长周期地震动作用下隔震梁桥碰撞效应研究

孙 颖，陈天海，卓卫东，谷 音，许智星

(1.福州大学土木工程工学院，福建 福州 350108；2.福建省建筑科学研究院，福建 福州 350025)

长周期地震动对桥梁结构的影响主要表现为共振（或类共振）现象[1-2]．对于桥梁结构而言，具有长周期振动特点的结构除大跨径结构（斜拉桥、悬索桥等）之外，还有一类结构同样具有长周期振动特性，即在常规地震动作用下抗震性能良好的减隔震桥梁．此类结构通过人为增设减隔震装置达到了延长结构固有周期的目的，从而避开常规地震动的卓越周期，达到降低结构地震反应的目的．但当结构遭遇长周期地震动作用时，仍面临着如位移过大、碰撞等巨大考验．截止目前，针对长周期地震动作用对桥梁结构地震反应的影响的研究主要集中在几个方面：一是针对桥梁结构自身为长周期结构地震反应特点研究，此类研究主要针对大跨径结构如斜拉桥[3]开展；二是针对隔震桥梁在长周期地震动作用下结构地震反应特点开展研究，此类研究的重点表现为隔震装置的减震效率以及桥梁结构自身地震反应反应特点(内力、位移)的变化情况．研究结果表明：在长周期脉冲型地震作用下，隔震支座的减震效果有一定的下降，梁体纵桥向位移有所增长，易造成相邻梁体的碰撞甚至发生落梁，因此，建议近断层地区桥梁不宜采用铅芯橡胶隔震支座[4-6]．由此可见，长周期地震动作用对隔震梁桥地震反应有较为明显的影响，特别是上部结构的位移反应，这在一定程度上放大了结构出现碰撞的概率，但目前的研究尚未设计到长周期地震动作用对隔震梁桥碰撞效应的影响．因此，本文以隔震梁桥为研究对象，重点探讨长周期地震动作用下隔震梁桥的碰撞反应以及伸缩缝装置参数变化对结构碰撞反应的影响程度．

1 有限元模型的建立及地震动输入

1.1 基本参数

五跨一联的连续梁桥上部结构跨径布置为 5×40 m，采用单箱单室箱梁截面，梁高2.4 m，顶板宽12.5 m，底板宽6.25 m，腹板厚度自端部0.8 m线性变化至跨中0.45 m．主梁采用C50混凝土．为考虑上部结构邻跨间的碰撞，本文在基准桥两侧各增加一跨32 m简支箱梁．中墩及主梁连接处的桥墩均采用花瓶式桥墩，墩高15 m，材料为C40混凝土，桥墩断面右顶部6.0 m×3.0 m圆端形截面变化至墩底断面为4.5 m×3.0 m圆端形截面，截面在墩顶以下6.4 m范围内变化．结构布置图如图1所示．

图1 桥梁总体布置图（单位：m）Fig.1 General arrangement of bridge (Unit: m)

1.2 有限元模型的建立

本文采用 SAP2000通用有限元软件建立基准桥分析模型．其中，梁体采用空间弹性梁单元模拟，单元质量以集中质量形式模拟，刚度定义为无裂缝时刚度；桥墩采用空间梁单元模拟，与主梁类似，其刚度取无缝时刚度，不考虑其非线性变形，结构的非弹性变形仅发生在隔震装置[7]．为简化计算，外部边界条件取为墩底固结．

为考虑碰撞效应而在主梁梁端增设的简支梁，则通过节点束缚分别与基准桥桥墩墩顶相连，纵桥向设置为滑动连接；此处伸缩缝则采用缝单元模拟可能产生的碰撞效应，其行为描述如下：

其中：open为初始缝宽度，设置为最大伸缩量 80 mm．k为弹簧常数，取碰撞梁体的轴向刚度[8]．

本文的研究对象为隔震桥梁，所采用的隔震装置为铅芯橡胶支座(LRB)与摩擦摆隔震支座(FPB)．LRB支座的滞回曲线理论上选用双线性模型进行模拟，程序中采用Wen模型予以实现，其滞回性能如图2所示．LRB支座在1#～6#墩墩顶各布设两个，其具体型号及相关参数如表1所示．

摩擦摆支座采用程序中提供的摩擦摆动支座的非线性连接单元进行模拟，该单元在剪切变形上与摩擦塑性耦合，具有在剪切方向上的滑移后刚度，在轴向上具有缝行为，单元不能承受轴拉力．其力学行为模式如图3所示．摩擦摆支座的参数取值如表2所示．

图2 LRB滞回曲线简化双线性模型Fig.2 Simplified bilinear model of hysteretic behavior of LRB

图3 摩擦摆支座滞回性能模型Fig.3 The model of hysteretic behavior of FPB

表1 LRB支座参数Tab.1 The parameters of lead rubber bearings

表2 FPB支座参数Tab.2 The parameters of friction pendulum bearing

1.3 地震动输入

基准桥在近场及远场地震动作用下的碰撞反应已在文献[9]中进行了讨论．由分析结果可知，长周期地震动较易使隔震连续梁桥相邻跨发生碰撞．本文从其中挑选碰撞反应较为明显的4条长周期地震动记录作为本文的地震动输入(见表3)，探讨伸缩缝参数变化对结构碰撞效应的影响．

表3 长周期地震动记录Tab.3 The records of long-period ground motion

2 伸缩缝宽度变化对碰撞的影响

伸缩缝宽度的选择，应考虑上部结构在气温变化、混凝土收缩与徐变等影响下的伸缩量．然而在长周期地震作用下，隔震连续梁桥的梁体位移被放大[9]，此时，伸缩缝宽度的设置还要考虑梁间发生碰撞时，伸缩缝宽度对碰撞响应（最大碰撞力、总碰撞次数）的影响．本文选取基准桥的1#墩最为分析对象，取伸缩缝宽度为4 cm、6 cm、8 cm、10 cm、12 cm等5个宽度值，来模拟分析不同宽度对结构地震反应的影响．图4～图5分别绘出了伸缩缝宽度变化对最大碰撞力及总碰撞次数的影响规律．

由图可知，远场长周期地震动作用对LRB隔震梁桥的碰撞影响较大，而FPB隔震结构的碰撞反应则对近场长周期地震动更为敏感．从定量角度来看，在同等强度地震动作用下，FPB隔震结构的最大碰撞力低于LRB隔震结构约1/2．此外，从碰撞力的变化趋势来看，伸缩缝宽度增大对LRB隔震结构碰撞力的影响较FPB隔震结构明显．从碰撞次数的变化规律来看，FPB隔震结构在减小碰撞次数的效果方面优于LRB隔震结果，且其受伸缩缝宽度的影响较小．

总之，无论是是在近场长周期地震动作用亦或是远场长周期地震动作用下，伸缩缝宽度的变化可使结构的碰撞响应发生较大改变．较大的伸缩缝宽度值，可有效减小主梁的碰撞力和碰撞次数，当宽度值取的足够大时，甚至可以避免碰撞的发生．从减少碰撞发生的角度来看，FPB隔震结构对伸缩缝宽度的要求明显低于LRB隔震结构．

在实际应用中，伸缩缝宽度的设置还要考虑梁体正常使用状态下的运动．伸缩缝宽度过小时，就不能满足桥梁在地震作用下的位移需求，甚至无法满足正常使用阶段下因温度、徐变作用所产生的伸缩量；较大的缝宽虽然可以满足主梁运动时所需的位移，而且可以有效减少主梁的碰撞次数和碰撞力，然而过大的缝宽在实际中并不适用，原因在于过大的间隙会影响桥梁的平顺性，因此伸缩缝宽度的设置应综合考虑桥梁正常使用状态的要求同时还要根据所采用的隔震装置的类型兼顾其地震反应的需求．

图4 伸缩缝宽度变化对最大碰撞力的影响Fig.4 Effect of width of expansion joint on maximum collision force

图5 伸缩缝宽度变化对总碰撞次数的影响Fig.5 Effect of width of expansion joint on total collision times

3 伸缩缝刚度变化对碰撞力的影响

由于梁体位移增大产生碰撞效应，对梁间伸缩缝的碰撞弹簧刚度取值仅会直接影响到碰撞力的计算结果[9]，因此，本文主要讨论伸缩缝刚度变化对结构碰撞力的影响．在进行该分析时保持伸缩缝宽度0.08 m不变，将文献[8]提及的截面碰撞刚度按式(1)进行修正[10]:

其中：EA取为2.7×108kN；α为控制截面刚度取值的系数，其取值范围在0.2～1.0之间[10]．

根据文献[9]对基准桥碰撞效应的初步分析结果可知，LRB隔震结构在1.3节中四条地震动作用下的碰撞效应明显，但对FPB隔震结构来说，当伸缩缝宽度保持在8 cm时，仅2号地震动作用下结构出现碰撞，因此，在本文仅考虑在2号地震动记录作用下伸缩缝刚度变化对 FPB隔震结构碰撞效应的影响．图 6给出了刚度修正系数α变化对最大碰撞力的影响规律．

图6 伸缩缝刚度变化对最大碰撞力的影响Fig.6 Effect of stiffness of expansion joint on maximum collision force

显而易见，伸缩缝碰撞刚度的变化，可以使结构的碰撞响应发生一定改变．无论是远场长周期地震动作用还是近场长周期地震动作用，碰撞力均随伸缩缝刚度的增大而增大，LRB隔震结构的最大增幅为25%，FPB隔震结构的最大增幅为17%；由最大碰撞力数值来看，在相同长周期地震动作用下，FPB隔震结构的最大碰撞力仅为 LRB隔震结构的79%．相比可知，FPB隔震支座在降低结构碰撞力方面的性能优于LRB隔震支座．

此外，碰撞力的大小与碰撞刚度有直接的关系．规律显示，减小碰撞刚度可以显著减小碰撞力带来的影响．因此，在不改变主梁刚度且能达到减小碰撞力的目的要求下，在伸缩缝间设置压缩刚度较小的缓冲材料不失为一种有效的方法．

4 结论

本文以设置LRB隔震支座及FPB隔震支座的五跨一联连续梁桥为研究对象，探讨了伸缩缝参数变化对结构最大碰撞力及碰撞次数的影响，并得到以下结论：

(1)伸缩缝宽度对长周期地震动作用下隔震结构的最大碰撞力及总碰撞次数有较为明显的影响，伸缩缝宽度越大，最大碰撞力及总碰撞次数越低；

(2)伸缩缝宽度的设置应综合考虑桥梁结构正常使用状态以及地震作用下的碰撞反应；

(3)伸缩缝刚度对最大碰撞力有明显的影响，在不改变主梁刚度的前提下，可在伸缩缝处增设压缩刚度较小的缓冲材料以达到降低碰撞力的目的；

(4)综合隔震连续梁桥在长周期地震动作用下伸缩缝参数变化对上部结构最大碰撞力及总碰撞次数的影响规律可知，设置FPB隔震支座的连续梁桥其最大碰撞力及总碰撞次数均小于设置 LRB隔震支座的连续梁桥，即在降低碰撞风险的方面FPB隔震支座优于LRB隔震支座．

本文虽然针对隔震连续梁桥开展了部分碰撞效应研究，由于所选用的长周期地震动数量有限，研究对象单一，因此所得结论具有一定的局限性，还有待后续研究予以验证．

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