温度对连续刚构桥主桥与引桥间碰撞效应的影响

车 刚 刚

(1.兰州交通大学土木工程学院，甘肃 兰州 730070；2.兰州交通大学道桥灾害防治技术国家地方联合实验室，甘肃 兰州 730070)

0 引言

地震作用下，桥梁伸缩缝处的碰撞现象极为常见，如2008年的汶川地震导致不少桥梁在邻梁之间发生碰撞[1]。在桥梁减隔震技术中，多采用隔震橡胶支座来增大结构的自振周期，以降低地震响应。由于橡胶对温度的敏感性，支座温度变化会对桥梁结构产生不同程度的影响[2]。何文福等[3]通过试验研究隔震橡胶支座在不同温度下结构的响应，证实了温度对隔震橡胶支座的影响不容忽视。而在国内桥梁抗震的相关规范中，关于温度对桥梁的作用仅规定了一般原则，无具体的可实施方案。因此，本文借鉴美国2014年出版的“AASTHO指导性隔震设计指南”来探讨温度对大跨连续刚构桥梁体间碰撞产生的影响[4]，以此促进国内桥梁抗震技术的进一步发展。

1 橡胶支座参数修正及碰撞单元模型选取

1.1 “AASHTO指导性隔震设计指南”橡胶隔震支座力学温度特性修正

“AASHTO指导性隔震设计指南”确定了橡胶隔震系统的两个关键的设计因素，分别为有效刚度与阻尼系数，而这两个因素主要由支座的特征强度(Qd)和屈服后刚度(Kd)决定。不同的温度下Kd和Qd分别对应特定的修正系数，通过对支座特征强度与屈服后刚度的修正来改变支座的屈服力与屈服前后刚度比，实现不同温度下橡胶支座所对应的特性。Kd和Qd与支座屈服力之间的关系见式(1)：

Fy=Kc×dy=Qd+Kd×dy

(1)

其中，Fy为支座屈服力；Kc为弹性刚度；dy为支座的屈服位移。温度修正关系见式(2)：

(2)

美国“AASHTO指导性隔震设计指南”给出了不同温度下橡胶支座的修正系数(见表1)，LDRB表示低阻尼橡胶支座，HDRB表示高阻尼橡胶支座，SHDRB表示超高阻尼橡胶支座。

表1 温度特性修正系数

1.2 碰撞单元模型的选取

碰撞单元模型采用线性模型(见图1)，加载与卸载的荷载—位移曲线均按线性考虑，忽略了碰撞过程中能量的消耗。

当梁体间相对位移差大于伸缩缝宽度时，梁体将会发生碰撞，此时将会产生碰撞力，且碰撞力的大小与梁体间的相对位移成正比；当梁体间相对位移差未超过伸缩缝宽度时，梁体间不会发生碰撞，碰撞力为零。碰撞单元的刚度取相邻主梁的轴向刚度[5]。线性弹簧模型发生碰撞时的数学表达式见式(3)：

(3)

其中，F为碰撞力；u1,u2为两个接触点的位移大小；k1为线性弹簧的刚度；Gp为伸缩缝初始间隙。

2 有限元模型的建立与地震波的选取

2.1 模型的建立

本文以陕西省境内一座连续刚构桥为研究对象，采用Midas有限元软件建立全桥模型，并建立4个分析工况(见表2)。主桥上部结构为(65+4×120+65)m波形钢腹板混凝土连续刚构，截面形式为单箱单室，梁宽12.9 m，采用C55混凝土，下部为单薄壁式空心墩；引桥部分由4片箱梁组合而成，混凝土强度等级为C50，桥墩混凝土强度等级为C40。主梁与桥墩均采用一般梁单元模拟，2号、8号过渡墩上设置80型伸缩缝，分别编号为1号、2号，伸缩缝宽度大小均为8 cm。有限元模型如图2所示。

表2 分析工况

桥墩墩号从左至右依次为1号～9号，其中2号与8号墩为过渡墩，3号～7号墩为刚构墩。在后续的分析中，引桥过渡墩设计采用LNR(H)-d320*128型板式橡胶支座，主桥过渡墩分别为铅芯橡胶支座(LRB)、高阻尼橡胶支座(HDRB)分析工况。桥址场地平均温度取陕西省年平均温度11.4 ℃[6]，后续的升降温分析均在此基础上完成。铅芯橡胶支座与高阻尼橡胶支座参数的确定分别依据JT/T 822—2011公路桥梁铅芯隔震橡胶支座[7]与JT/T 842—2012公路桥梁高阻尼隔震橡胶支座选取[8]。

2.2 地震波的选取与输入

该桥所处场地类型为Ⅱ类，地震分组为第二组，场地特征周期为0.40 s，基本地震动峰值加速度为0.15g。从PEER地震库中选取3条与桥址场地特征接近的地震波(地震波记录见表3)，调幅后按峰值0.15g沿顺桥向输入，进行非线性动力时程分析。

表3 地震记录

3 温度对连续刚构桥碰撞效应的影响

表4为1号伸缩缝处的碰撞响应值。1号伸缩缝为地震波输入的近测端，地震响应更为明显。鉴于此，后续仅分析1号伸缩缝碰撞响应，由于篇幅所限，仅对 2号地震波作详细分析。

表4 1号伸缩缝碰撞响应

2号地震波作用下LRB，HDRB模型的碰撞力时程曲线见图3，结果表明：工况二与工况一相比，LRB，HDRB模型的碰撞力峰值分别增加了4.6%，5.1%；工况三与工况一相比，LRB，HDRB碰撞次数分别增加8次、7次，碰撞力峰值增加了57.2%，59.2%；工况四时，两组模型的碰撞力均为0。由此表明温度对梁体间的碰撞效应影响较大，仅考虑支座温度时，-30 ℃隔震橡胶支座刚度增大，梁体间的碰撞力变大，但不同地震波作用下的碰撞次数没有统一的规律。考虑整体温度时，21 ℃伸缩缝宽度变小，碰撞次数显著增加，但不同地震波作用下梁体间的碰撞力峰值有大有小；整体温度-30 ℃时伸缩缝宽度变大，梁体间的相对位移差小于伸缩缝宽度，梁体间不会发生碰撞。

2号地震波作用下铅芯橡胶支座、高阻尼橡胶支座剪力—位移滞回曲线见图4，结果表明：工况三与工况一相比，铅芯橡胶支座、高阻尼橡胶支座耗能分别减少2.3%，2.2%；工况四与工况二相比，铅芯橡胶支座、高阻尼橡胶支座耗能分别增加1.0%，0.5%；工况二与工况一相比，铅芯橡胶支座、高阻尼橡胶支座耗能分别减少19.0%，13.9%，剪力峰值分别增加28.2%，34.9%，位移峰值分别减小11.5%，10.0%。由此表明：温度相同伸缩缝大小不同对支座滞回特性影响很小，而低温时对其滞回特性影响较大。温度降低，橡胶剪切模量增加、支座刚度变大，导致支座剪力峰值增加、位移峰值减小，支座耗能能力减弱。

4 结语

1)不同温度隔震橡胶支座的性能差异较大。温度降低，支座变形能力减弱、剪力峰值变大，导致支座刚度变大、耗能减少，进而导致梁体间的碰撞力峰值增加，同时由于地震波之间存在差异性，低温环境将不同程度地放大梁体间的碰撞响应。因此在低温环境下运作的该类桥梁宜使用耐寒性能较好的支座。

2)仅考虑支座温度不能准确反映大跨连续刚构桥主桥与引桥之间的碰撞效应。整体温度升高时可能会低估梁体间的碰撞响应，而在整体温度降低时将高估梁体间的碰撞响应。建议综合考虑整体温度对该类桥梁的碰撞效应的影响。