斜拉桥主桥与引桥碰撞反应研究综述

寇培培 / 石家庄铁道大学土木工程学院



斜拉桥主桥与引桥碰撞反应研究综述

寇培培 / 石家庄铁道大学土木工程学院

【摘 要】大跨斜拉桥一般采用飘浮体系或弹性约束体系，其在强震作用下梁端会发生很大位移，梁端的过大位移可能会导致主梁与相邻跨引桥的碰撞，使整个结构丧失整体性。本文从桥梁碰撞的影响因素、模拟模型以及防止碰撞的措施等方面，对国内外有关斜拉桥碰撞地震反应研究的成果进行了系统的总结和分析，得出以下结论：斜拉桥主引桥碰撞是由多种因素共同作用所发生的，并使得桥梁的碰撞效应更加复杂；要准确分析桥梁地震碰撞反应需要建立精确、合理的模拟模型；选择合理的伸缩缝间距以及安装合适的消能减震装置，可以有效地减小桥梁的地震碰撞效应。

【关键词】斜拉桥；引桥；碰撞；地震反应

随着社会的发展，交通线所发挥的作用越来越强，一旦地震发生，会使交通线遭到破坏，可能导致的生命财产损失将非常巨大。几次大地震一再显示了桥梁工程破坏的严重后果，也一再表明桥梁抗震研究的重要性，斜拉桥的抗震安全性问题越来越受到重视。由于斜拉桥主、引桥结构体系不同，结构的动力特性相差较大，在地震作用下相邻联易发生非同向纵向振动，造成伸缩缝处相邻梁体较大相对位移，导致相邻联在伸缩缝处易发生碰撞，碰撞效应极有可能增大桥梁的地震需求，导致桥梁出现严重损伤甚至落梁。如1989年美国Loma Prieta地震中，由于设计低估了相邻桥跨间的相对位移，预留的支承面太窄，致使奥克兰海湾大桥相邻跨引桥落梁；1995年日本阪神地震中西宫港大桥(主跨252m的钢系杆拱桥)第一跨引桥脱落，原因是主桥和引桥间的相对位移过大，桥墩的支承面太窄，而支座、连接限位构件又失效。要解决斜拉桥存在的碰撞问题，需先对其产生机理、影响因素等要有准确的认识，以此为基础，提出有效的防治方法。目前国内外学者关于地震引发的斜拉桥主引桥的碰撞研究已经取得了许多成果。

1.影响桥梁伸缩缝间碰撞发生的因素研究现状及动态

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。桥梁结构的碰撞是由很多因素共同作用导致的，其最主要的因素包括相邻桥跨动力特性的差异(即质量与刚度的差异)、地震动特性、伸缩缝大小、支座的摩擦、相邻结构的材料及接触面等。地震动的空间效应也是影响桥梁碰撞的主要因素。输入地震动的空间效应引起各支承点的不同步输入，从而引起相邻结构的非同向振动导致碰撞的发生。

1.1相邻桥跨动力特性的差异

决定两相邻跨桥梁之间是否发生碰撞的主要参数是两相邻跨桥梁之间的周期比(即T1／T2 )，其中T1和T2分别为相邻两跨桥梁各自的自振周期。随着周期比的减小，即主、引桥纵向基本周期差距逐渐变大，伸缩缝处的碰撞效应逐渐增加，不仅碰撞次数增加，碰撞力的峰值也处于增加变化的趋势。这说明了相邻结构的动力特性差异越明显，则碰撞效应越明显；相邻结构的动力特性越接近，则碰撞效应越不显著。

1.2伸缩缝间隙的大小

随着伸缩缝间隙的减小，碰撞效应不仅会使伸缩缝处的碰撞力有较大增长，也使引桥墩底内力及引桥墩梁相对位移的需求有很大增长，但减小了塔底内力及主梁与过渡墩相对位移的需求。

1.3地震动的空间效应

考虑地震动空间变化后相邻桥跨结构的碰撞效应会被放大，伸缩缝处的碰撞效应可能会大幅度增大墩梁的相对位移，从而增大了地震作用下发生落梁的风险。

2.碰撞效应模拟方法研究现状及动态

目前，对桥梁地震碰撞作用模拟方法有接触单元法和恢复系数法两类。在接触单元法中，在两相邻主引桥之间设置一个接触单元，碰撞发生时接触单元被激活。接触单元用刚度很大的线弹性弹簧模拟以避免相邻节段碰撞时发生材料的重叠，但过大的碰撞刚度不仅会带来数值计算的稳定性问题，在分析结果中还可能会出现失真的过大撞击力。接触单元有时采用阻尼器并联弹簧来进行模拟，其中阻尼器用来模拟碰撞过程中能量的耗散。其中接触单元模型有Hertz模型、Hertz-damp模型、线性弹簧模型、Kelvin模型等几种。恢复系数法是一种经典的力学分析方法，它运用恢复系数以及动量守恒定律来确定两相邻桥梁碰撞发生后的速度。恢复系数法可以处理两个刚体间的碰撞问题，其具有算法简单、物理概念清楚等优点；但碰撞接触时间和恢复系数要事先给定，并不适合用于持续时间较长的碰撞情形，而且其不易与商业软件相结合，因此限制了恢复系数法的使用范围。

3.防碰撞措施研究现状及动态

已有许多学者在对建筑及桥梁结构的地震碰撞问题进行研究的基础上，提出了几种不同的缓解地震碰撞的方法，主要包括在相邻结构间填充适当的材料以减轻碰撞效应，增加主引桥之间的缝隙以及避免发生碰撞，或者在相邻的结构间使用特制的减震耗能装置。为了避免碰撞的发生，最直接有效的方法就是为相邻的结构提供足够大的间隙距离，然而间隙过大又会影响桥上行车的平稳性，同时搭接长度不够更易引起地震中引桥的落梁。

根据碰撞发生的原因及其规律，对防撞装置进行数值参数分析，具体包括：

3.1相邻跨梁体间采用不同参数的橡胶垫层、木材垫层；

橡胶和木材具有弹性模量较小的特点，采用橡胶和木材作为相邻跨梁体间的垫层，来达到防撞减震的效果。

3.2相邻跨梁体间采用防撞垫层对全桥结构减震效果的分析。

对防撞装置进行数值分析，研究不同参数耗能缓冲的减震效果，根据结构的响应（墩梁的相对位移、梁端的加速度、桥墩的内力及缓冲装置的耗能曲线）对参数进行优化。总结不同耗能缓冲减震特点，选取结构的地震响应为评价指标，确定缓冲耗能装置的特性及适用性。

4.结论

4.1桥梁的碰撞是由多种因素共同作用所导致的，主要有相邻跨主引桥动力特性的差异、伸缩缝间隙的大小和地震波的空间效应等。因此，需要更加深入的研究桥梁碰撞的作用机理。

4.2桥梁地震碰撞作用模拟方法有恢复系数法和接触单元法。恢复系数法不适合于碰撞时间持续较长的情况，且不易与商业软件相结合，因此限制了其应用范围。接触单元法易与商业软件相结合，但其求解精度和收敛速度受接触单元的接触刚度的影响很大。

4.3选择合理的伸缩缝间距以及安装合适的消能减震装置，可以有效地减小桥梁的地震碰撞效应。

参考文献

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