桥梁伸缩缝处的碰撞效应分析

周锋 祝天瑞

摘要：地震是严重危害人类的一大自然灾害，提高桥梁的抗震能力，使桥梁在地震时能起到安全疏散、避难的作用，地震后确保抗震救灾重建家园的交通需要，是桥梁工程中的重要课题。本文在前人研究的基础上，对相关领域的国内外研究现状尤其是伸缩缝处的碰撞效应进行了总结和分析。

关键词：桥梁；伸缩缝；碰撞效应

中图分类号：K928.78 文献标识码：A 文章编号：

一、概述

桥梁是生命线工程的重要组成部分，是交通运输的枢纽工程，在抗震救灾中处于极其重要的地位。因此，充分研究桥梁结构在地震中的破坏模式，提高桥梁的抗震能力，使桥梁在地震时能起到安全疏散、避难的作用，地震后确保抗震救灾重建家园的交通需要，是桥梁工程中的重要课题。

二、国内外研究现状

对于桥梁结构在地震效应作用下的理论研究，近年来国内外侧重于以下几个方面的研究：

1.曲线梁桥的研究

2.钢筋混凝土构件的空间弹塑性分析

3.桥梁地震反应损伤评估

4.伸缩缝处的碰撞效应

下文主要针对伸缩缝处的碰撞效应进行总结和分析。

三、伸缩缝处的碰撞效应

碰撞对桥梁结构地震反应影响，各国学者的观点并不相同。在近些年发生的地震中，由于碰撞所导致的房屋和桥梁结构的破坏对城市和人民的生命财产安全产生了越来越重要的影响，相邻结构在地震作用下相互碰撞甚至发生倒塌。桥梁在地震中的碰撞，比较典型的有：相邻跨上部结构的碰撞，上部结构与桥台的碰撞以及相邻梁间的碰撞。碰撞震害会产生非常大的撞击力，从而使结构受到破坏。在历次地震中由于上部结构的碰撞导致落梁直至整个结构毁坏的现象也不少见。在我国唐山大地震中滦河桥的严重落梁破坏在很大程度上就是由于碰撞作用引起的，这种碰撞行为一般造成主梁梁端开裂、桥台胸墙局部混凝土脱落、伸缩缝挤压等机构轻微的破坏，但某些情况下碰撞会引起桥梁结构发生严重的落梁事故。在国外1994 年Northridge地震中，在洲际 5 号道和洲际 14 号道交叉道（距震中大约 12公里）的伸缩缝和附近的一些桥梁的耸立桥台出产生了严重的碰撞破坏，引起了有关专家的高度重视；在 1989 年洛马普利塔地震中，一段低矮的路面与支撑高架桥南段桥面的高柱发生的碰撞导致路面和柱的两侧遭受严重损坏，调查后得出结论，高度的显著差异以及相邻桥梁构件固有频率不同是造成碰撞的主要原因。另外，有关墩高相同时上部结构单元之间的碰撞对结构响应的影响也从一座距洛杉矶 85 公里的高速公路桥的震害得到了证实，该座桥梁被安装了一系列的加速度计，得到的记录显示出很多尖峰，这些尖峰点的幅值是地震输入最大加速度的十倍多，研究人员认为尖峰点的出现是由地震波传播效应引起桥梁碰撞产生的。1995 年日本阪神地震时，Hanshin高速公路上部结构单元沿桥向的运动达到了 0.3m，在伸缩缝处引起了相当大的碰撞损伤，在这次地震中关于高架桥损失的报告中指出，支座断裂是引起邻梁碰撞和落梁的原因，并且认为碰撞力的碰撞特征增加了结构部件脆性断裂的可能性。因此，开展这方面的研究具有理论和工程实际两方面的意义。

碰撞产生的直接原因在于相邻结构间的相对位移反应超过了伸缩缝的允许间隙。在桥梁结构中，产生这种相对位移的原因可以概括为：（1）桥墩（台）的刚度、质量以及动力特性不一致；（2）输入地震波的空间变化，如行波效应；（3）地基或场地的不均匀性或基础形式不同；（4）由结构构件非线性变形、破坏带来的相对位移反应。近几十年来，由于桥梁隔震、减震设计的发展，在桥梁结构中大量采用柔性橡胶支座，这将会导致桥梁上部结构在强烈地震作用下发生较大的位移反应，而桥梁结构的伸缩缝宽度往往依据上部结构的温度伸缩、徐变、制造误差等因素决定，通常小于强震中产生的相对位移，这就使桥梁上部结构在地震中发生碰撞的可能性增大。

在过去对建筑物在地震作用下碰撞问题的研究工作主要集中在以下四个方面：一是通过实际震害来观察和了解碰撞造成的危害程度。尤其是 1985 年墨西哥城地震产生的巨大损失引起了世界范围内对碰撞危害性的关注，到目前为止全世界的地震专家们已经积累了大量丰富而宝贵的有关碰撞灾害的资料，这对于碰撞地震反应的分析和研究有着重要的参考价值；二是对不同形式的理想化模型进行碰撞动力学的解析研究以及对碰撞现象的模拟。由于碰撞问题的本质是非线性的，早期的绝大多数解析工作为了使问题简化采用单自由度振子来求得定性的结果，主要目的是获得在碰撞作用下对结构宏观行为的理解，并发展处理碰撞问题的简化方法。三是针对特定的碰撞部位进行解析的研究。为了得到实际结构的真实响应，Maison和Kasai等人发展并研究了较为复杂的多自由度体系结构模型，以前对多自由度碰撞模型的研究工作多局限于对相邻建筑物的碰撞进行二维模拟，这种二维模型采用碰撞单元来描述碰撞效应，每个单元由弹簧和阻尼器组成，弹簧用于控制碰撞持时，阻尼器用于表述能量损失，Cross和Jones曾根据假定的碰撞持时和恢复系数确定出了弹簧刚度和阻尼系数，这样使二维碰撞模拟得以实现。四是如何减少碰撞造成的危害。已经提出的减少碰撞损失的措施包括在建筑间隙设置吸能材料、扩大结构间距、加强相邻建筑物的连接以及确保整体性等等。

日本阪神地震后，隔震技术在桥梁上的应用越来越多，但由于隔震桥梁延长结构的固有周期，并导致大位移从而增加了碰撞的可能性。无约束活动节点处的位移过大使得桥跨在纵向的相对位移超出支座长度引起的桥梁破坏的例子是相当多的。这个问题在高墩柱的多跨桥梁中尤为突出。用活动节点隔开的相邻桥跨结构的运动可能是异相的，这就增加了节点的相对位移。由于低估了地震位移，使得相邻结构之间的预留间距不足以防止冲击破坏发生。这种问题主要发生在高度不同的相邻结构之间，即标高较低的上部结构与相邻较高的结构的支柱之间发生冲撞。桥梁构件之间的冲击力可能会相当大，以至于使得单元内部的剪切力增大到可能发生脆性剪切破坏的程度。因此我们必须正确估计结构的变形并预留足够的间距以避免不同高度的结构之间发生冲撞破坏。抗震规范中明确规定增大相邻梁的间距以避免碰撞，另一方面，增大了间距也会带来一些新的问题，这些也都是需要解决的。

小结

随着城市交通体系的快速发展，大跨度立交桥梁得到越来越多的应用。城市大部分立交桥梁属不规则结构，在地震作用下的反应比较复杂，它在地震中安全和经济性在很大程度上有赖于抗震设计方法的合理性和准确性，因此进一步开展大跨度城市立交桥梁抗震设计的研究具有非常重要的意义。对于地震工程的研究来说，总结和分析震害经验一直是改进抗震设计的重要途径。计算分析和数值模拟是进行大跨度城市立交桥梁地震反应研究的一个重要手段，合理和精细的分析有助于进一步探讨和总结大跨度城市立交桥梁地震反应的规律和特点。

参考文献：

【1】王 丽大跨度立交桥抗震设计理论与方法 [D]. 北京工业大学博士学位论文, 2005.

【2】Tatsuo Ogata, Koji Osada. Seismic Retrofitting of Expressway Bridges in Japan,Cement and Concrete Composites. 2000,22:17～27

【3】赵成刚，冯启民. 生命线地震工程. 地震出版社，1994: 91～116

【4】李杰, 李国强. 地震工程学导论. 地震出版社,1992

作者简介：周锋，北京，工程师，从事桥梁设计和研究；

祝天瑞，北京，工程国家一级注册结构工程师，硕士，从事民用建筑和大跨工程结构。