地震作用下桥梁梁体间的碰撞响应分析

  本文关键词：地震作用下桥梁梁体间的碰撞响应分析，由笔耕文化传播整理发布。

第２６卷，第６期
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Ｎｏ．６

５年１ １月

ＣＨＩＮＡ ＲＡＩＬＷＡＹ ＳＣＩＥＮＣＥ

Ｎｏｖｅｍｌ）ｅｒ，２００５

文章编号：１００１．４６３２（２００５）０６—００７５—０５

地震作用下桥梁梁体间的碰撞响应分析
陈学喜，朱唏，高学奎
（北京交通大学土木建筑工程学院，北京１０００４４）

摘要：以一座３×１６ｍ简支梁桥为例，进行３种地震波作用下桥梁的地震响应分析，研究梁体间的碰撞 对桥梁结构地震响应的影响。研究结果表明，结构的碰撞响应与输入地震波的频谱特性、桥梁本身的动力特性 及碰撞单元特性密切相关。在强烈地震作用下，桥梁碰撞力相当大，最大达到结构自重的２１倍。碰撞易发生在 桥台与主粱接触部位，且次数频繁，但峰值较小，发生时间多在地震波能量最大时刻。碰撞力随碰撞弹簧刚度
的增加而增大，但增加幅度逐渐变缓，梁间设置压缩刚度较小的缓冲材料，可降低梁间的撞击力。采用柔性连

接时，碰撞的瞬问作用对梁跨轴力影响明显，对最大支座反力、墩底弯矩、剪力的影响不明显，说明柔性支座 在碰撞瞬间作用向桥墩传递过程中，有“隔减”的效果。
关键词：桥梁；梁体碰撞；伸缩缝；地震响应 中国分类号：Ｕ４４２．５５ 文献标识码：Ａ

在强烈地震作用下，由于碰撞引起的结构破坏 十分常见。相对于地震作用下房屋建筑的碰撞，桥 梁伸缩缝处的碰撞问题逐渐引起了各国学者的注 意。一方面，随着柔性支座及长周期免震结构的采 用，没计时容许结构间发生较大的地震相对位移， 而桥梁的伸缩缝宽度往往依据上部结构的温度伸 缩、徐变、制造误差等因素决定，要小于强震中产 生的相对位移；另一方面，各国抗震设计规范不断 修订，设计地震荷载有增大的趋势，这必将导致桥 梁上部结构在强烈地震作用下发生较大的位移反 应，使桥梁上部结构在地震中发生碰撞的可能性增 大。由于碰撞是地震时两运动物体间在瞬间发生的 现象，根据动量守衡定律，不难想象质量很大的梁 间碰撞将产生极为强大的撞击力，会造成结构局部 或整体损伤，如桥台胸墙破裂、桥墩折损、支座剪 坏等不同程度的破坏，严重的会导致桥梁在顺桥向 方向因撞击产生过大位移而发生落梁破坏。 碰撞产生的直接原因在于相邻结构间的相对位 移反应超过了伸缩缝的允许间隙。为了减小乃至避 免地震时梁间发生的碰撞响应，现行设计中一般用 设置一定宽度伸缩缝的办法来解决。当结构的固有 振动周期较长时，需要设置很宽的伸缩缝才能确保 地震时不发生梁间碰撞，而较宽的伸缩缝除影响道
收稿日期：２００５
０３—２８

路平整性外，还存在因交通振动产生噪音等诸多问 题，且在养护维修管理上还会增加不小的难度。所 以，在许多情况下，通过加宽伸缩缝来回避发生概 率极小的地震时梁问碰撞并非一定适宜“１ Ｊ。 本文以Ⅱ类场地条件下的铁路简支桥梁为对 象，用有限元软件模拟分析该简支桥梁的纵向地震 反应，讨论桥梁结构的梁间碰撞特性及其对结构抗
震性能的影响。

１分析模型的建立
选用一座三跨简支梁桥进行平面时程分析，计 算模型如图１所示。 计算中，碰撞弹簧的履历特性用弹性非线性材 料来考虑，即加载和卸载过程的荷载一位移关系为 同一曲线（如图２所示），忽略碰撞过程中地震运 动能量的消耗。在开始时此单元连接的两片粱可相 互独立运动，当相对位移大于初始梁间隙时，发生 碰撞，产生碰撞力，其大小与弹簧的压缩位移成正 比。当碰撞两者处在分离状态时，它们间的碰撞力 为零。取主梁的轴向压缩刚度作为碰撞弹簧刚度， 不计材料的塑性化影响“１。 结构的其他部分按如下方法进行理想化处理：

基金项目：国家自然科学基金资助项月（５０２７Ｎ３０７） 作者简介：陈学喜（１９７３一），男，宁夏中卫人，硕士研究生。

万方数据 　

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中国铁道科学 图１计算模型 ９．８ ｍ×３．２ ｒａｄ
１。

第２６卷

ｍ，地基变形弹簧刚度５×１０９

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粱闻间隙 （ａ）碰撞单元模型 Ｃｏ）碰撞单元荷载一位移关系

２计算结果分析与讨论
阻尼矩阵按瑞利（Ｒａｙｌｅｉｇｈ）线性组合法确 定，即［Ｃ］＝ｎ。［Ｍ］＋ａ。［Ｋ］，式中Ⅱ。，ａ，分别 取０．３８，０．００５（｝取０．０５，“．＝４．９８８，ＣＯ；＝ １６．１２２）。运动方程求解采用纽马克（Ｎｅｗｗ“ｒｋ） 隐式时间直接积分求解，为确保时间积分的无条件 稳定，Ｎｅｗｍａｒｋ参数采用ｙ＝０．５，口＝０．２５，积 分步长Ａｔ＝０．００２
ｓ。

图２碰撞单元模型及荷载一位移关系

（１）地震时地基变形的影响用一个只考虑墩底转动 的地基变形弹簧来模拟；（２）上部结构、桥墩用线 性梁单元模拟，不计地震过程中材料塑性化的影 响；（３）梁与桥墩（台）间板式橡胶支座的剪切刚 度用水平线性弹簧模拟，聚四氟乙烯滑板支座用水 平非线性弹簧模拟（如图３所示）。
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２．１碰撞现象分析 动震动输入选择３种，１９４０年Ｅｌ 波，１９５２年Ｔａｆｔ
Ｃｅｎｔｒｏ ２７０ Ｌｉｎｃｏｌｎ Ｓｃｈｏｏｌ ３３９波和１９４０年Ｅｌ

Ｃｅｎｔｒ０１８０波，以下简称Ｎ，波、Ｎ２波、Ｎ３波， 波形见图４所示，其原始加速度峰值分别为
３４９．７６，１７５．７１，２０９．９２

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ｃｍ?Ｓ。为了结果比较

的一致性，将其峰值加速度都调到与Ｎ１波峰值加 速度相同，作碰撞分析。采用全桥模型，梁缝宽６

一，计算最大碰撞力、碰撞次数及发生时间。计
图３滑板支座荷载一位移关系

算结果见表１所示。 从表ｌ结果可以看出，在强烈地震作用下，碰 撞力相当大，最大达到结构自重的２１倍。碰撞易 发生于桥台与主梁接触部位，并且次数较频繁，但 峰值较小，发生时间多在地震波能量最大时刻。考 虑到桥台限制了主梁的最大相对位移，对地震落梁 破坏有抑制作用，因此应采用适当的方法对胸墙加 以保护，包括合理地考虑伸缩缝间距和增设碰撞缓 冲装置，否则胸墙破坏后，由于位移失去约束和支 座的破坏，很容易发生落梁破坏，特别是对于长持 时的地震。Ｎ，波作用下最大碰撞力分别是Ｎ２波的 ２～２．５倍，Ｎ波的２～４倍，碰撞次数也不同，

桥梁计算参数”１：主梁采用４片Ｔ型梁（５００ 号混凝土），跨度１６ ｉｎ，截面面积４．８９９ 抗弯惯性矩１．４８７
９

６ ｒｌ－ｉ２，梁

ｍ４；双柱式桥墩（２５０号混凝

土），左墩高１４ｍ，墩身板厚１．９ｍ，右墩高８ｍ， 墩身板厚１．２ ｍ；碰撞单元刚度１．０３５
３×１０”Ｎ?

Ｉｎ；模拟桥台的弹簧刚度３．９１×１０ｓＮ?ｒｆｌ；板 式橡胶支座水平剪切刚度５．３ ＭＮ?１２１；聚四氟乙 烯滑板支座初始剪切刚度５．３ ＭＮ?ｍ，临界位移
ｚ。＝９．３４

ｍｒｎ；基础为深１ ｍ的浅平基，截面尺寸

万方数据 　

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地震作用下桥梁梁体间的碰撞响应分析

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图４地震波

表１最大碰撞力殛次数。发生的时间汇总
地震激励
Ｎ．

０８台

１８墩

２８墩 时间ｂ碰撞力／ＭＮ
６ ６８５ ６ ９２ １２ ３５ ８．４７ １５．７ ４７．１

３４墩

时间／ｓ碰撞力／ＭＮ
５ ３１６ ６．８５６ １２ ３７ ３ ０２ ６１６ １２ １

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时间／ｓ碰撞力／ＭＮ

次数
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时间ｋ碰撞力／ＭＮ
３．０１２ ６ ８２４ １２ ２４ ２ １８ ３ ８１ ９．７９

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这说明结构的碰撞响应，与输入地震波的频谱特性 及桥梁本身的动力特性密切相关（该模型中，桥梁 的基本周期为１．２６ ８）。 计算结果中，１ ４墩顶梁缝处在３种地震波作 用下，均没发生碰撞，这和通常忽略桥台模拟碰撞 对地震响应的影响分析结果有很大的不同，这种结 果的出现，主要是因为模型中１“墩两侧粱跨的自 振周期较接近，橡胶支座较柔，抵消了墩身的刚度 差异，且结构的响应在地震作用过程中始终由地震 波的频谱特性决定。
２．２碰撞对结构的影响
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（的１４墩顶粱缝处碰撞力时程曲线
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为了考察碰撞对桥梁地震反应的影响，避免桥 台约束造成对结构反应的干扰，在全桥模型中（作 用№波），给桥台碰撞单元初始梁缝宽一个很大 的数值，即假定桥台梁缝足够宽，这个假定是考虑 到对于较长的多跨简支梁桥边跨对中跨的弱空间作 用，从而不考虑桥台的影响…。图５给出了梁轴力 及板式橡胶支座反力的时程曲线，图６给出了墩底 剪力和弯矩的时程曲线。 由图５（ａ）可见，地震时梁问碰撞在极短的 时问内发生，随后梁间的反弹使梁端分离，碰撞力 恢复为０，最大碰撞力作用在梁的轴向。由图５ （ｂ）和（ｃ）可以看出，１ ４梁远端（左端）轴力和 碰撞点处梁的轴力（右端）几乎同时达峰值，但数 量值较小，而远端并没有发生碰撞，可见碰撞放大 了延梁轴向的地震响应，最大轴力是不考虑碰撞时 轴力的３．５倍，并向远端以脉冲形式传播。由图５ （ｄ）可看出，碰撞对最大支座反力的影响较小，并
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㈣１”墩左端轴力时程曲线

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时同自 （ｄ）ｌ。墩顶支座反力时程曲线

圈５碰撞对梁轴力、板式橡胶支座反力的影响

万方数据 　

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且不与碰撞瞬间同时发生。 从图６可以看出，虽然在１ ８墩顶梁缝处发生 了碰撞，但图中并无“脉冲”迹象，说明碰撞作用 没向墩底传播。可见，在柔性支座连接的桥梁中， 碰撞对墩底的影响不明显。采用柔性支座延长了结 构的基本周期，虽然增加了梁间碰撞的可能性及碰 撞力峰值，但对碰撞瞬间作用向桥墩底的传递起到 了“隔减”的效果。
３ ２

大位移不与碰撞瞬问同时发生，因此其最大水平反 力受碰撞弹簧刚度的影响较小。

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图７考虑不同碰撞弹簧刚度的影响
时问／ｓ 巾）ｌ“墩底弯矩时程曲线

图６碰撞对墩底剪力、弯矩的影响

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２，３碰撞弹簧刚度取值对碰撞的影响 在碰撞计算中，合理选取梁闯碰撞弹簧的刚度 对提高解析精度十分重要。为了定性分析碰撞弹簧 刚度值对地震撞击力的影响，取梁间距为６
ｃｌｎ，

１）不同地震波作用下，所产生的碰撞响应不 同，与输入地震波的频谱特性及桥梁本身的动力特
性密切相关。

２）在强烈地震作用下，桥梁伸缩缝碰撞力相 当大，最大可达结构自重的２ｌ倍。碰撞大多易发 生在桥台与主粱接触部位，考虑到在地震作用中， 主要是桥台限制了主梁的最大纵向相对位移，对地 震落梁破坏有抑制作用，因此应采用适当的方法对 桥台胸墙加以保护。 ３）采用板式橡胶支座、聚四氟乙烯滑板支座 等柔性连接形式时，碰撞的瞬间作用对梁跨轴力影 响明显，对最大支座反力、墩底弯矩、剪力的影响 不明显，说明柔性支座在碰撞瞬间作用向桥墩传递 过程中，有“隔减”的效果。 （４）碰撞单元物理特性模拟及刚度取值直接影 响碰撞力的计算精度，碰撞力随碰撞弹簧刚度取值 的增加而增大，但增加幅度渐缓，粱问设置压缩刚 度较小的缓冲材料，可以降低梁间的撞击力。

在Ｎ１波和Ｎ３波２种地震激励下，取刚度在 ０．２５～２．０倍梁轴向压缩刚度范围内变化时，进行 地震响应的碰撞分析”。。图７给出了不同碰撞弹簧 刚度条件下，碰撞力及支座反方的变化曲线。 由图７（ａ）可见，粱问撞击力随碰撞弹簧刚 度增大而增大，但当碰撞弹簧刚度达到一定值后， 撞击力增加幅度降低。根据加载试验经验，碰撞单 元刚度的取值在ｌ－－２倍梁的轴向刚度时，能得到 较接近实际的分析结果。因此，在梁端设置压缩刚 度较小的缓冲材料，可以降低梁间的撞击力。 由图７（ｂ）可见，与撞击力相反，支座的最 大水平反力几乎不受碰撞弹簧刚度的影响。尽管改 变碰撞弹簧刚度影响支座的水平位移，但因支座最

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地震作用下桥梁梁体间的碰撞响应分析

参
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考

文

献

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国桥梁学会，２００２
Ｒｅｇｉｎａｌｄ Ｄ Ｒ，Ｓｕｓｅｎｄａｒ Ｍ Ｉｍｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ．Ｓｅｉｓｍｉｃ Ｐｏｕｎｄｉｎｇ
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Ａｎ８】ｙｔｉｃａｌ Ｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅ［Ｊ］Ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ ＥｎＮｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｅ｜ＩＮｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ５ ６

２００４，３（１）：５７—６５

于海龙，朱唏地震作用下梁式桥碰撞反应分析［Ｊ］．中国铁道科学，２００４，２５（１）：９５—９９
Ｒｏｂｅｒｔ Ｊａｍｋｏｗｓｋｉ，Ｋｅｚｙｓｚｔｏｆ Ｗｉｌｄｅ，Ｙｏｚｏ Ｆｕｊｉｎｏ．Ｐｏｕｎｄｉｎｇ ｏｆ Ｓｕｐｅｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｓｅｇｍｅｎｔｓ ｉｎ Ｉｓｏｌａｔｅｄ Ｅｌｅｖａｔｅｄ Ｂｆｉａ目ｅ

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７

ａｎｄ

ＳｔｕｃｍｒａｌＤ”ｌａｎｌｌｅｓ，１９９８，２７：４８７—５０２．

王东升，冯启民，王国新．基于直杆共轴碰撞理论的桥梁地震反应邻梁碰撞分析模型［Ｊ］工程力学，２００４，２１ （２）：１５７—１６６．

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ｔｈｅ Ｐｏｕｎｄｉｎｇ Ｒｅｓｐｏｎｓｅｓ ｂｅｔｗｅｅｎ

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ｖｉｂｒａｔｉｏｎ－ｉｓｏｌａｔｉｎｇ ｐｏｕｎｄｉｎｇ；Ｅｘｐａｎｓｉｏｎ ｊｏｉｎｔ；Ｓｅｉｓｍｉｃ ｒｅｓｐｏｎｓｅ （责任编辑吴彬）

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｂｒｉｄｇｅ；Ｂｅａｍ

万方数据 　

地震作用下桥梁梁体间的碰撞响应分析
作者： 作者单位： 刊名： 英文刊名： 年，卷(期)： 被引用次数： 陈学喜， 朱晞， 高学奎， CHEN Xue-xi， ZHU Xi， GAO Xue-kui 北京交通大学,土木建筑工程学院,北京,100044 中国铁道科学 CHINA RAILWAY SCIENCE 2005,26(6) 7次

参考文献(7条) 1.GBJ111-1987,铁路工程抗震设计规范 2.范立础;王志强 桥梁减隔震设计 2001 3.谢旭;吴善幸 地震时桥梁间的碰撞现象及其影响[会议论文] 2002 4.Reginald D R;Susendar M Implications of Seismic Pounding on the Longitudinal Response of MultiSpan Bridges-An Analytical Perspective[期刊论文]-Earthquake Engineering and Engineering Vibration 2004(01) 5.于海龙;朱唏 地震作用下梁式桥碰撞反应分析[期刊论文]-中国铁道科学 2004(01) 6.Robert Jamkowski;Kezysztof Wilde;Yozo Fujino Pounding of Superstructure Segments in Isolated Elevated Bridge during Earthquakes 1998 7.王东升;冯启民;王国新 基于直杆共轴碰撞理论的桥梁地震反应邻梁碰撞分析模型[期刊论文]-工程力学 2004(02)

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