地震下城市高架桥横向偏心碰撞响应与防撞效果分析

石 岩， 秦洪果

(1.石家庄铁道大学土木工程学院，河北石家庄050043;2.中交远洲交通科技集团有限公司，河北石家庄050051)

0 引言

地震作用下，桥梁的相邻结构(或相邻桥梁)之间可能会发生碰撞，主要表现为纵向伸缩缝处相邻梁体间的碰撞、上部结构与桥台间的碰撞、梁体与桥墩(台)挡块间横向碰撞以及邻近桥梁间的碰撞。众多研究认为结构的碰撞是影响结构地震反应和结构抗震性能的一个重要因素，许多桥梁结构地震震害表明:桥梁连接构造处的碰撞是引起结构破坏的主要原因之一［1］。国内城市高架桥通常在盖梁两侧设置用于限位和防落梁的横向挡块，为适应材料因温度等因素的变化而产生的伸缩变形对结构的影响，通常在梁体与挡块之间留有一定间隙。在强震作用下桥梁上、下部结构会发生不同相振动，当墩梁相对位移超过横向初始间隙时，梁体与挡块即发生碰撞。Shervin Maleki［2-3］研究认为初始间隙导致结构的地震响应表现为非线性，忽略该间隙可能会导致非常不保守甚至错误的结果。汶川大地震中，桥梁结构横向抗震挡块遭到严重破坏［4-5］，其中部分是由于梁体与其发生碰撞而引起。目前，我国规范仅对挡块进行构造设计，对其强度、刚度及其与梁体间距等均未得到足够的重视。国内外学者［2-3，6-7］分别建立考虑初始间隙的横向碰撞模型进行了地震响应研究，结果表明横向间隙处的碰撞对结构的抗震性能有很大影响，但以上研究皆基于对心碰撞，没有考虑桥梁上部结构的质心与挡块质心的竖向间距，即横向间隙处的碰撞实际是一种偏心碰撞。为此，根据我国城市高架简支梁桥的特点，建立了考虑上部结构与挡块间偏心距、支座非线性的横向单墩碰撞模型，分析了初始间隙及其大小对桥梁结构横向地震响应的影响，并评估了在梁体与挡块间设置橡胶缓冲垫时的防撞效果。

1 分析模型

分析的桥梁为某城市高架桥中的1跨30 m简支T梁桥，上部结构宽7.96 m，横断面由四片T梁组成，桥墩为直径1.5 m的圆柱形墩;上部结构总质量为283.475 t，盖梁质量40.09 t。全桥共设8块圆板式橡胶支座，尺寸为325 mm×88 mm，单个支座的水平刚度为1.3×103kN/m。盖梁两端均设置了钢筋混凝土抗震挡块，挡块长×宽×高为200 cm×30 cm×50 cm。地震响应分析时将结构体系简化为图1所示的单墩横向偏心碰撞模型，其中，m为上部结构质量，e=1.2 m为梁体与抗震挡块间偏心距，c为结构碰撞阻尼，k为碰撞刚度(取5×106kN/m)，ΔG为初始间隙，墩身高度为5 m;为了考虑板式橡胶支座与墩顶和梁底接触面之间产生的滑动，采用双线性模式来模拟支座的力学特性［8］，其水平方向的恢复力模型如图2所示。假设桥梁位于地震烈度9度区，选取表1中的10条地震波，应用结构分析软件SAP2000将每条地震波的加速度峰值调整为0.4 g，沿结构横向输入;桥墩采用弹塑性梁柱单元模拟，支座采用非线性Wen连接模拟，上部结构的质量采用堆积集中质量代表;假定不考虑挡块与盖梁的屈服和破坏，混凝土结构的阻尼比取5%，并采用瑞利阻尼;碰撞单元采用非线性间隙单元模拟，其非线性力-位移关系为:f=其中，Δd为地震作用下梁体与挡块间的横向相对位移。

图1 单墩横向偏心碰撞模型

图2 板式橡胶支座水平恢复力

表1 选用的地震波

2 横向间隙对地震响应的影响

间隙处的碰撞是一种非常复杂的非线性运动，结构在相邻构件的相对靠近位移超过初始间距时，碰撞单元被瞬时激活，结构体系中随之加入了碰撞刚度和阻尼，直至碰撞分离。在结构动力计算过程中，结构体系的状态不断在改变，结构特性也随着运动状态的变化而调整。为了分析横向间隙处偏心碰撞对地震响应的影响，采用图1所示的动力分析模型进行非线性时程分析，得到如图3所示的桥墩地震需求比(墩底最大剪力需求比Vp/Vn、墩底最大弯矩需求比Mp/Mn、墩顶位移峰值需求比dp/dn)，其中下标p和n分别表示考虑偏心碰撞效应和不考虑偏心碰撞效应的墩底最大地震需求。

由图3可以看出，在强震作用下，桥梁上下部结构的不同相振动导致横向间隙处发生偏心碰撞，产生很大的撞击力，受该撞击力的影响，桥墩的地震需求(墩底剪力、墩底弯矩、墩顶位移)成倍的增大，降低了结构的抗震性能，若忽略将非常不保守。

3 初始间隙大小对地震响应的影响

图3 碰撞对桥墩地震需求的影响

叶爱君［9］研究认为横桥向挡块与主梁间不设空隙对桥墩的抗震是有利的，橡胶挡块的设置能有效地减少桥墩的受力;文献［6］、文献［7］则认为在碰撞效应中初始间隙是一个不确定的影响因素。为了分析初始间隙大小对横向地震响应的影响，通过改变横向间隙的初始值，得到4条常见Ⅱ类场地波作用下最大撞击力和墩底最大剪力随初始间隙的变化关系，如图4所示。图5(a)、(b)分别是地震波Ⅰ-1作用下初始间隙为1 cm、5 cm与9 cm、12 cm时的碰撞力时程曲线，图6为不同场地地震波作用下的梁体位移峰值随间隙变化的统计图。

图4 初始间隙大小对地震反应的影响

图5 不同初始间隙下的碰撞力时程

由图4可知，随着初始间隙的增大最大碰撞力和墩底最大剪力的变化没有明显的规律，可见横向初始间隙对结构地震响应的影响具有不确定性，与文献［6］、文献［7］关于对心碰撞的研究结论一致。由图5可以看出，随着初始间隙的增大，挡块与梁体发生的碰撞次数明显减少，碰撞作用时间明显缩短，这对结构本身来说是有利的。但是，随着初始间隙的增大，梁体位移峰值也明显增加，如图6所示。梁体位移过大必然导致桥梁产生横向扭曲错位，也可能使支座失效，进一步引发横向落梁等更严重的破坏形式。长期以来，桥梁支座的震害极为普遍，历来被认为是桥梁整体抗震性能上的一个薄弱环节［10］。为了避免发生过大的梁体位移和墩梁相对位移，保证支座在允许的变形范围内工作，可设置横向挡块、横向限位器或减震装置等，并寻找到一个适合的初始间隙和碰撞刚度，试图达到既能限位又能减小碰撞力和减少碰撞次数的效果。同济大学范立础院士、胡世德教授等［11］设计了橡胶减震挡块，其实现方法是将其粘在原钢筋混凝土挡块上，使地震引起的盖梁水平振动对梁体撞击力成为软撞击，并被挡块吸收和耗散掉，大大减小了撞击力。更值得一提的是，范院士及其团队将该项技术以及高墩和非规则桥梁抗震设计技术应用于四川雅泸高速公路上30余座桥梁，这些桥梁在2008年的汶川大地震中完好无损［12］。

图6 初始间隙大小对梁体位移峰值的影响

4 橡胶缓冲垫的防撞效果分析

倘若为了抵御碰撞的影响，而单纯采用提高结构强度的措施，会造成材料的极大浪费和设计上的困难;若为了减轻或避免结构间的碰撞，而加大抗震挡块与梁之间的初始间隙，将减弱了抗震挡块的横向限位作用，可能引发更严重的破坏。比较可行的方法是通过降低碰撞产生的冲击力，使得碰撞对结构地震响应的影响较小，通常在挡块靠近梁体一侧安装缓冲装置来减轻碰撞［11，13］。日本学者Kazuhiko等［14］研究发现，橡胶缓冲垫的应力-应变关系如图7所示，实验结果表明:100 mm厚250 mm×150 mm矩形橡胶垫的刚度为ks1=6.25 MN/m。

图7 橡胶缓冲垫的应力-应变关系

采用图1所示的偏心碰撞模型，在每个挡块内侧各安装10个橡胶缓冲垫进行时程分析。图8反映了橡胶缓冲垫的防撞效果，即设置防撞措施和无防撞措施的地震响应量之比。

图8 橡胶缓冲垫的防撞效果

从图8可以看出，在挡块内侧安装橡胶缓冲垫时，其防撞效果与输入地震波的特性有关;橡胶缓冲垫可以大幅减小上部结构与挡块之间的碰撞力，平均可减小50%左右;同时可以适当减小墩顶位移、墩底剪力和弯矩，平均可减小20%左右。

5 结论

(1)城市高架简支梁桥横向间隙处的偏心碰撞放大了桥墩的地震需求，降低了结构的抗震性能，若忽略将非常不保守。

(2)横向间隙大小对桥梁结构地震响应的影响具有不确定性，增大初始间隙可明显减少碰撞次数、缩短碰撞时间，但同时也降低了挡块的横向限位和防落梁效果，提高了对支座抗震能力的考验。

(3)通过在挡块与梁体间安装橡胶缓冲垫，可以大幅减小横向间隙处的碰撞力，也可适当减小桥墩的地震响应，达到减轻碰撞的目的。

［1］王军文，李建中，范立础.桥梁结构地震碰撞效应及防落梁措施研究现状［J］.公路交通科技，2007，25(4):71-75.

［2］SHERVIN MALEKI.Effect of side retainers on seismic response of bridges with elastomeric bearings［J］.Journal of Bridge Engineering，2004，9(1):95-100.

［3］SHERVIN MALEKI.Seismic modeling of skewed bridges with elastomeric bearings and side retainers［J］.Journal of Bridge Engineering，2005，10(4):442-449.

［4］熊文林，蔡向阳.汶川大地震棉广高速桥梁震害分析［J］.华中科技大学学报:城市科学版，2009，26(1):119-122.

［5］庄卫林，刘振宇，蒋劲松.汶川大地震公路桥梁震害分析及对策［J］.岩石力学与工程学报，2009，28(7):1377-1387.

［6］邓育林，彭天波，李建中.地震作用下桥梁结构横向碰撞模型及参数分析［J］.振动与冲击，2007，26(9):104-107.

［7］聂利英，李建中，范立础.地震作用下结构碰撞的模型参数及其影响分析［J］.工程力学，2005，22(5):143-146.

［8］范立础，聂利英，李建中.地震作用下板式橡胶支座滑动的动力性能分析［J］.中国公路学报，2003，16(4):30-35.

［9］叶爱君.大跨度桥梁抗震设计［D］.上海:同济大学，1998.

［10］范立础.桥梁抗震［M］.上海:同济大学出版社，1997.

［11］范立础，胡世德.橡胶减震挡块:中国，96230918.4［P］.1997-08-27.

［12］中国土木工程学会.我会副理事长范立础院士主持的桥梁减震项目获国家科技进步一等奖［EB/OL］.［2010-01-13］.http://www.cces.net.cn/guild/sites/tmxh/read_xhyw_20801.html.

［13］王军文，李建中，范立础.非规则梁桥横桥向地震碰撞反应分析［J］.振动与冲击，2010，29(6):25-30.

［14］KAWASHIMA K，GAKU SHOJI.Effect of restrainers to mitigate pounding between adjacent decks subjected to a strong ground motion［C］.Auckland:12WCEE，2000.