邻梁碰撞对隔震连续梁桥地震反应的影响★

閤小进 王 超

(西南交通大学土木工程学院，四川 成都 610036)



邻梁碰撞对隔震连续梁桥地震反应的影响★

閤小进 王 超

(西南交通大学土木工程学院，四川 成都 610036)

采用非线性时程分析方法，模拟了粤东高烈度地区两联隔震连续梁桥结构地震动反应，并通过接触单元法Kelvin模型模拟邻梁的碰撞效应，探讨了邻梁碰撞对隔震连续梁桥地震反应的影响，结果表明：地震作用下，主梁过大的相对位移导致了邻梁间的多次碰撞且碰撞力非常大，可能引起梁端的局部破坏；碰撞减小了主梁的位移，但幅度不大，明显减小了邻梁间的相对位移；碰撞作用增大了右联连续梁桥中间墩的地震反应，减小了其他墩的地震反应。

连续梁桥，非线性时程分析，隔震支座，碰撞效应

对高烈度地震造成的桥梁结构损害的研究表明，如果桥梁结构之间距离过小，地震作用下桥梁结构的碰撞会对结构造成相当大的损害甚至导致结构的倒塌。桥梁结构的非同向振动引起桥台和与之相连的主梁、主梁与主梁、主梁和与其临近的结构发生碰撞[1,2]。一般来说，桥梁结构碰撞所引起的碰撞力是非常大的，给桥梁下部结构带来了非常大的附加荷载。此外，碰撞力的冲击特性增加了桥梁结构脆性断裂的可能性。

模拟相邻结构碰撞的方法可以归为两类：立体力学法、接触单元法[3]。立体力学法不能反映碰撞过程中的应力和变形，其在地震引起的桥梁结构碰撞分析中的应用非常有限，仅用于集中质量的单自由度系统。接触单元法的碰撞力由弹性碰撞单元或者粘弹性碰撞单元进行模拟，简单、明确，且便于与计算软件结合，被广泛运用于地震模拟。接触单元中的Kelvin模型常用于地震作用中的结构碰撞分析。

桥梁隔震支座在减隔震设计中应用很普遍。高阻尼橡胶支座通过支座较大的剪切变形和橡胶较大的阻尼比来发挥隔震作用。摩擦摆式减隔震支座通过支座内部的相对滑动产生的摩擦阻力逐渐消耗地震能量[4]。这种减弱桥梁上、下部结构连接的减隔震方法，在地震作用下桥梁上部结构往往有较大的位移，从而导致邻梁伸缩缝处较大的梁体相对位移，可能造成连续梁相邻梁体严重的碰撞。

目前对于隔震桥梁的抗震性能研究很少考虑伸缩缝处邻梁的碰撞效应的影响，因此本文结合粤东高烈度地区某两联隔震连续梁桥，探讨了纵向地震作用下邻梁碰撞对隔震连续梁桥地震反应的影响。

1 结构计算模型

某2联连续梁桥布置如图1所示。左联为跨度4×40 m预应力先简支后连续T梁，桥墩处采用高阻尼橡胶支座(HDR)连接；右联为(40+60+35) m预应力变截面连续箱梁，墩梁采用摩擦摆式隔震支座(FPS)连接。摩擦摆式支座(FPS)的布置为，边墩5号、8号支座JZQZ-3500/350-GX-Z80-e200-3s，中墩6号、7号支座JZQZ-12500/1000-GD-e200-4s。高阻尼橡胶支座(HDR)的等效水平剪切刚度为2.44×103kN/m，等效阻尼比ξ=12%。

采用ANSYS有限元分析软件进行非线性时程分析。计算模型中采用三维弹性梁单元Beam188模拟主梁、桥墩。高阻尼橡胶支座通过等效水平刚度和等效阻尼比来考虑，摩擦摆式支座采用双折线模型。考虑桥梁结构自重和二期恒载，考虑桩土的相互作用。地震波通过安平报告的反应谱人工合成地震波。计算分析中，桥跨结构采用瑞利阻尼，混凝土的阻尼比取为5%。采用接触单元法中的Kelvin模型模拟的邻梁碰撞，如图2所示。

图2中，d0为伸缩缝处的初始间隙，k为接触单元的刚度，取为主梁较小的轴向刚度[5,6]。计算可知左联和右联主梁间碰撞的刚度k=7.10×106N/m。伸缩缝处邻梁碰撞的能量损失通过接触单元的阻尼来考虑，计算可得左联和右联主梁间碰撞的阻尼系数c=9.51×106kg/s。

2 邻梁碰撞效应

输入地震动，计算出不考虑邻梁碰撞和考虑邻梁碰撞两种情况下桥跨结构的地震反应，研究邻梁碰撞对连续梁桥地震反应的影响。

邻梁碰撞的时程曲线如图3所示，结果表明过大的相对位移导致了相邻梁体的多次碰撞而且碰撞力都非常大，但碰撞时间间隔、碰撞力大小波动不大，碰撞较均匀。发生的8次碰撞中，最大碰撞力为1.54×104kN，最小碰撞力为5.61×103kN。

左、右联主梁的位移峰值和相对位移峰值如表1所示。可以看出，碰撞作用减小了左、右联主梁的纵向位移峰值，而且对左联的影响更大。同时邻梁的碰撞作用明显减小了主梁间的相对位移峰值。

表1 主梁位移和相对位移峰值 m

图4为不考虑邻梁碰撞和考虑邻梁碰撞桥墩地震反应峰值的对比图。由图4a)得知，左伸缩缝处相邻梁的碰撞稍微减小了第一联桥墩1号～4号墩顶位移、墩底剪力和墩底弯矩，明显减小了5号、8号过渡墩墩顶位移、墩底剪力和墩底弯矩，但显著增大了第三联中间墩6号、7号墩顶位移、墩底剪力和墩底弯矩，对第三联边墩9号的墩顶位移、墩底剪力和墩底弯矩几乎无影响。说明邻梁碰撞对高阻尼橡胶隔震支座的隔震作用有利，但对摩擦摆式支座的隔震不利。

3 结语

针对粤东高烈度地区某隔震连续梁桥，探讨了纵向地震作用下邻梁碰撞对隔震连续梁桥地震反应的影响，分析结果表明：

1)纵向地震作用下，由于采用了隔震橡胶支座和摩擦摆式隔震支座，引起了相邻联主梁间较大的相对位移，从而导致了邻梁间的碰撞，碰撞次数多且碰撞力很大，对主梁梁端的局部结构不利。

2)隔震连续梁桥的邻梁碰撞，减小了主梁的位移峰值，幅度不大，但大幅度减小了邻梁间的相对位移峰值。

3)对于桥梁下部结构，碰撞作用减小了左联桥墩的地震反应，对左联1号～4号桥墩有利；相邻主梁的碰撞明显增大了右联桥跨中间墩6号、7号的地震反应，说明碰撞作用对摩擦摆式支座的隔震作用不利，因此在设计中要考虑邻梁碰撞。

[1] Bi K，Hao H，Chouw N. 3D FEM Analysis of Pounding Response of Bridge Structures at a Canyon Site to Spatially Varying Ground Motions[J]. Advances in Structural Engineering，2013，16(4):619-640.

[2] R.Desroches，S.Muthkumar. Effect of Pounding and Restrainers on Seismic Response of Multiple-frame Bridges[J].Journal of Structural Engineering，2002，128(7):860-869.

[3] 李忠献，岳福青.城市桥梁地震碰撞反应研究与发展[J].地震工程与工程震动，2005，25(4):91-98.

[4] 彭天波，李建中，范立础.双曲面球型减隔震支座的开发及应用[J].同济大学学报，2007(2):176-180.

[5] 王东升，冯启民，王国新.基于直杆共轴碰撞理论的桥梁地震反应邻梁碰撞分析模型[J].工程力学，2004，21(2):157-166.

[6] Chouw N，Hao H. Significance of SSI and Non-uniform Near-fault Ground Motions in Bridge Response Ⅱ: Effect on Response With Modular Expansion Joint[J]. Engineering Structures，2008，30(1)：154-162.

[7] R.Jankowski，K.Wilde，Y.Fujino. Pounding of Superstructure Segments in Isolated Elevated Bridge during Earthquake[J]. Earthquake Engineering and StructuralDynamics，2002，31(1):1325-1345.

The influence of pounding of superstructure segmentson the response of isolated elevated continuous girder bridges★

Ge Xiaojin Wang Chao

(Civil Engineering and Architecture College, School of Southwest Jiaotong University， Chengdu 610036, China)

Using the nonlinear time history analysis method, this paper simulated the earthquake ground response of two isolated continuous girder bridge structure in Guangdong Gailie area, and through the contact element method Kelvin model to simulate the collision effect of adjacent beams, discussed the influence of adjacent beam collision to seismic response of isolated continuous girder bridge, the results showed that under the earthquake action, the main beam with larger relatively displacement led to many collisions between the adjacent beams and had larger collision force, may cause the local failure of beam end, the collision reduced the main beam displacement, but the range was less, significantly reduced the relative displacement between the adjacent beams; the collision effect increased the seismic response of right beam continuous girder bridge middle pier, decreased the seismic response of other piers.

continuous beam bridge, nonlinear time history analysis, seismic isolation bearing, collision effect

1009-6825(2017)08-0150-03

2017-01-05★：广东省交通运输厅科技计划(科技-2014-02-015)

閤小进(1991- )，男，在读硕士

U442.55

A