王亮　李明輝　劉冠沖

摘要：隨著世界經(jīng)濟的不斷發(fā)展，世界各國都在致力于建立更加快速、便捷的陸路交通網(wǎng)絡(luò)。城市高架曲線梁橋因具有很好地克服地形、地物的限制，滿足路線整體線形的連續(xù)性的特點，在緩解城市交通起到至關(guān)重要的作用。作為交通樞紐中重要的組成部分，地震災(zāi)害發(fā)生時橋梁結(jié)構(gòu)一旦發(fā)生損壞，將加劇次生災(zāi)害發(fā)生，導(dǎo)致嚴重的經(jīng)濟損失。由于曲線橋地震作用下動力響應(yīng)的獨特性以及復(fù)雜型，在突發(fā)地震作用下，與直線橋梁相比，極易造成破壞，地震作用下主梁與橋墩連接較為薄弱，更多地發(fā)生橫、縱向位移，乃至最終落梁。在墳川地震、東日本大地震以及最近發(fā)生的熊本地震、厄瓜多爾地震中，震區(qū)大量的公路橋梁嚴重損毀，發(fā)生倒塌破壞?；诖耍恼潞喴治隽藦娬鹱饔孟虑€連續(xù)梁橋碰撞響應(yīng)，以供參考。

關(guān)鍵詞：強震；曲線連續(xù)梁橋；碰撞響應(yīng)

引言

受山區(qū)地形、地貌和路線走向的影響，曲線梁橋被廣泛應(yīng)用于橋梁建設(shè)中。曲線梁橋相應(yīng)復(fù)雜特征使得曲線梁橋在強震下容易發(fā)生支座損壞、擋塊斷裂，甚至落梁等震害，如圣費南多地震、汶川地震中均發(fā)生曲線梁橋落梁震害。目前在直線梁橋地震響應(yīng)方面，許多學(xué)者開展了較為詳細的研究，已有的研究結(jié)果表明碰撞對結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)有很大的影響。在曲線梁橋地震響應(yīng)研究方面，王天利、李黎等研究了曲線梁橋在地震作用下的碰撞效應(yīng)，王天利對比分析了曲線匝道橋橋墩處和橋臺處伸縮縫的地震碰撞響應(yīng)的差距，研究發(fā)現(xiàn)取消橋臺處伸縮縫更有利于曲線梁橋的抗震；李黎采用非線性時程分析法研究了一座采用鉛芯橡膠支座的曲線梁橋，研究表明采用隔震支座可以明顯消耗碰撞過程中產(chǎn)生的能量。

1橋梁概況

某城市立交橋D匝道中橋橋段，D匝道中橋為曲率半徑為50m的曲線梁橋。該曲線匝道橋共有兩聯(lián)4跨、3道縫寬均為50mm的伸縮縫（50型伸縮縫）。為分析曲線梁橋在地震作用下的碰撞情況，保留原橋中的3道50型伸縮縫，并在兩端設(shè)置橋臺。

圖中的右側(cè)橋臺和①號橋墩之間為第1跨，①號橋墩與②號橋墩間為第2跨，②號橋墩與③號橋墩間為第3跨，③號橋墩和左側(cè)橋臺為第4跨。

2輸入地震動

本文采用ABAQUS軟件建立有限元模型，采用隱式算法Newmark方法來進行動力方程求解。接觸碰撞過程是非線性問題，對非線性動力方程，采用修正Newton-Pophson迭代法。

本文建立的曲線梁橋模型有3個橋墩，根據(jù)規(guī)范要求應(yīng)分別沿①號橋墩與②號橋墩連線方向、②號橋墩與③號橋墩連線方向輸入地震動。通過分析發(fā)現(xiàn)，地震動沿②號和③號橋墩連線方向輸入對曲線橋結(jié)構(gòu)碰撞的影響最大，因此，主要分析MEX00003波沿②號和③號橋墩連線方向輸入時曲線橋的碰撞響應(yīng)。

3強震作用下曲線連續(xù)梁橋碰撞響應(yīng)分析

3.1伸縮縫處碰撞力分析

輸入地震動之后，當相鄰結(jié)構(gòu)相對位移超過伸縮縫間距便發(fā)生碰撞。根據(jù)模型中接觸面的接觸設(shè)置，當結(jié)構(gòu)未發(fā)生碰撞，碰撞力為0，一旦發(fā)生碰撞就會瞬間產(chǎn)生很大的碰撞力。碰撞力是將接觸面每個單元的接觸應(yīng)力進行積分得到，即碰撞力是伸縮縫處接觸面發(fā)生碰撞的集中體現(xiàn)。

本節(jié)提取三個伸縮縫處的時程分析過程中的碰撞力，以確定主梁與主梁（橋臺）之間是否發(fā)生碰撞。由于多個時刻都存在碰撞力，即說明三個伸縮縫處的相鄰結(jié)構(gòu)在地震作用下發(fā)生了多次碰撞。但不同伸縮縫的碰撞響應(yīng)差別很大，長聯(lián)伸縮縫處發(fā)生碰撞（2.61s）是最早的，且是碰撞力最大的（16.45MN）。中間伸縮縫和短聯(lián)伸縮縫的碰撞主要發(fā)生在地震作用的中間時刻，中間伸縮縫碰撞力最小。

3.2伸縮縫接觸面的碰撞應(yīng)力分析

碰撞力是接觸面碰撞的整體表現(xiàn)，不能體現(xiàn)接觸面上具體的碰撞位置以及該位置對應(yīng)的碰撞應(yīng)力。相鄰結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞并不是整個接觸面上的所有單元都發(fā)生碰撞，而是局部發(fā)生碰撞。不同伸縮縫處發(fā)生碰撞的位置是不同的，短聯(lián)伸縮縫處是箱梁頂板與外側(cè)腹板交接處和橋臺發(fā)生碰撞；中間伸縮縫處是相鄰主梁的箱梁頂板外側(cè)發(fā)生碰撞；長聯(lián)伸縮縫處是箱梁頂板與內(nèi)側(cè)腹板交接處和橋臺發(fā)生碰撞。雖然不同伸縮縫的最大碰撞力不同，但發(fā)生最大碰撞力的時刻與單元發(fā)生最大碰撞應(yīng)力的時刻基本一致。為進一步確定不同節(jié)點的應(yīng)力響應(yīng)，得到不同伸縮縫兩端節(jié)點碰撞應(yīng)力隨時間的變化圖，可以看出，3個伸縮縫的內(nèi)側(cè)和外側(cè)邊緣節(jié)點的碰撞響應(yīng)差異都很大，說明曲線梁橋伸縮縫處發(fā)生偏心碰撞。

3.3伸縮縫相鄰結(jié)構(gòu)的損傷分析

曲線梁橋相鄰構(gòu)件之間的碰撞引起結(jié)構(gòu)的強烈振動，由碰撞產(chǎn)生的碰撞力與結(jié)構(gòu)自身的慣性力相互作用，對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損傷破壞。損傷是地震作用下的累積破壞，通過分析最后時刻（t=50s）的壓縮損傷率n，n=0時表示沒有發(fā)生損傷，n=1時表示完全損傷，可見產(chǎn)生最大碰撞應(yīng)力的位置也是受壓損傷最嚴重的地方，這說明碰撞部位瞬間產(chǎn)生巨大接觸壓力，對橋梁結(jié)構(gòu)有損傷破壞作用。長聯(lián)橋臺處損傷最嚴重，最大損傷率接近n=0.5。可以發(fā)現(xiàn)中間伸縮縫處的短聯(lián)和長聯(lián)的損傷部位存在差異，這是由于支座的約束條件不同導(dǎo)致。強震作用下主梁和滑動支座可能發(fā)生分離，再加上曲線梁橋的扭轉(zhuǎn)作用，相鄰結(jié)構(gòu)易發(fā)生錯動，引起結(jié)構(gòu)發(fā)生錯動碰撞。

3.4橋墩地震響應(yīng)分析

考慮碰撞響應(yīng)時墩頂位移有所增加，徑向位移增幅較大，這是因為碰撞響應(yīng)加劇了主梁的扭轉(zhuǎn)，大幅增加了墩頂徑向位移。橋墩底部發(fā)生剪切破壞，是導(dǎo)致橋梁破壞的一個重要原因。提取每個橋墩的墩底徑向和切向剪力以及墩底彎矩。碰撞對墩底剪力和彎矩影響微小。這是因為碰撞產(chǎn)生的碰撞力方向與慣性力方向相反，二者相互抵消一部分，再加上隔震支座的剪切變形作用，導(dǎo)致碰撞反應(yīng)對墩底剪力和彎矩的影響有限。

結(jié)論

分析發(fā)現(xiàn)強震作用下曲線梁橋極易發(fā)生碰撞，且碰撞瞬間產(chǎn)生很大的碰撞力，導(dǎo)致相鄰構(gòu)件損傷?？紤]碰撞響應(yīng)顯著增加了主梁的徑向位移，對墩頂位移和墩底扭矩也有明顯影響，進一步加劇了橋墩的破壞。（1）相比接觸單元或梁一柱單元有限元模型，采用三維實體單元模型可以確定接觸面發(fā)生碰撞的具體位置以及相應(yīng)位置處的碰撞應(yīng)力，更能有效模擬分析曲線連續(xù)梁橋在地震作用下的不均勻碰撞效應(yīng)。（2）強震作用下曲線梁橋極易發(fā)生碰撞，碰撞瞬間產(chǎn)生很大的碰撞力，導(dǎo)致鋼筋混凝土構(gòu)件損傷。曲線梁橋相鄰結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞并不是整個接觸面上的所有單元都發(fā)生碰撞，而是局部發(fā)生碰撞。由于曲線橋彎扭耦合現(xiàn)象明顯，相鄰結(jié)構(gòu)易發(fā)生錯動，引起結(jié)構(gòu)的錯動碰撞。受曲線梁橋支座類型和主梁曲率的影響，各伸縮縫處產(chǎn)生最大碰撞力的位置是不同的，同一接觸面上不同節(jié)點發(fā)生碰撞的時間不同，碰撞應(yīng)力也有所區(qū)別。（3）碰撞產(chǎn)生的碰撞力與慣性力方向相反，對主梁、橋臺與橋墩頂部的切向位移有一定限制，所以考慮碰撞后切向位移增幅相比于徑向位移的增幅要小。但由于曲線梁橋的扭轉(zhuǎn)作用導(dǎo)致相鄰結(jié)構(gòu)易發(fā)生單側(cè)碰撞，單側(cè)碰撞引起主梁轉(zhuǎn)動，導(dǎo)致墩底扭矩明顯增大。（4）在曲線梁橋抗震設(shè)計中應(yīng)考慮碰撞響應(yīng)對結(jié)構(gòu)的影響，并積極采取減輕碰撞響應(yīng)的措施。例如可以采用高阻尼橡膠減震支座，有效提高結(jié)構(gòu)安全性和抗震能力，明顯減小橋梁控制截面彎矩值和位移響應(yīng)，提高了橋梁的整體抗震性能。