高震区大跨钢-混结合梁斜拉桥纵向碰撞效应研究*

何雄君 杨 阳 何 佳 张 晶 肖 祥

(武汉理工大学交通学院1) 武汉 430063) (三峡大学土木与建筑学院2) 宜昌 443000)

高震区大跨钢-混结合梁斜拉桥纵向碰撞效应研究*

何雄君1)杨 阳1)何 佳2)张 晶1)肖 祥1)

(武汉理工大学交通学院1)武汉 430063) (三峡大学土木与建筑学院2)宜昌 443000)

针对西部山区强震作用下斜拉桥主桥与引桥间可能发生的碰撞现象，以西固黄河大桥为工程背景，对地震作用下大跨高墩钢-混结合梁斜拉桥主、引桥梁体之间的碰撞效应进行分析，重点探讨了碰撞效应下主塔、桥墩、主梁与引桥等结构的地震响应，并结合不同的塔-梁连接方式对桥梁纵向布置进行优化设计.结果表明，强震作用下主桥和引桥相邻梁之间易产生碰撞，碰撞效应对桥塔内力、主梁位移的影响不大，但对引桥桥墩内力、梁体位移以及伸缩缝处的相对位移影响较大，引桥桥墩和梁体容易发生破坏；阻尼减震体系不仅可以减小主梁梁端位移，而且可以显著减小主塔及其基础地震响应，是最合理的纵桥向抗震结构体系.

大跨斜拉桥；钢-混结合梁；强震作用；碰撞效应

0 引 言

我国西部地区地形和水文条件非常复杂，桥梁多为高墩结构.同时西部还属于高烈度地震多发区域，而强震作用下引起的梁端大位移将导致相邻梁间的碰撞，还可能产生落梁破坏.地震中由碰撞效应引起的桥梁落梁或结构破坏时常发生，如美国旧金山-奥克兰海湾大桥、日本西宫港大桥及我国滦河桥均是因为地震引起的主桥与引桥之间的碰撞导致结构失效破坏[1-6].

大量学者对桥梁相邻梁间的碰撞效应进行分析，Sayed等[7]对行波效应下多跨连续梁桥相邻梁间的碰撞进行了研究；Hong等[8]分析发现相邻梁基频近似时，地面运动产生的空间效应是产生相对位移的重要影响因素；王军文等[9-10]探讨了地震作用下行波效应对等墩高多跨连续梁桥碰撞反应的影响并总结了一系列防落梁措施；邓育林等[11]对斜拉桥模拟分析发现碰撞效应会较大增长引桥地震力、梁端位移及伸缩缝处相对位移的需求值.目前对于高墩大跨钢-混结合梁斜拉桥的抗震性能研究较少，但是钢-混结合梁斜拉桥主桥与引桥之间动力特性差异较大，地震下纵向将产生非同向振动,因此，高墩大跨钢-混结合梁斜拉桥的纵向抗震性能研究，减少或者避免结构落梁或破坏，对提升大跨桥梁结构防灾减灾能力具有指导性作用.

为研究西部高震区高墩大跨钢-混结合梁斜拉桥在地震作用下桥梁纵向体系的各项规律，以兰州西固黄河大桥为工程背景，采用SAP2000有限元软件建立大跨钢-混结合梁斜拉桥空间有限元模型，探讨了相邻梁之间的碰撞效应对大跨钢-混结合梁斜拉桥地震响应的影响以及减小碰撞效应和梁体相对位移的措施.

1 桥梁概况及计算模型

1.1 桥梁构造

西固黄河大桥为高震区高墩大跨钢-混结合梁斜拉桥，全长1 003 m，其主桥桥面宽27.5 m，引桥桥面宽24.5 m，主桥跨径及规模位于甘肃省第一位.桥跨布置为2×40 m预应力混凝土简支箱梁(南岸引桥)+(177 m+360 m+177 m)结合梁斜拉桥+5×40 m预应力混凝土连续箱梁(北岸引桥)，主塔釆用钢筋混凝菱形塔，南塔塔高为151 m，北塔塔高为147 m，上塔柱高为84 m，南塔下塔柱高67 m，北塔下塔柱高63 m.

1.2 模型建立

本文利用SAP2000有限元软件建立桥梁空间结构的有限单元研究其抗震性能.以顺桥向为x轴，横桥向为y轴，竖向为z轴建立动力反应分析模型，见图1.

图1 西固黄河大桥有限元模型

斜拉桥主梁、桥塔和墩柱选用空间梁单元模拟，整体选用鱼骨式模型，拉索选用仅受拉的空间桁架单元.鉴于拉索的垂度效应，利用Ernst公式对斜拉索弹性模量进行修正，主梁的节点与拉索锚固点选用主从关系来考虑恒载作用对结构刚度的影响(P-Δ效应).桩基采用在最大冲刷线处截断并附加单点集中弹簧模型，该模型冲刷线以上的桩按实际情况用梁单元模拟，然后在每个桩截段加一个单点弹簧来考虑冲刷线下土对冲刷线以上桩的约束作用.弹簧为6×6的矩阵，土弹簧的刚度为冲刷线下埋置于土中的桩顶静力刚度.

1.3 结构动力特性

斜拉桥的桥梁跨度、塔梁连接方式、主梁的截面形状与材料、斜拉索的纵横向布置、桥塔的形状和材料、以及辅助墩的数目与位置等，都会影响其动力特性.西固黄河大桥纵向采用了半漂浮体系，第一振型为纵飘振型，周期为4.78 s，由于桥梁的宽跨比较小，故一阶对称侧弯振型出现的也比较早；桥梁第四阶振型为塔柱侧弯振型，频率值为0.5 Hz.

1.4 地震波选择

西固黄河大桥的基本地震动峰值加速度0.2g，场地条件Ⅱ类，特征周期Tg=0.4 s.考虑地震波的随机性，采用规范反应谱作地震动加速度反应谱，取50年2%超越概率下的加速度反应谱作为水平地震荷载，竖向地震荷载取水平地震荷载的65%.利用反应谱转人工波程序SIMQKE_GR将上述概率水准下的水平加速度反应谱规范加速度反应谱转化为人工地震波，利用时程分析法进行大跨斜拉桥纵向抗震分析.

2 主桥-引桥间碰撞效应

为准确模拟斜拉桥伸缩缝处相邻梁之间的碰撞，在桥梁伸缩缝处设置接触碰触单元，见图2.

图2 碰撞单元

接触碰撞单元采用Kelvin碰撞模型，即选择由刚度为kk的线性弹簧和阻尼器ck并联的碰撞模型对相邻梁间的碰撞进行模拟，梁体间的接触力表达式为

(1)

根据能量守恒定律，阻尼系数ck和恢复系数e间的关系表达式为

(2)

(3)

式中：m1和m2分别为两刚体的质量;kk取碰撞中较短梁的轴向刚度；初始间隙gp取不考虑碰撞效应时桥梁相邻梁之间的最大靠近位移(记作Δmax)的30%,50%,70%，对于混凝土间碰撞的恢复系数e取0.65.

3 主-引桥碰撞效应分析

3.1 伸缩缝处的碰撞力响应

图3为在三条地震波纵向作用下，南端主、引桥伸缩处相邻梁体间碰撞产生的碰撞力峰值比较.

图3 桥梁伸缩缝处碰撞力响应

由图3可知，地震作用下伸缩缝处主桥与引桥相邻梁体之间的碰撞将引起非常大的撞击力.No.3地震波作用下，最大碰撞力达到22 MN，这种撞击力不仅会造成碰撞接触部分的局部损坏，并且将会增大主桥和引桥结构的地震响应.同时，在不同地震波作用下，撞击力峰值响应与初始间隙gp之间的变化关系也比较复杂，可见碰撞问题是一个比较复杂的非线性问题.

3.2 碰撞效应对主塔反应的影响

图4为三条地震波纵向作用下，南北两端主桥和引桥相邻梁之间碰撞对桥塔地震响应的影响，纵坐标相对比值为考虑和不考虑碰撞效应下结构地震响应的比值.

图4 主塔截面内力比值

在No.3地震波作用下，gp=0.5Δmax时，南塔塔底截面剪力值增幅最大为21%，弯矩值增幅最大为15%；当gp=0.7Δmax时，北塔塔底截面剪力值增幅最大为13%，弯矩值增幅最大为14%.分析可知在不同地震波作用下，同一截面的不同内力分量，碰撞效应的影响不相同，且与初始间隙gp之间的变化关系也比较复杂.因此，尽管三条地震波的频谱特性一致，但碰撞效应却有较大差异.

3.3 碰撞效应对引桥桥墩地震反应的影响

图5为在三条地震波纵向作用下，南北两端主桥与引桥相邻梁之间碰撞效应对桥墩地震响应的影响，其中，南侧引桥为1号桥墩，北侧引桥为9号桥墩.

图5 引桥桥墩内力比值

当桥梁处于No.3地震波作用下，gp=0.5Δmax时，南侧引桥桥墩剪力值增幅最大达到42%，弯矩值增幅最大达到52%，故碰撞效应对引桥的影响十分显著；北侧引桥桥墩地震反应处于减小趋势，而南侧引桥桥墩考虑碰撞效应可能增大地震反应，可能减小地震反应.同时在不同地震波以及初始间隙gp下，碰撞效应对桥梁地震反应也存在较大差异.因此，在引桥抗震设计过程中应对引桥桥墩的抗震性能予以重视.

3.4 碰撞效应对主、引桥梁端位移的影响

图6为在三条地震波纵向作用下，南北两端主、引桥相邻梁体间碰撞对主桥和引桥梁两端地震位移响应的影响.

图6 梁端位移比值

由图6可知，碰撞效应总体上减小主梁位移反应，故碰撞效应有利于主梁位移响应；而碰撞效应将会增大或者减小南侧引桥梁端的位移响应，基本减小北侧引桥梁端响应.当桥梁处于No.3地震波作用下，gp=0.3Δmax时，南侧引桥梁端增幅最大达到38%；gp=0.5Δmax时，南侧引桥梁端增幅达到31%，因此碰撞效应对引桥的影响十分显著，应该适当调整主桥和引桥之间的位移关系或在碰撞处安装冲击传递装置.

3.5 碰撞效应对相对位移的影响

图7为在三条地震波纵向作用下，碰撞效应对伸缩缝、主梁-过渡墩以及引梁-过渡墩处相对位移响应的影响.

图7 梁端相对位移比值

由图7可知，在伸缩缝处的主梁主梁-引梁和主梁-过渡墩相对位移比值基本维持在1.0左右，因此，相邻梁间的碰撞效应对主、引梁和主梁与过渡墩间的相对位移影响不大，但是在No.1地震波作用下，南侧引桥梁端相对位移有一定的增幅，因此对南侧引桥主梁-引梁和主梁-过渡墩处地震响应进行重视.由于结构形式以及动力特性差异，引梁-过渡墩相对位移响应非常明显，其中北侧伸缩缝处引梁-过渡墩相对位移均处于增大范围，且最大增幅达到初始值的2.3倍左右；南侧引梁-过渡墩相对位移与北侧相比较为稳定，但其最大增幅几乎达到初始值的1.6倍.因此，碰撞效应对引梁-过渡墩相对位移的影响十分显著，应当重视引梁的搭接长度设计.

4 纵向阻尼减震体系

以上分析表明，主梁的梁端纵向位移较大，易引起伸缩缝处主、引桥相邻梁体间的碰撞且主塔、辅助墩以及过渡墩截面内力有所增加，对结构的纵向抗震非常不利.同时，兰州西固大桥上部结构质量比一般钢箱梁大，且主梁在过渡墩、辅助墩顶部可自由纵向滑动，导致在纵向地震作用下，桥面系的地震惯性力大，主塔及其基础的地震反应较大.基于此，综合考虑各项塔-梁连接方式，使结构的地震响应都处于较低水平，以寻求合理的纵向抗震结构体系.

本文选取了半漂浮体系、漂浮体系、固定铰支承、弹性约束以及纵向阻尼器这五种结构体系进行分析.表1～4列出了地震作用下各体系的反应与半飘浮体系的反应比值.

表1 位移反应比值

表2 伸缩缝相对位移反应比值

表3 主塔内力反应比值

表4 塔底基础反力比值

由表1～2可知，漂浮与半漂浮体系的主塔塔顶、主梁梁端位移以及伸缩缝处相邻梁体间的相对位移最大，极易导致伸缩缝损坏以及主桥与引桥伸缩缝处相邻梁体间碰撞，有可能增大主桥和引桥结构的地震响应，不利于结构的抗震安全.因此，应采取措施减小主梁梁端的位移.弹性约束体系，即塔-梁之间弹性索连接可有效减小关键节点位移、相对位移响应；固定铰支承体系，由于塔梁纵向约束，可显著减小关键节点位移、相对位移响应；此外，阻尼减震体系，即塔-梁之间设置阻尼器对减小关键节点位移、相对位移响应也十分有效.

由表3可知，不种结构体系的地震反应差别非常大.当采用固定铰支承体系，下塔柱底截面剪力较大比半飘浮体系增大了60%以上；上塔柱底截面剪力减小了40%左右，但弯矩增大了60%左右，可见，固定铰支承体系对主塔下塔柱的地震响应不利.当采用弹性约束体系，南北塔下塔柱底截面剪力分别比半飘浮体系增大了24%和33%，上塔柱截面受力有利，故弹性约束体系对主塔下塔柱的地震响应不利.阻尼减震体系可有效减小上塔柱和下塔柱的剪力和弯矩响应，减小幅度均达到40%以上.因此，阻尼减震体系可以有效地减小主塔塔柱的地震响应.

由表4可知，采用固定铰支承体系，塔柱基础剪力和弯矩分别比半飘浮体系增大了16%和20%；采用弹性约束体系，对主塔基础的影响不大；但采用阻尼减震体系，基础响应分别比半飘浮体系减小接近15%和50%.因此，阻尼减震体系可有效减小主塔基础响应.

结果表明，兰州西固黄河大桥纵桥向结构抗震体系如采用飘浮、半飘浮体系，对主梁梁端位移控制不利；如采用弹性约束体系、固定铰支承体系，可有效减小主梁位移，但对主塔及其基础地震响应不利；阻尼减震体系不仅可以减小主梁梁端位移，而且可以显著减小主塔及基础地震响应.因此，对于本大跨钢-混结合梁斜拉桥，阻尼减震体系是最合理的纵桥向抗震结构体系.

5 结 论

1) 大跨钢-混结合梁桥主桥和引桥的结构体系不一致，动力特性差异比较大.在强震作用下相邻梁之间极易产生碰撞效应，碰撞效应将会导致极大的撞击力，这类撞击力不仅会造成碰撞接触部分的破坏，并且将会增大桥梁的地震响应，故在抗震设计时应计入碰撞效应.

2) 碰撞效应对主塔控制截面以及基础地震响应有一定影响，在不同地震波作用下和不同的初始间隙条件下，对主塔控制截面和引桥桥墩截面的内力影响规律不相同，两者均有一定的增幅，但由于引桥结构形式与动力特性的差异，其桥墩截面剪力值增幅最大达到42%，弯矩值增幅最大达到52%，故碰撞效应对引桥的影响十分显著，对引桥桥墩的抗震性能需要予以重视.

3) 碰撞效应总体上可以减小主梁位移，故碰撞效应有利于主梁位移响应，且对主梁伸缩缝处的相对位移影响不大；引梁-过渡墩相对位移响应非常明显，其中北侧伸缩缝处引梁-过渡墩相对位移最大增幅达到初始值的2.3倍；南侧伸缩缝处引梁-过渡墩最大增幅达到初始值的1.6倍左右.因此，碰撞效应对引梁的位移以及相对位移的影响十分显著，应当重视引梁的搭接长度设计.

4) 对于本文的高墩大跨钢-混结合梁斜拉桥，采用阻尼减震体系不仅可以显著减小主梁梁端位移，而且可以减小主塔及其基础地震响应.因此，阻尼减震体系是最合理的纵桥向抗震结构体系.

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Study on Pounding Effects between Large-span Cable-stayed Bridge and Its Approach Bridge in High Seismic Zones

HE Xiongjun1)YANG Yang1)HE Jia2)ZHANG Jing1)XIAO Xiang1)

(SchoolofTransportation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430000,China)1)(CollegeofCivilEngineering&Architecture,ChinaThreeGorgesUniversity,Yichang443000)2)

Since the pounding will occur in the cable-stayed bridge and its approach bridge, the impact of collision between the main and approach girders of Xigu Yellow River Bridge is analyzed. The collision effect of towers, piers and beams are mainly discussed and the optimal design of bridge is made by the different connections between tower and beam. The results show that the pounding can significantly amplify the seismic forces acting on piers of approach span and there are little effects on the stress of tower and the displacement of beam. However, there are great influences on the pier, beam and joint of approach span which will easily cause the girder falling. The damping system can not only reduce the displacement of beam end, but also can significantly reduce the seismic response of the main tower and foundation.

large-span cable-stayed bridge; steel-concrete hybrid beam; strong earthquake; pounding effect

2017-06-09

*国家自然科学基金资助项目(51178361)、甘肃省交通运输厅科技项目(2016-74)资助

U442.55

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.04.005

何雄君(1966—)：男，教授，主要研究领域为桥梁状态分析评估、寿命预测与技术改造