地震作用下斜交桥桥面旋转研究进展

王军文， 沈 贤， 胡玉娟， 吴天宇

（1．石家庄铁道大学 土木工程学院，河北 石家庄 050043；2．石家庄铁道大学 道路与铁道工程安全保障省部共建教育部重点实验室，河北 石家庄 050043；3．石家庄铁道大学 四方学院，河北 石家庄 051132）

0 引言

由于斜交桥能很好地适应道路线形、保证线路畅通，因此，在城市立交及公路桥梁中得到广泛应用。但是由于其独特的外形和受力特性，在地震作用下斜交桥桥面除发生纵、横向位移之外，还存在绕竖轴的转动，桥面的转动增大了斜交桥震害的发生几率。在历次破坏性地震中斜交桥普遍遭到损坏，如1999年墨西哥地震中Tehuacan斜交桥由于梁体转动与横向挡块发生碰撞，导致挡块破坏［1］；汶川地震中多数斜交桥桥面存在锐角向外的转动［2］；岷江大桥桥面转动导致支座脱离［3］；新东桥梁体旋转，使梁体锐角处发生碰撞［4］；2010年Maule Chile地震中斜交桥绕竖轴旋转，使梁体产生较大的横向移位［5］。针对地震作用下斜交桥桥面存在的旋转现象，国内、外学者对其发生的机理，结构参数、横向挡块、支座等对桥面旋转的影响，斜交桥限位措施等进行了大量分析研究。在此对地震作用下斜交桥桥面旋转的研究现状进行回顾和总结，并对需进一步研究的方向进行展望。

1 斜交桥桥面旋转发生的机理

地震作用下斜交桥桥面绕竖轴的转动，使其易发生落梁、支座和桥墩的破坏。为揭示地震作用下斜交桥桥面旋转发生的机理，学者们基于不同模型、假设开展研究。

E．A．Maragakis等［6－7］基于刚性桥面运动理论研究地震作用下斜交桥桥面的旋转效应，认为梁体的刚体转动主要由斜度、梁体与桥台间的碰撞引起。Dimitrakopoulos E．G．［5，8－9］采用考虑斜向摩擦的刚体碰撞模型分析斜交桥的旋转反应，发现斜度、桥面几何形状以及结构之间的碰撞、摩擦是引起斜交桥横向位移和桥面旋转的主要原因，且碰撞引起的桥面转动随激励频率的增加而减小。P．Tirasit等［10－11］通过分析地震作用下斜度、碰撞作用对斜交桥桥面旋转的影响，指出梁与梁（桥台）间的碰撞导致桥梁上部结构面内旋转；与正交桥相比斜交桥梁体会产生较大的转角和残余转角。胡建新等［12］就连续斜交桥主梁面内刚体转动的发生机理进行研究，发现不考虑碰撞效应时，支承刚度引起的结构偏心会导致主梁转动；考虑碰撞效应后，梁体与桥台或邻跨间的碰撞效应和结构偏心效应是引起斜交桥桥面刚体转动的主要原因。卢明奇等［13－14］分析表明：梁体与桥台不发生碰撞，增大斜度不能引起上部结构的扭转位移；若梁体与桥台发生碰撞，增大斜度将会增大桥面的扭转位移。黄金翠［2］认为，斜交桥在支座刚度相同的情况下，不考虑碰撞效应时桥面的转动不明显，考虑碰撞后桥面将产生明显的转动；下部结构的支承刚度不对称同样会引起桥面的转动。石岩等［15］研究发现：不考虑梁体与桥台的碰撞，梁体旋转度基本不受斜度影响；考虑碰撞后梁体旋转度随斜度增大明显增大。文献［16］指出，地震作用下不考虑碰撞效应时，简支斜交桥桥面的转动由结构自身的旋转振型引起，但旋转振型引起梁体的转动很小；考虑碰撞效应后梁体转角明显增大，碰撞产生的力矩是引起斜交桥梁体旋转的主要原因。

2 参数的影响

针对地震作用下斜交桥桥面存在的旋转现象，各国学者对影响桥面旋转的因素进行了研究。

E．A．Maragakis等［6－7］分析发现：桥面的旋转将使梁端横向产生较大的位移，桥墩发生剪切破坏。L．A．Ngoc等［17］研究表明：考虑桥墩的扭转和弯曲相互作用要比仅考虑扭转作用得到的横向位移大1．8倍、桥面转角大47%，而梁体与桥台碰撞力在锐、钝角处分别减小44%和67%；考虑桥墩扭转、弯曲耦合作用时，桥面产生的残余扭转角为峰值转角的40%。P．Kaviani等［18］认为：斜度、桥墩高度对斜交桥的地震反应影响较大，斜度较大时桥面的旋转可能导致桥台破坏。A．Abdel Mohti等［19］指出：不论斜度多大，坚硬场地条件下斜交桥的地震反应要比软弱场地条件下的小；增大宽跨比对桥面纵向位移影响较小，对横向位移、桥墩弯矩影响较大；斜度和宽跨比越大桥面旋转程度均越严重。A．Shamsabadi等［20－21］研究表明：斜度越大、跨数越多，梁体转角和残余转角越大；在近断层脉冲地震作用下，斜交桥桥面转角和横向位移会发生累积，残余位移较大，极易引起落梁。侯万宁［22］分析指出：考虑纵向碰撞效应时，桥面转角随着斜度的增大逐渐增大、随碰撞刚度的减小而减小、随伸缩缝初始间隙的增大呈现先增大后减小的变化规律。罗婧文［23］研究发现：随斜度的增大，桥面转角和残余转角呈现先增大后减小的变化规律，随伸缩缝的增大，桥面转角与残余转角均呈减小趋势。文献［24］通过分析考虑纵、横向碰撞效应联合作用下斜交桥的地震反应发现：随着斜度的增大，桥面峰值转角呈先增大后减小的变化规律；宽跨比对桥面转角的影响较小；伸缩缝间隙对桥面转角的影响较大。

3 横向挡块的影响

历次破坏性地震中斜交桥横向挡块普遍遭到破坏。汶川地震中，永安镇二号桥横向挡块根部产生斜向贯通的裂缝，发生斜拉破坏［25］；南坝大桥由于桥面横向位移使得横向挡块发生剪切破坏［26］。针对横向挡块对斜交桥桥面旋转的影响，相关学者做过以下研究。

E．A．Maragakis等［6－7］指出，在地震作用下由于横向挡块易损坏，且与主梁的间隙较大，使其对斜交桥桥面的旋转影响不大。但是大多数学者认为挡块的作用不能忽视，A．Abdel Mohti等［19，26］分析表明：横向挡块对整个斜交桥的地震反应有重要影响，挡块失效会增大桥面的横向位移。当斜交角大于30°时，挡块对桥面旋转的影响随斜交角的增大而减小。P．Kaviani等［18］研究发现：挡块的存在不仅能减小由桥面旋转引起桥墩的偏移比，同时会减小桥面旋转和落梁发生的几率，而挡块的破坏会增大桥面旋转的程度。罗婧文［23］认为：挡块对桥面横向移位起到很好的限位作用，挡块的存在同时会减小桥面的最大转角和残余转角。

由于实际工程中横向挡块的材料、尺寸、配筋以及初始间隙等均存在较大差异，使学者们就地震作用下横向挡块对斜交桥桥面旋转所起的作用持有不同观点，因此仍需对挡块的作用进一步研究。

4 支座的影响

支座作为桥梁结构中最薄弱的部件，在地震中极易遭到损坏，但其对结构的受力起着重要作用。汶川地震中，南坝大桥支座发生移位，导致主梁脱落［27］；岷江大桥、永安镇二号桥的支座均存在不同程度的损坏现象；玉树地震中退水渠二号桥梁体纵、横向产生较大位移，部分支座发生错位、脱落［28］，但是就支座对斜交桥地震反应影响的研究仍处于起步阶段。

A．Abdel Mohti等［26］指出地震作用下斜交桥在桥台处产生不对称的碰撞力，将导致支承构件破坏。Tirasit P．等［10－11］研究认为钢支座失效后主梁将产生较大的偏心碰撞力，显著增大桥墩的扭矩，但是对桥面转角影响不大。黄金翠［2］分析表明，地震作用下斜交桥墩高和支座刚度变化越大，桥面的最大转角变化越明显。石岩等［15］认为：在地震作用下，环境温度降低会使隔震连续斜交桥梁体旋转度减小，且温度越低减小程度越大。然而对于斜交桥中普遍使用的板式橡胶支座，由于支座未与主梁和垫石进行锚固连接，在地震作用下，特别是近场地脉冲型地震，由于竖向地震动的作用，易使桥梁钝角处支座发生破坏、锐角处支座出现负反力，使支座发生滑动、脱落，梁体出现翘起、脱空。因此，针对橡胶支座对斜交桥地震反应的影响值得深入研究。

5 限位措施研究

1995年Kobe地震中Mukogawa和Kawaraginishi两座斜交桥由于桥台处支座以及限位装置失效，导致墩柱发生剪切破坏、上部结构倒塌［29］。我国跨径较小的桥梁一般只设置横向挡块，很少采取其他限位措施，对于结构外形不规则的斜交桥，在地震中横向挡块极易受损，使其缺少有效的限位装置，但是到目前为止很少对斜交桥限位措施进行研究。

Watanabe G．等［30］研究发现：缆索限位器沿梁端横向安装对斜交桥的旋转有较好的约束作用，限位器垂直于支承线布置时效果次之，而沿桥纵向布置限位器产生的抵抗力矩最小、限位效果最差。川岛一彦等［31］对PC缆索式连梁装置在斜交桥上采用与支承线垂直方向和沿桥轴线方向两种布置形式的有效性进行研究，认为：垂直于支承线方向布置缆索对斜交桥旋转的控制较好；而在桥墩处采用沿桥轴向布置时梁间的相对位移较大。

桥梁抗震设计规范中指出，对于支座中可能出现负反力的桥梁不宜采用减隔震设计，但是未给出适合斜交桥结构特点的防旋转限位措施。既有的大量斜交桥在设计时很少设置除横向挡块外的限位装置，一旦发生破坏性地震将会造成重大损失。对斜交桥限位效果及防桥面旋转的研究尚处于初步阶段，因此亟需对其进行研究。

6 结语与展望

6．1 结语

通过介绍多次破坏性地震中斜交桥的震害，综述国内、外学者对地震作用下斜交桥桥面旋转方面的研究现状，将研究成果归纳如下：

（1）地震中斜交桥桥面普遍存在绕竖轴、锐角向外的转动，桥面的旋转既增大了梁体的横向位移，又增大了上部结构落梁、挡块和支座破坏等震害发生的概率。

（2）地震作用下斜交桥自身的几何形状导致其桥面发生旋转，而结构间的碰撞、摩擦效应以及支承刚度不对称引起的结构偏心等因素对桥面旋转起主要作用。

（3）多数学者认为，横向挡块对斜交桥的地震反应影响较大，能减小上部结构地震反应、起到抑制桥面转动的作用，挡块破坏后桥面的旋转程度会增大；但也有学者认为挡块对斜交桥桥面旋转的影响较小。

（4）除斜交桥自身的结构参数（如：斜度、宽跨比和墩高等）外，结构与边界的碰撞和摩擦效应、支承条件、台后填土、场地类别以及地震动特性等均对桥面的转动有较大影响，因此，今后在对斜交桥研究分析时应充分考虑上述参数的影响。

（5）支座对斜交桥的地震反应具有较大影响，支承刚度不对称时会引起斜交桥桥面的旋转；斜交桥的碰撞效应会导致支座发生破坏，支座破坏后又会对斜交桥产生不利影响。

6．2 展望

（1）与正交桥不同，由于斜交桥纵、横向反应耦合的影响，在进行地震反应分析时，应同时沿两相互垂直的水平方向输入地震波，以确定最不利地震动水平输入方向，然而影响斜交桥最不利地震动输入方向的因素较多，需对其进行研究。

（2）斜交桥作为异形桥，特别当斜度较大时，支座反力分布极不均匀，由于竖向地震动对斜交桥支座的影响较大，在地震反应分析时应同时输入三向地震动，但是现有的研究中很少考虑竖向地震动的影响；

（3）实际工程中，由于板式橡胶支座与主梁和垫石之间未进行锚固，地震作用下支座与梁体间易发生相对位移，甚至脱落，因此，板式橡胶支座的滑移效应对斜交桥桥面旋转的影响值得研究。

（4）由于斜交桥防落梁措施研究仍处于起步阶段，现有的研究尚未提出适合于斜交桥自身受力特点的防旋转限位措施，既有的大量斜交桥正处于地震威胁下，针对斜交桥的限位措施亟待解决。

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