù)梁橋分析模型，此處采用梁格法進(jìn)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(jìn)入彈塑性階段，因此采用PMM纖維鉸來模擬橋墩的非線性轉(zhuǎn)動。由于支座可能會發(fā)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(yīng)，在橋臺處縱向和橫向及橋墩處橫向均設(shè)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(fā)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(guān)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(guān)系如式（1）。任一時刻支座受力狀態(tài)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(shù)，具體取值可以參考文獻(xiàn)［4］；N為支座豎向力。

圖2　支座滑動判斷準(zhǔn)則

圖3　支座滯回模型

2.3碰撞模型

碰撞是一個非常復(fù)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(tài)：當(dāng)碰撞單元相對位移小于初始間隙時，碰撞不發(fā)生；當(dāng)碰撞單元相對位移大于初始間隙時，結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞現(xiàn)象。圖4為碰撞單元恢復(fù)力圖：

圖4　碰撞單元恢復(fù)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(jié)果分析

為分析碰撞作用對斜交連續(xù)梁橋抗震性能的影響，對每一斜交角下連續(xù)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(jìn)行結(jié)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(xù)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(jié)果要比不考慮碰撞作用的模型計算結(jié)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(yīng)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(xù)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(jié)果要比不考慮碰撞作用的模型計算結(jié)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(nèi)。說明碰撞作用對斜交橋橫橋向地震響應(yīng)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(xù)梁橋有較大影響，在進(jìn)行斜交橋梁抗震設(shè)計及抗震性能評價時應(yīng)考慮橋梁縱橫橋向碰撞效應(yīng)。

3.2主梁轉(zhuǎn)角

支座的滑動會增大上部結(jié)構(gòu)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(fā)生，導(dǎo)致斜交橋主梁會發(fā)生轉(zhuǎn)動。圖7為考慮碰撞與不考慮碰撞作用下，主梁轉(zhuǎn)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(xiàn)為平動，存在較小的轉(zhuǎn)動，當(dāng)考慮碰撞作用后，主梁發(fā)生明顯轉(zhuǎn)動，且隨著斜交角的增加，主梁的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)角

4　結(jié)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(xù)梁橋進(jìn)行了抗震性能分析，并討論了碰撞作用對斜交連續(xù)梁橋地震響應(yīng)的影響?？梢缘玫饺缦陆Y(jié)論：

1）由于斜交角的存在，斜交橋連續(xù)梁橋地震響應(yīng)較直線橋復(fù)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(yīng)。

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(jié)構(gòu)損傷的風(fēng)險，斜交橋抗震設(shè)計時應(yīng)考慮碰撞作用的影響。

3）斜交連續(xù)梁橋的碰撞作用是主梁產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的主要原因，且隨斜交角增加，主梁轉(zhuǎn)角會增加。在地震作用下，易發(fā)生主梁面內(nèi)旋轉(zhuǎn)、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(wèi)林，趙河清，等.汶川地震公路震害調(diào)查-橋梁［M］.北京：人民交通出版社，2012.

［3］ 莊衛(wèi)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(yè)推薦標(biāo)準(zhǔn).公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)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(chǔ).地震作用下結(jié)構(gòu)碰撞的模型參數(shù)及其影響分析［J］.工程力學(xué)，2005，22（5）：142-147.

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［7］ 聶利英，范立礎(chǔ).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(xué)報，2006，19（3）：49-53.

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