地震作用下桥梁结构碰撞单元参数确定研究

马 坤

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司 贵阳 550081)

相邻桥跨之间均存在伸缩缝，当发生地震作用时，伸缩缝处会产生一定的碰撞，且碰撞力的大小会因桥跨间动力特性的不同而不同。一旦碰撞力达到上限值时，会导致伸缩缝处的混凝土发生剥落[1-2]，进而使得桥跨间产生更大的相对位移，严重时会导致桥梁的塌落。基于此，在对桥梁结构进行设计时，需要考虑其抗震性能，即进行抗震设计以使其在地震作用下具有一定的变形能力。本文将分析地震作用下桥梁结构碰撞效应中的碰撞单元参数确定原则[3]。

1 碰撞作用的基本理论及影响

由于地震发生时相邻桥跨间的碰撞是在短时间内完成的，所以该碰撞效应十分复杂[4]。就桥梁间的碰撞效应而言，碰撞的形式复杂多样。研究表明，碰撞处不仅存在横向的摩擦运动，还存在纵向的不均匀正碰[5]。

碰撞作用会直接影响桥梁结构的正常运营，碰撞作用对桥梁结构的影响如下[6]。

1) 地震作用的存在不仅会导致桥面板之间发生碰撞，同时还会导致桥面板与桥台之间产生一定的碰撞；进而直接损坏支座，并增大桥墩的延性需求。

2) 当桥面板与桥台发生碰撞时，伸缩缝的大小和桥台的刚度都会影响碰撞的大小，对于柔性桥台而言，影响更为明显。

3) 由于行波效应的存在，伸缩缝的大小不仅会影响碰撞力的大小，还会直接影响桥墩的内力值和墩顶位移。

4) 并不是伸缩缝越大或越小时桥梁结构的受力更好，研究表明：①当伸缩缝较小时，会增加碰撞的次数，但碰撞力会降低。②当伸缩缝较大时，会减少碰撞的次数，但碰撞力会增加。③当伸缩缝适宜时，此时对桥墩的受力最有利。

2 模型建立及地震波添加

为验证碰撞单元参数的取值对碰撞效应的具体影响，建立了图1所示3跨连续刚构大跨度桥，该桥梁左右侧各建立了5跨引桥，以便分析地震作用下各引桥与主桥间的碰撞效应。该连续梁刚构桥的主跨为135 m，边跨为73 m，属于预应力混凝土变截面单箱单室连续刚构桥，桥面宽10 m，桥墩采用双薄壁墩形式，墩高为80 m。

图1 桥梁结构模型

该桥梁结构对应的场区设防烈度为7度，场地类别II类，场地特征周期Tg=0.45 s，属于重点设防类。根据GB 50909-2014 《城市轨道交通结构抗震设计规范》 要求，抗震设计反应谱曲线表达式为

(1)

式中：αmax为峰值加速度，g ；Tg为特征周期，s；T为结构自身对应周期，s；γ为衰减指数；βm为动力放大系数最大值；η为阻尼调整系数，γ，βm，η为量纲为一的量。

根据规范得出E1地震弹性反应谱曲线如图2所示，其中50年超越概率为63%的弹性反应谱应考虑结构使用年限调整系数，按1.4计，计算采用2种反应谱分别计算，取计算结果包络值进行设计验算。

图2 E1地震弹性反应谱曲线

3 碰撞单元参数取值研究

在对桥梁结构进行地震作用下的碰撞分析时，需要注意对碰撞单元参数的取值。研究表明，碰撞单元的参数取值会直接影响计算结果的可靠性。鉴于此，为了更精确地模拟地震作用下桥梁结构的碰撞效应，本文将详细分析如何确定碰撞单元的刚度参数值。将该参数值定义为梁体刚度，在一定范围内对该参数进行变化取值，以分析出最为合适的单元刚度取值。

3.1 梁体刚度值

假定碰撞单元的刚度值和梁体刚度值一致，即取为k=2×106kN/m。为了分析碰撞效应对桥梁结构的具体影响，以下将分别按未考虑碰撞效应和考虑碰撞效应2种情况进行桥梁结构位移时程结果的提取。图3和图4是主桥与第一跨引桥在伸缩缝处的梁端位移情况。

图3 位移时程(无碰撞效应)

图4 位移时程(有碰撞效应)

对比分析图3和图4可得如下结论。

1) 由图3可知，无碰撞效应时，左右伸缩缝处对应的最大位移约为0.21 m。

2) 由图4可知，有碰撞效应时，左右伸缩缝处对应的最大位移约为0.2 m。

3) 碰撞效应的存在会直接影响主桥在纵桥向的位移。

4) 将碰撞单元的刚度值取为梁体刚度时，碰撞处对应的局部变形相差较大。

3.2 碰撞单元刚度值研究分析

为确定碰撞单元刚度与梁体刚度在何种差异上对碰撞更为有利，以下分多个工况分析碰撞单元的取值问题。表1为8种工况下对应的碰撞单元的刚度取值。

表1 刚度取值表

图5给出了各工况下主桥对应的纵向位移最大值、跨中竖向位移最大值、碰撞力及主桥固定墩底弯矩值。对比分析多种工况下桥梁结构的响应结果，可得结论如下。

①随着碰撞单元刚度值的增加，纵向位移呈现先减小后增加的趋势。

②随着碰撞单元刚度值的增加，竖向位移基本维持不变，处于上下浮动状态。

③随着碰撞单元刚度值的增加，碰撞力呈现逐渐增加的趋势。

④随着碰撞单元刚度值的增加，墩底弯矩值呈现逐渐减小的趋势。

图5 响应结果

4 结论

地震作用下相邻桥梁结构间存在碰撞效应，碰撞效应的大小不仅受伸缩缝大小的影响，同时还受碰撞单元刚度参数值的影响。基于此，本文针对碰撞单元刚度的取值问题进行了简要分析，结果表明：随着碰撞单元刚度值的逐渐增加，碰撞力逐渐增加，而墩底弯矩值逐渐减小，可见，在实际工程运用中，需要根据具体情况来分析碰撞单元刚度的取值。