桥梁结构地震碰撞研究综述

桥梁结构地震碰撞研究综述

局部碰撞作用由于地面上相邻桥梁的动态特性以及地震输入空间变化的差异，当地震发生时，导致相邻桥梁之间的不同步振动。当桥梁之间的间隙无法满足相互对应的位移时，就会发生碰撞。然而,在地震中一旦伸缩缝两侧的结构发生碰撞,通常会带来局部的梁体碰撞损伤,同时碰撞对桥梁结构的抗震性能产生影响,巨大的碰撞力会导致支座的失效,伸缩缝两侧过大的相对位移也会导致更为严重的落梁震害。所以,在地震作用下,伸缩缝间的碰撞作用机理及其对桥跨结构抗震性能的影响以及防止碰撞与落梁的措施,是值得深入研究的问题。国外从上世纪90年代初开始有很多学者对桥梁地震碰撞作用问题进行了广泛的研究,而我国对该领域的研究目前还处于起步阶段。对由地震引发的桥梁碰撞反应的研究工作主要集中在四个方面:(1)对地震碰撞作用建立合理的力学模型;(2)有关桥梁结构地震碰撞效应的试验研究;(3)桥梁碰撞反应发生机理及其对结构构件抗震能力的影响;(4)防止碰撞发生及防止落梁的有效措施。本文针对这一问题对已有的研究成果进行总结回顾并展望有待进一步研究的内容。1地震中的结构碰撞现象及其理论分析模式1.1结构碰撞原因在过去30年来的地震中建筑及桥梁结构物间的碰撞现象已有诸多文献报道。如在1971年美国圣费尔南多(SanFernando)地震中OliveView医院的主体建筑与其外围楼层之间发生了严重的碰撞损坏;此外,在本次地震中还观察到带有座式桥台的公路桥梁由于桥面板之间以及桥面与桥台之间的碰撞而引发了广泛的破坏;在1989年美国洛马·普里埃塔(LomaPrieta)地震中因结构碰撞而发生建筑物倒塌或破坏的现象被更为广泛地观察到;在本次地震中ChinaBasin/Southern高架桥I-280截面处,因下层路面与支承上层路面的桥墩之间在地震中发生了冲撞,导致桥墩和下层路面都发生了中等程度的破坏现象;1994年美国Northridge地震中,离震中14km的州际5号公路桥,多处桥墩和伸缩缝发生严重的碰撞破坏;1995年日本Hanshin高速公路桥桥面在Kobe地震中产生0.30m纵向位移,过大的纵向振动所引起的相邻结构间的相互碰撞导致桥梁结构严重破坏;1999年台湾集集地震中30多座严重损坏的桥梁中,也有多座桥梁的破坏是由碰撞引起的;在我国1976年的唐山大地震中,滦河大桥的严重落梁破坏曾引起桥梁抗震工作者们的关注,他们对震害现象进行的各种解释中在不同程度上都提到了碰撞作用;我国在2008年发生的汶川地震中相邻结构变形缝处的碰撞破坏现象也很普遍,同样在多处观察到了梁式体系桥伸缩缝处防撞栏杆或护栏的撞击损坏。1.2接触单元法国外对桥梁伸缩缝间的碰撞现象研究地较早也较为深入,研究者为了在理论上对碰撞作用进行模拟,发展了各种模拟碰撞现象的方法。已有研究表明,对桥梁地震碰撞作用的模拟方法主要有基于碰撞动力学的恢复系数法和接触单元法两类。恢复系数法假定碰撞为质心碰撞且是瞬间完成的,根据两个质点接触前的状态,采用恢复系数模拟弹塑性碰撞,从而判断碰撞后的速度。恢复系数法具有物理概念清晰、算法简便的优点,但由于它不是基于力的方法,不易与现有结构分析软件相结合。已有一些学者运用恢复系数法对地震中建筑及桥梁结构的碰撞现象进行了模拟。更多研究者是以接触单元方法对碰撞现象进行模拟的。在接触单元法中,当结构接触碰撞时接触单元被激活。接触单元种类较多,具体可分为线性弹簧单元、Kelvin模型、Hertz模型、Hertz-damp模型以及改进的Hertz-damp模型等几种。线性弹簧模型是最简单的接触单元模型,仅由一个线性连接弹簧所组成,这种模型没有考虑碰撞过程中能量的损失。线性弹簧阻尼器单元(Kelvin模型)是由一个连接弹簧和一个阻尼器并联而成的,能够考虑碰撞过程中能量的损失。为了更真实地模拟碰撞过程中碰撞力与变形的关系,基于Hertz接触定律的非线性弹簧模型(Hertz模型)被一些研究者引入,该模型与线性弹簧模型相类似,但连接弹簧是非线性的。由于Hertz模型不能模拟碰撞期间的能量耗散,Muthukumar和DesRoches把应用于机器人和多体系统等领域碰撞问题的一种新模型—Hertz-damp模型引入结构碰撞,该模型采用非线性弹簧和非线性黏滞阻尼器的组合来模拟碰撞,同时考虑了碰撞的非线性刚度和碰撞过程中的能量损失问题。已有实验研究证实:碰撞过程中的能量损失大部分在接近过程中被耗散掉,而相对较少的能量损失由于摩擦作用而发生在碰撞恢复阶段。基于这个思路,Jankowski提出了不同于上述Hertz-damp模型的另一种模型,在此称之为改进的Hertzdamp模型,在该模型中忽略掉碰撞恢复阶段的能量损失,认为碰撞过程的能量损失在碰撞接近过程中全部消耗掉,计算撞击力时分别考虑碰撞接近过程与恢复过程两个阶段的接触力与接触变形特征。2桥梁的碰撞反应是由机理及其影响结构的抗疲劳力引起的2.1地震反应中的碰撞作用为了缓解地震中的碰撞损坏,很有必要搞清楚引起桥梁地震碰撞的原因及其影响因素。碰撞产生的直接原因在于相邻桥跨间的相对位移反应超过了伸缩缝处的允许间隙。在桥梁结构中,通常认为产生这种相对位移的原因主要包括:(1)相邻桥跨刚度、质量分布不同引起动力特性不一致,导致地震中的不同步振动,从而引发碰撞发生;(2)输入地震动的空间变化效应引起各支点间的不同步输入,从而导致碰撞发生。此外,对碰撞起重要作用的因素还有桩土相互作用、相邻跨桥梁之间间隙的大小等。DesRoches和Muthukumar采用恢复系数法对四联框架桥通过双自由度及四自由度模型研究了其在单边碰撞及双边碰撞作用下的响应规律,单边碰撞参数研究结果表明影响碰撞的主要因素是两相邻跨桥梁之间的周期比(即T1/T2)及其与地震动特征周期的比(即T1/Tg和T2/Tg)。当相邻桥跨周期相差较大时碰撞容易发生;碰撞对桥梁地震反应的放大效应是以T1/Tg和T2/Tg为变量的函数,且形成三个区域:在Ⅰ区(T2/Tg<1),由于碰撞作用刚性框架响应增大而柔性框架响应减小;在Ⅲ区(T1/Tg>1),由于碰撞作用刚性框架响应减小而柔性框架响应增大;在Ⅱ区(T1/Tg<1,T2/Tg>1),由于碰撞作用刚性框架和柔性框架响应均有所增大。Pantelides和Ma研究了地震作用下有阻尼柔性单自由度结构与相邻刚性结构之间的单边碰撞问题,分别考虑了单自由度体系的弹性和弹塑性行为。结构间的碰撞通过Hertz模型来模拟,其研究结果表明:弹性体系中的碰撞反应取决于柔性结构的周期;对于周期大于0.3s的结构阻尼的增加可以显著减小地震碰撞作用,这为引入主动控制及被动控制技术对结构碰撞进行控制提供了依据。结构碰撞与非均匀地震动之间的关系也有一些学者进行了研究。Hao等对空间变化的地震动作用下建筑结构间为避免碰撞发生而设置的合理间隙取值进行了研究。Hao还借助相对简单的两跨桥梁模型分析得出:当两相邻桥跨的基频显著不同时,两相邻桥跨的振动特性的差别是引起相对位移的主要因素;当相邻两跨的基频接近时,地面运动的空间变化是引起相对位移的主要因素。Zanardo等对多跨简支梁桥由地震动空间变化引起的伸缩缝处相邻梁体间的碰撞效应进行了分析,发现在各支点处的地震波的相干性越弱碰撞效应越大,产生的碰撞力比只考虑行波效应时大3~4倍。因此,在多跨简支梁桥或多联连续梁桥中,虽然相邻联的基本振动周期一样,但由于地震动的空间变化效应也可能引起伸缩缝处相邻梁体间的碰撞,甚至导致上部结构发生落梁破坏。关于桩土作用对桥梁地震碰撞响应的影响研究的文献还很少。Kim在分析桥梁碰撞反应时,采用土弹簧单元来模拟桩土之间的相互作用。Saadeghvaziri的研究认为,桩土相互作用对桥梁的纵向地震反应不利,而且对桥台的破坏作用高于对桥墩的破坏作用。Chouw和Hao以较为简单的三跨框架桥为例研究了空间变化的地震动以及桩土作用对安装传统宽度伸缩缝的桥梁以及新型大位移模数式伸缩缝桥梁碰撞响应的影响。研究表明:(1)现行的有关桥梁设计规范对相邻桥跨结构应具有相近的基频值以避免相邻桥跨的不同步振动引发的碰撞损坏的规定只有在不考虑桩土相互作用和地震动空间变化效应时才有效;(2)碰撞作用通常会减小桥墩的弯矩,刚性地基上的桥跨结构比柔性地基上桥跨结构经受更大的碰撞力;(3)对于位于软土地基上设置新型大位移模数式伸缩缝的桥梁,当相邻桥跨基频的比值在0.85~1.15之间时,桩土作用能够减小对最小伸缩缝宽度的需求;对于坚硬场地上的桥跨在空间变化地震动作用下,当相邻跨的频率比相近时,对最小伸缩缝宽度的需求将增大。2.2强震作用下桥跨结构的动力响应分析Pantelides和Ma研究了地震作用下有阻尼柔性单自由度结构与相邻刚性结构之间的单边碰撞问题,通过对比具有相同结构参数的弹性和弹塑性体系表明,非弹性结构的最大位移大于弹性结构,但其最大加速度、碰撞次数及碰撞力均显著减弱。Malhotra使用一个简单的两自由度集中质量模型运用恢复系数法,对一座多跨混凝土箱梁桥中的碰撞效应进行了分析。结果表明碰撞产生很大的碰撞力,但这些力不会传到桥墩和基础,碰撞一般会使墩顶位移减小,而且较短的桥跨受碰撞的影响比较长的桥跨大,碰撞似乎不会增加两桥跨之间的相对位移。Priestley等也认为碰撞扰乱了桥跨发生共振的能量积累,由于能量耗散作用通常减小桥跨的地震响应。Kim和Shinozuka通过对框架桥进行脉冲响应激励,结果表明碰撞会显著增加框架的加速度和速度响应,而对位移响应影响较小;当相邻桥跨的自振周期相差较大时,碰撞效应对结构的反应放大作用比较显著,然而这种情况在桥梁结构中并不常见,因此他们认为碰撞力通常并不会引起桥跨结构大的变形和损坏。DesRoches等研究指出,强震作用下无论是简支梁桥还是连续梁桥,桥面板之间的碰撞以及桥面板与桥台之间的碰撞对支座都会产生破坏作用,同时碰撞还会增大桥墩的延性需求。Maragakis等对强震作用下桥面板与桥台间的碰撞效应进行了研究,考虑了桥墩的材料非线性和台后填土的非线性性质,认为碰撞效应在结构地震反应中起决定作用,碰撞对柔性桥台的影响尤为显著。Jankowski等对多跨连续梁桥伸缩缝处相邻梁体间的碰撞效应进行了研究,考虑了行波效应的影响,主要分析了伸缩缝间隙大小对碰撞力和桥墩弯矩、剪力、位移的影响。文献[33-35]分别以16m或32m跨度的高速铁路简支梁桥为背景,建立了其两跨至四跨不等的平面计算模型,讨论了纵向地震输入下考虑梁间碰撞的地震反应特性。李建中,范立础以我国西部山谷地区典型的非规则梁桥为背景,建立空间计算模型并考虑桥墩的弹塑性研究了非规则梁桥在纵向地震作用下伸缩缝处的碰撞效应和减小碰撞效应的措施。王东升等以一座三跨50m简支梁桥为例分析讨论了碰撞作用对支座破坏和落梁破坏的影响,对桥墩内力的影响并提出减轻碰撞的措施及其他若干建议。王东升等以1976年唐山地震破坏的滦河桥为例,选择合适的地震波并以行波方式输入,利用时程分析法研究了邻梁碰撞对多跨长简支梁桥落梁震害的影响问题。王军文建立了考虑支座非线性和桥墩弹塑性性能的三自由度碰撞计算模型,通过非线性时程地震反应分析方法,分析和研究了纵向地震作用下连续梁桥相邻联的非同向振动和伸缩缝处的碰撞效应,讨论了相邻联的周期比、质量比、基本周期、间隙大小以及墩柱的弹塑性等因素对碰撞效应的影响规律。3减少碰撞和坠落的有效措施3.1减少接触率3.1.1相邻结构的频率差异为了避免发生碰撞,最直接有效的方法就是为相邻的结构提供足够大的间隙距离。在建筑结构领域已有许多学者研究了为避免相邻结构发生碰撞而需要设置的最小间隙距离。并且在许多国家的建筑抗震设计规范中对相邻建筑结构的临界间隙距离作出了相应的规定。这些规定通常根据ABS和SRSS规则来确定相邻建筑结构的最小间隙值。Jeng等和Kasai等的研究表明,ABS规则通常显得保守,特别是当相邻结构的频率比较接近时,SRSS规则在相邻结构频率相差较大时结果相对准确,但随着相邻结构的频率变得比较接近时,其结果也是很保守的。Jeng等提出了一种更合理的方法,将结构A与B的位移反应分别看作平稳随机过程,地震激励看作零均值平稳随机过程,最大相对位移可表示为:式中ρ为相关系数,即人们熟知的在线性多自由度体系模态叠加的CQC方法中使用的系数。上式表示的方法通常称为DDC法,已有研究表明,无论相邻结构的周期是否相近,DDC法均可给出较为合理的结果。对桥梁结构避免碰撞发生的临界间隙研究相对较少。Jankowski等研究了梁间伸缩缝宽度对梁体碰撞的影响,结果表明:间隙大碰撞次数少,碰撞力大;间隙小碰撞次数多,碰撞力小。缝隙间距较大和较小时对结构动力反应影响较小,而缝隙间距不大不小时对桥墩的受力最不利。在梁缝较宽的情况下,伸缩缝两侧的梁体可以独立振动,从而吸收大部分的振动能量,减轻地震影响。因此选择合适的伸缩缝宽度可以缓减梁体之间碰撞的发生。但是梁伸缩缝太小就会影响梁体温度应力的释放,而梁伸缩缝过大又会影响桥上行车的平稳性。不能单纯依靠调节梁伸缩缝宽度的方法来减轻地震作用下相邻梁之间的碰撞震害。3.1.2采用压碎装置Jankowski等对在碰撞接触处安装连接杆、阻尼器、硬橡胶缓冲垫、可压碎装置及冲击传递装置等缓减碰撞的措施进行了分析和讨论。研究结果发现:(1)安装连接杆和阻尼器时,当连接杆的刚度非常大或阻尼器的阻尼很大的情况下才最有效,但这种大刚度或是高阻尼的连接构件把上部结构几乎变成连续体系,这种连接措施使得梁体由于温度和混凝土收缩徐变的影响产生很大的内力,对梁体产生不利影响;(2)在梁间安装一种可压碎装置,在罕遇地震作用下该装置在碰撞过程中被压碎,从而退出工作为两侧梁体的运动提供足够的空间,避免了碰撞的发生,但是分析结果表明由压碎装置的塑性变形而吸收的能量并不大,主要起作用的是压碎装置破坏后梁体的自由振动能够耗散大部分的能量;(3)安装刚度较大的硬橡胶缓冲垫可以有效地减小墩底的弯矩以及邻梁之间的碰撞力。通过对比几种减轻碰撞的措施,他们建议了一种类似于液体油缸阻尼器的冲击传递装置来减轻碰撞效应,这种装置在温度引起的缓慢变形下,产生的阻力很小,而在冲击力作用下将产生很大的阻力,这一特性正好适用于梁缝之间,既能适应温度变化作用,又能防止梁体在地震时发生碰撞。3.1.3半主动控制方法Kim等研究了一个非线性黏弹性阻尼器和一个弹簧分别按串联和并联两种方式组合的防碰撞效果,结果表明非线性黏弹性阻尼器可以有效地减小上部结构的相对位移和碰撞力,而且对桥墩的延性要求不会产生太大的影响。Ruagnrassamee和Kawashima将半主动控制方法应用于桥梁碰撞反应的控制,提出在多跨连续梁桥支座与主梁间安装磁流变(MR)阻尼器来控制相邻桥跨的相对位移和碰撞效应,讨论了两种不同恢复力模型的阻尼器(摩擦阻尼方案和两步骤阻尼方案)在改善地震碰撞及非线性反应的效果,发现两种方案均能有效地减小梁体的纵向相对位移并减轻碰撞作用。郭安薪等对城市高架桥进行地震碰撞反应分析的基础上讨论了主动控制和磁流变半主动控制算法在桥梁碰撞反应控制中的效果。李忠献等针对城市隔震梁桥,研究了其在地震作用下的非线性碰撞反应及其被动控制措施与半主动控制措施。3.2防止坠落事件的措施3.2.1承接搭接长度的确定防止上部结构落梁最根本的措施是在伸缩缝支承处提供足够的搭接长度。美国、日本等国在这方面作了大量的研究,并将支承宽度写入了规范。AASHTO规范(1996)根据不同的抗震性能等级用以下经验公式计算伸缩缝处的支承搭接长度:式中,L为桥跨的长度(m),H为相邻框架的平均高度(m),S为支承的斜交角(°),s2/8000是考虑桥跨斜度的一个乘子。若通过弹性分析获得的位移结果超过由上式计算的值,则应采用分析结果进行设计。Caltrans规范(2001)根据如下公式计算伸缩缝处的支承搭接长度:式中,Δps,Δcr+sh,Δtemp,Δeq分别为预应力、收缩徐变、温度及地震作用引起的相对位移。并且在铰缝处的最小支承宽度不小于600mm,在桥台处不小于760mm。日本桥梁抗震设计规范(1996)分别针对直桥、斜桥及弯桥给出了伸缩缝处支承搭接长度的具体计算公式。对于直桥梁端至墩台或盖梁边缘的最小距离按下式计算:式中,L为梁的计算跨径(m)。我国于2008年10月实施的《公路桥梁抗震设计细则》(JTG/TB02-01—2008)也给出了梁式桥的支承宽度计算式,对于直线桥取值为N≥70+0.5L,各规定取值均源自日本的新桥梁设计规范。Hao对纵向地震作用下相邻桥跨间需求的搭接长度进行了参数研究。结果表明:当各支承处地震动的相关性越小,相位的变化与结构的基本振型不同向时,需求的搭接长度越大;当桥梁的基频与地震动的卓越频率一致时,所需的搭接长度最大;阻尼比、场地条件及地震动强度对需求搭接长度都有影响,增加结构的阻尼是减小需求搭接长度最有效的途径。3.2.2基于力的限位器设计方法在1971年美国加利福尼亚南部SanFernando地震中以及在此之前的地震中观察到桥梁破坏大多是由上部结构在支座位置处丧失支承造成的,这种震害引起了人们的广泛关注。针对这种破坏情况,最初由加州交通部(Caltrans)发展了相应的加固方案,他们在已建和新建的桥梁结构伸缩缝处增加纵向限位缆索或钢筋来限制伸缩缝处相邻梁体之间在地震时过大的相对位移。后来发生的地震证实这种纵向限位器在一些情况下能够避免梁体在伸缩缝处丧失支承,但在很多情况下仍然不能防止桥梁严重破坏甚至倒塌。当时美国采用的限位器设计方法主要有两种,即Caltrans方法(1990)和AASHTO方法(1992)。Caltrans方法假定在地震期间支座完全失效,并假定墩顶的加速度与地面峰值加速度相等,采用等效单自由度模型进行弹性反应谱分析,求出相邻每个框架独立运动最大位移,用两相邻跨的位移较小者控制设计,然后在模型中引入限位器通过迭代计算的方法求得所需的限位器刚度和数量。该方法忽略了支座的作用以及地基和墩柱柔性对地面运动的放大效应。AASHTO方法来源于Caltrans方法的早期版本,该方法将限位钢缆的设计地震力取为设计场地加速度系数乘以两相邻桥跨中较轻者的重量,不需要进行位移校核,但支承宽度必须满足最小需求。设计限位器的主要目的是控制相对位移,而该方法仍是基于力的设计方法。日本的桥梁设计规范(1990)规定限位器的设计地震力等于两倍的设计加速度系数乘以伸缩缝处的恒载竖向反力,该方法也是一种基于力的设计方法。限位器系统的失效使人们认识到对限位器系统工作性能及新的设计方法进行研究的必要性。许多研究者通过各种参数研究来了解影响限位器工作性能的因素,并发展了各种新的限位器设计方法。Saiidi等根据桥梁遭受的破坏程度、安装限位器的数量、上部结构的类型以及桥梁的斜交角度,选择了四座在1989年LomaPrieta地震中用缆索限位器加固的桥梁对其结构行为进行了分析研究,结果表明:影响限位器工作性能的因素包括地震动的幅值和频谱特性、地基基础及下部结构的柔性等。Yang等使用简化的两自由度模型模拟桥梁中的两个框架,通过大量的参数研究调查了桥梁的特性以及分析方法对伸缩缝处相邻梁体位移反应的影响。研究结果表明:Caltrans推荐的等效静力设计方法预测的伸缩缝相对位移不够准确。对于刚度比较大的相邻框架,等效静力法低估了伸缩缝处的相对位移;对于刚度比较小的相邻框架,由于没有考虑两个框架的同相运动,等效静力法显得太保守。Saiidi等以一座带有三个跨间铰缝的九跨框架桥为例,考虑非线性响应对其进行了参数研究,分析了限位器数量和松弛长度对结构非线性地震响应的影响,指出进行限位器的设计应对不同松弛长度的情况进行考虑,以便获得最合理的受力情况。同时分析结果也表明等效静力设计方法并不能给出满意的结果,需要进一步的改进。Trochalakis等对一座具有一个中间铰的两联框架桥,考虑不同类型桥台的作用以及各种不同特性的限位器进行了216种模型的非线性时程分析,发现相邻桥跨的最大相对位移对框架的刚度、有效周期以及限位器的特性都比较敏感。他在大量的参数分析基础上推荐了一种新的限位器设计方法,给出伸缩缝处相邻梁体最大相对位移为:式中,Davg=(D1+D2)/2,TL和TS分别为相邻框架的长周期与短周期,D1和D2是以解耦的两个等效单自由度系统采用弹性谱分析方法求出的相邻框架各自的最大位移。这种方法考虑了相邻桥跨的周期对相对位移的影响,但未考虑相邻跨的动力相互作用,也没有考虑桩土作用以及地震动空间效应的影响,建议通过一定的安全系数来考虑这些不确定的因素。DesRoches和Fenves提出了一种新的用迭代法设计限位器的方法。他将相邻桥跨解耦单独进行反应谱分析,得到各自的峰值位移,再利用相关系数,考虑相邻桥跨的振动相位差,通过CQC法得到伸缩缝处的相邻梁体的相对位移,并用等效线性化的方法考虑了墩柱弹塑性的影响。2001年DesRoches对他所提出的限位器设计方法进行了简化。这种方法的不足是未考虑相邻梁体之间碰撞对相对位移的影响。此外,该法适用于相邻跨周期比大于0.3的情况,不考虑桥台的影响,也不适用于斜桥和考虑非一致地震作用下的情况。Saiidi在对AASHTO规范和Caltrans规范推荐的抗震限位器设计方法进行评估的基础上,推荐了三种新的限位器设计方法:(1)W/2法;(2)ELSDR(等效线性静力限位器设计)方法;(3)修正Caltrans法。W/2法与其它方法不同之处是在地震中允许主梁脱座但不落梁,即该方法的主要目的是防止落梁。这种方法的主要优点是比较简单。ELSDR(等效线性静力限位器设计)方法对固定支座和滑动支座区别对待,其实施步骤如下:(1)通过验算固定支座的受力以及滑动支座处的位移来确定是否需要限位器:(2)假定一个初始的限位装置使用数量;(3)验算约束系统的位移;(4)验算限位装置中的应力,确保其受力在弹性范围内;(5)增加或减少