桥梁地震碰撞反应研究与发展

邱有安 冼巧玲 崔 杰

桥梁地震碰撞反应研究与发展

邱有安 冼巧玲 崔 杰

摘 要：桥梁在地震中的碰撞反应不容忽视，文章综述了国内外桥梁地震碰撞的模拟方法以及各种形式桥梁结构的地震碰撞近期研究进展，归纳了桥梁碰撞的条件和影响因素，介绍了减轻桥梁结构地震碰撞方法和防落梁措施的主要研究成果，并对桥梁地震碰撞反应的进一步研究作了展望。

关键词：桥梁；地震；碰撞反应；研究

邱有安：广州大学工程抗震研究中心，硕士，广东广州 510405

近30多年来，地震导致桥梁碰撞破坏的震害屡屡出现，使桥梁的地震碰撞问题越来越为人们所重视。桥梁地震碰撞反应主要是主梁端碰撞或者主梁与桥台胸墙碰撞[1]，这些一般会引起主梁梁端开裂、桥台胸墙局部混凝土脱落、伸缩缝挤压等破坏，严重时会导致落梁破坏。因此，开展桥梁碰撞作用的机理、减少桥梁结构的碰撞、防止落梁措施的研究具有重要意义。

1　桥梁碰撞的模拟方法

桥梁碰撞的过程是一个伴随能量耗散、复杂的高度非线性现象，目前，研究桥梁碰撞的模拟方法主要有恢复系数法和接触单元法。

1.1恢复系数法

恢复系数法是根据动量守恒定律，假定2相邻桥梁碰撞是2质心碰撞并且是瞬间完成。恢复系数表达式如式（1）。

式（1）中，e为恢复系数；v1和v2分别为碰撞前两相邻桥梁的速度；v1′和v2′分别为碰撞后两相邻桥跨的速度。

当e＝0时，说明两相邻跨桥梁之间发生了完全塑性碰撞；当e＝1时，说明两相邻跨桥梁之间发生完全弹性碰撞。恢复系数法的优点是物理意义明确，缺点是跟有限元模拟软件难以结合。

1.2接触单元法

接触单元法是桥梁碰撞分析常用的方法。接触单元设置在容易发生碰撞的地方，当两相邻桥梁一接触，接触单元就会激活。接触单元可以分为线性弹簧单元模型、Kelvin模型、Hertz模型、Hertzdamp模型等几种。

其中，线性弹簧单元模型比较简单，由1个线性连接弹簧组成，仅仅考虑碰撞过程的刚度。Kelvin模型比线性弹簧单元模型多考虑了碰撞过程中的能量损失，由1个连接弹簧和1个阻尼器并联组成。Hertz模型跟线性弹簧单元模型类似，不同之处是Hertz模型中的连接弹簧为非线性。Hertz-damp模型采用非线性弹簧和非线性粘滞阻尼器组合而成。

2　直线桥梁碰撞研究

王军文等[2]研究了双边碰撞对桥梁结构位移的影响。将3联多跨连续梁简化成3个自由度的动力分析模型，通过非线性时程分析法，研究了纵向地震作用下连续梁伸缩处碰撞效应，并分析比较单边碰撞与双边碰撞对桥梁结构位移影响。结果表明，碰撞对于严重不同向振动的相邻联的地震反应影响显著，而对于基本振动周期比大于0.7的相邻联的地震反应影响很小。

李建中、范立础[3]研究了相邻联碰撞对结构地震反应的影响。通过某山区3联多跨非规则连续梁作为计算模型，采用非线性时程分析法，分析伸缩缝处相邻梁体碰撞对结构反应的影响。结果表明，相邻联周期相差较大时，会造成非同向振动，导致相邻联产生较大的相对位移和碰撞。

李忠献等人[4]为了研究隔震简支梁桥的碰撞反应，进行了2跨缩尺隔震简支梁桥模型的振动台试验。模型的梁跨度为0.8 m，不受几何相似比限制，每跨梁采用2根I20a工字钢焊接而成。试验采用2种橡胶支座，分别是板式橡胶支座和铅芯橡胶支座。试验采用将加速度峰值调整为0.7 g 的3条地震加速度记录为地震动输入，分别为EI Centro波、Kobe波和天津波。试验结果表明，梁的间隙、邻梁质量比、隔震支座类型等参数对桥梁的碰撞反应有很大的影响。

3　曲线桥、斜交桥和大跨度桥梁的碰撞研究

3.1曲线桥梁碰撞的研究

曲线桥梁在地震作用下没有主方向，会产生不规则平面旋转位移，所以曲线桥梁梁间的碰撞与直线桥轴向碰撞相比有较大区别。

李黎等人[5]针对隔震曲线桥梁，以1座3联曲线桥梁为研究对象，采用非线性动力时程计算方法，研究了曲线桥梁最不利地震输入角度，以及强震时隔震曲线桥梁梁间碰撞特征。结果显示，当地震波沿梁体某点切向输入时，该点响应值达到最大；在伸缩缝宽度一样时，与非隔震桥梁相比，隔震桥梁更易发生碰撞，但是桥墩内力和振动响应明显降低。

王天利等人[6]以1座多层互通式立交体系中的单支带伸缩缝曲线匝道桥为研究对象，建立了全桥空间动力模型，利用非线性时程分析法，对比分析曲线匝道桥桥墩处伸缩缝和桥台处伸缩缝的地震响应差异，研究表明，保持桥墩伸缩缝取消桥台伸缩缝的设置有利于抗震。

3.2斜交桥梁碰撞的研究

斜交桥梁在地震作用下梁间的碰撞力不是轴向的，会产生主梁平面内扭矩，从而导致主梁发生平面旋转和落梁。

胡建新等人[7]以2跨及3跨预应力混凝土斜交桥为研究对象，建立数值分析模型，地震波输入方式采用水平双向正交输入，研究了碰撞效应和结构偏心效应对主梁转角影响。研究结果表明，斜交连续梁桥在地震作用下导致梁体内刚体转动的主要原因是，梁体与桥台或桥联间的碰撞效应与结构偏心效应。所以，减少斜交桥的碰撞效应应注意刚度平衡与质量均匀分布。

何健等人[8]以1座3跨连续斜交梁桥为对象，建立带碰撞单元并考虑竖向、水平及扭转刚度的单梁简化模型，采用动力特性分析和非线性时程分析，考虑梁端碰撞效应和支座滑移，计算了斜交桥的非线性地震反应，并将简化模型的计算结果与精细化的板单元有限元模型的结果进行对比。研究结果表明，简化模型计算斜交桥的非线性地震反应精确度满足要求；斜交桥梁端与桥台发生碰撞时，梁端地震位移显著增加，碰撞作用容易导致斜交桥的落梁和平面旋转现象；地震非线性位移对于梁端截面最外缘的碰撞单元较敏感。

3.3大跨度桥梁碰撞的研究

国内研究大多是针对中小跨径梁式桥梁碰撞，大跨径的悬索桥或者斜拉桥主桥与引桥之间碰撞研究较少。大跨径桥梁的基本周期长，并且主桥与引桥的动力特性相差较大，在地震作用下更容易造成伸缩缝处碰撞。

张文学等人[9]以某九江大桥为例，结合场地类型、斜拉桥重心高度和引桥结构形式等因素，研究了斜拉桥与引桥之间的碰撞问题。结论表明，场地类型对引桥和主桥之间碰撞影响最明显；斜拉桥重心高度对主桥与引桥之间碰撞响应影响不具有规律性；斜拉桥的引桥不宜采用简支梁结构。

邓育林[10]等人主要研究了大跨悬索桥伸缩缝处双边碰撞效应对结构地震响应的影响。以1座大跨3塔悬索桥为对象，建立空间动力分析模型，采用非线性动力时程分析方法进行研究。结果表明，当一侧引桥周期明显大于主桥周期，而另一侧引桥周期接近或小于主桥周期时，双边碰撞使短周期侧引桥梁端位移、主引桥相对位移及引桥梁体搭接长度响应轻微减少，而使长周期侧的梁端位移、梁体搭接长度以及主引桥间相对位移响应、引桥墩底地震内力增大。

4　桥梁碰撞的条件和影响因素

桥梁碰撞过程是一个复杂过程，导致碰撞有许多原因，其中，最直接的是相邻桥跨间的相对位移超过了伸缩缝的设计间隙。然而产生这样的相对位移的主要原因是，相邻桥跨的动力响应差异（也是刚度和质量的差异），地震波输入不一致（地震波的空间效应）。同时，跟两相邻桥梁之间间距的大小和土与结构相互作用也有影响。

4.1相邻桥跨的动力响应差异

衡量相邻桥跨的动力响应差异采用两相邻跨的周期比。Des Roches 和Muthukumar[11]指出了决定两相邻桥梁之间是否发生碰撞的主要参数，为两相邻跨桥梁之间的周期比(T1/T2)和地震特征周期的比（T1/Tg和T2/Tg）。Pantelides和Ma[12]指出对于自振周期大于0.3的结构，阻尼的增加可以明显减少地震碰撞作用。

4.2地震波的空间效应

对于跨度比较大的桥梁来说，必须要考虑地震动的输入方法，这样才能真实反映实际情况。由于不一致的震动输入，最后导致相邻的桥跨响应不一致，也是桥梁碰撞的直接原因。Bi等人[13]以实际跨越峡谷的2跨简支梁桥为例，研究了在空间变化的地震动以及场地放大效应，来确定出采用大位移模数式伸缩缝桥梁防止碰撞的分隔距离。研究表明，当桥梁的主梁与场地发生共振或者桥梁模态频率与地面位移中心频率一致，模数式伸缩缝需要分隔距离越大，建在越深越软的土层上的桥梁需要越大的分隔距离；越柔软的桥梁需要分隔距离越大；模数式伸缩缝的宽度取决于相邻结构的动态特性、土层的动态行为和空间变化的地震动。

4.3土与结构相互作用

土与结构相互作用对桥梁碰撞有明显的影响，有Bi等[14]将弹簧单元和阻尼单元来模拟桩基础周边的土来反应土与结构之间的相互作用。通过比较场地条件为柔软土层、中等土层、坚硬土层以及不考虑土与结构相互作用发现，当场地为柔软土时，对桥梁碰撞影响很大，必须要考虑土与结构相互作用；还指出了当结构自振周期与场地发生共振时，土与结构相互作用对桥梁碰撞影响更明显。

5　减少碰撞的措施

防止碰撞的措施有2类，一是确定合适的相邻桥跨的间距和支座宽度，二是采用减震耗能的措施来降低碰撞产生的破坏。

5.1确定合适的邻跨间距和支座宽度

确立合适的邻跨间距是减少碰撞影响的最直接的方法。我国GB50111-2006《铁路工程抗震设计规范》[15]对隔震桥梁伸缩缝设置规定：当跨度≤16 m时，伸缩缝长度为≥10 cm；当跨度≥20 m时，伸缩缝长度为≥15 cm。Kasai等人[16]通过运用差值谱法（spectral difference method）来确定相邻结构之间最大相对位移，得出的结果比当下的规范给出的间隙值要精确得多。

5.2安装耗能减震装置

对于桥梁结构不能过大地增大相邻桥跨之间的间距来防止碰撞，因为过大的间距会影响行车舒适度，并且也会增加造价，因此可以综合考虑运用各种耗能减震装置来减少碰撞。

Chouw等人[17]在相邻桥跨伸缩缝处安装粘弹性阻尼器，增加结构阻尼减少碰撞的发生。Sheikh等人[18]针对多跨钢筋混凝土公路桥梁，在EI Centro波激励作用下，研究了通过使用MR阻尼器来减少桥梁的碰撞。通过研究passive-0ff对应MR阻尼器的工作电压为0 V、passive-on对应MR阻尼器的工作电压为2 V、Bang-bang控制等3种工况，以及MR阻尼器的工作电压在0～2 V间不停切换，发现在Bang-bang控制下，对减少桥梁碰撞更为明显。

6　防止落梁措施

6.1合理的支承搭接长度

日本的Kobe地震经验表明，支座破坏后发生的碰撞是引起落梁的原因之一，因此，防止落梁破坏需要确定合理的支座宽度。孔艺达[19]针对防落梁最小搭接长度进行研究，在模型设计上采用均匀设计思想，用反应谱法和时程分析法进行抗震分析，计算了不同跨径、墩高组合下的简支梁桥的梁搭接长度，最后采用最小二乘法线性回归得出梁搭接长度计算公式。

6.2连梁装置（限位器）

Des Roches[20]将SMA限位器运用于桥梁碰撞控制，将传统的限位器与SMA限位器做了比较分析，结果表明，SMA限位器对减少碰撞更为明显。

赵清杰[21]通过1/20缩尺隔震桥梁模型的振动台试验，研究了高架桥梁在地震作用下的碰撞反应，并在模型上安装SMA限位器，研究比较了安装SMA限位器前后减少碰撞效果。结果表明，无控状态下，在EI Centro波激励作用下，以及没有安装点接触装置的情况下，相邻桥跨间的相对位移大大超过了伸缩缝的计值，这必然会导致碰撞；在梁-梁间限位器作用下以及EI Centro波激励作用下，梁-梁间的限位器可以显著减轻两跨间的碰撞；在梁-墩间限位器作用下，梁-墩间限位器可以减少碰撞次数，但也明显增加了两跨间的相对位移。

7　展望

（1）目前，对于桥梁结构的地震碰撞问题研究主要针对城市高架桥梁纵向碰撞问题，然而对于深水桥梁，在动水压力和波浪作用下，相邻两跨桥梁的自振周期相差更大，最后导致碰撞更严重。因此，对于地震作用下的深水桥梁的地震碰撞研究很有实际意义。

（2）随着我国经济高速发展，大量的城市多层立交桥梁不断建起，上层桥梁的桥墩与下层桥梁的主梁间碰撞研究较少，对于它们之间的安全距离研究实有必要。

（3）目前，研究桥梁的纵向碰撞都是停留在直线桥梁，对于不规则的几何形状的斜桥和弯桥研究较少，所以研究非规则桥梁的碰撞亦很有必要。

（4）针对安装耗能装置来减少桥梁地震碰撞，大多数研究者通过变换装置的参数，从而获得合适的装置参数，这样带有随意性，可以考虑采用能量法进行参数优化。

参考文献

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责任编辑 朱开明

Study and Development of Seismic Collision Response of Bridge

Qiu You’an, Xian Qiaoling, Cui Jie

Abstract:The seismic collision response of bridge cannot be ignored. This paper reviews the recent study progress of bridge seismic collision simulation methods used in China and other countries and the seismic collision of various bridge structures, summarizes the conditions and infl uencing factors of bridge collision, introduces the alleviating seismic collision methods for bridge structures and main research results of beam falling prevention measures, and discusses the further study on bridge seismic collision response.

Keywords:bridge, earthquake, collision response, study

收稿日期2014-08-29

基金项目：国家重点基础研究发展计划（2011CB013606）；联合基金重点项目（U1334209）

中图分类号：U442.5+5