橋梁伸縮縫處的碰撞效應(yīng)分析

1、橋梁伸縮縫處的碰撞效應(yīng)分析 橋梁伸縮縫處的碰撞效應(yīng)分析 摘要：地震是嚴(yán)重危害人類的一大自然災(zāi)害，提高橋梁的抗震能力，使橋梁在地震時(shí)能起到平安疏散、避難的作用，地震后確?？拐鹁葹?zāi)重建家園的交通需要，是橋梁工程中的重要課題。本文在前人研究的根底上，對(duì)相關(guān)領(lǐng)域的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀尤其是伸縮縫處的碰撞效應(yīng)進(jìn)行了總結(jié)和分析。 關(guān)鍵詞：橋梁；伸縮縫；碰撞效應(yīng) 中圖分類號(hào)：K928.78 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)： 一、概述 橋梁是生命線工程的重要組成局部，是交通運(yùn)輸?shù)臉屑~工程，在抗震救災(zāi)中處于極其重要的地位。因此，充分研究橋梁結(jié)構(gòu)在地震中的破壞模式，提高橋梁的抗震能力，使橋梁在地震時(shí)能起到平安疏散、避難的作用

2、，地震后確?？拐鹁葹?zāi)重建家園的交通需要，是橋梁工程中的重要課題。 二、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)在地震效應(yīng)作用下的理論研究，近年來國(guó)內(nèi)外側(cè)重于以下幾個(gè)方面的研究： 1.曲線梁橋的研究 2.鋼筋混凝土構(gòu)件的空間彈塑性分析 3.橋梁地震反響損傷評(píng)估 4.伸縮縫處的碰撞效應(yīng) 下文主要針對(duì)伸縮縫處的碰撞效應(yīng)進(jìn)行總結(jié)和分析。 三、伸縮縫處的碰撞效應(yīng) 碰撞對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)地震反響影響，各國(guó)學(xué)者的觀點(diǎn)并不相同。在近些年發(fā)生的地震中，由于碰撞所導(dǎo)致的房屋和橋梁結(jié)構(gòu)的破壞對(duì)城市和人民的生命財(cái)產(chǎn)平安產(chǎn)生了越來越重要的影響，相鄰結(jié)構(gòu)在地震作用下相互碰撞甚至發(fā)生倒塌。橋梁在地震中的碰撞，比擬典型的有：相鄰跨上部結(jié)構(gòu)的碰撞

3、，上部結(jié)構(gòu)與橋臺(tái)的碰撞以及相鄰梁間的碰撞。碰撞震害會(huì)產(chǎn)生非常大的撞擊力，從而使結(jié)構(gòu)受到破壞。在歷次地震中由于上部結(jié)構(gòu)的碰撞導(dǎo)致落梁直至整個(gè)結(jié)構(gòu)毀壞的現(xiàn)象也不少見。在我國(guó)唐山大地震中灤河橋的嚴(yán)重落梁破壞在很大程度上就是由于碰撞作用引起的，這種碰撞行為一般造成主梁梁端開裂、橋臺(tái)胸墻局部混凝土脫落、伸縮縫擠壓等機(jī)構(gòu)輕微的破壞，但某些情況下碰撞會(huì)引起橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生嚴(yán)重的落梁事故。在國(guó)外1994 年Northridge地震中，在洲際 5 號(hào)道和洲際 14 號(hào)道交叉道的伸縮縫和附近的一些橋梁的聳立橋臺(tái)出產(chǎn)生了嚴(yán)重的碰撞破壞，引起了有關(guān)專家的高度重視；在 1989 年洛馬普利塔地震中，一段低矮的路面與支撐高架

4、橋南段橋面的高柱發(fā)生的碰撞導(dǎo)致路面和柱的兩側(cè)遭受嚴(yán)重?fù)p壞，調(diào)查后得出結(jié)論，高度的顯著差異以及相鄰橋梁構(gòu)件固有頻率不同是造成碰撞的主要原因。另外，有關(guān)墩高相同時(shí)上部結(jié)構(gòu)單元之間的碰撞對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響也從一座距洛杉磯 85 公里的高速公路橋的震害得到了證實(shí)，該座橋梁被安裝了一系列的加速度計(jì)，得到的記錄顯示出很多尖峰，這些尖峰點(diǎn)的幅值是地震輸入最大加速度的十倍多，研究人員認(rèn)為尖峰點(diǎn)的出現(xiàn)是由地震波傳播效應(yīng)引起橋梁碰撞產(chǎn)生的。1995 年日本阪神地震時(shí)，Hanshin高速公路上部結(jié)構(gòu)單元沿橋向的運(yùn)動(dòng)到達(dá)了 0.3m，在伸縮縫處引起了相當(dāng)大的碰撞損傷，在這次地震中關(guān)于高架橋損失的報(bào)告中指出，支座斷裂是引

5、起鄰梁碰撞和落梁的原因，并且認(rèn)為碰撞力的碰撞特征增加了結(jié)構(gòu)部件脆性斷裂的可能性。因此，開展這方面的研究具有理論和工程實(shí)際兩方面的意義。 碰撞產(chǎn)生的直接原因在于相鄰結(jié)構(gòu)間的相對(duì)位移反響超過了伸縮縫的允許間隙。在橋梁結(jié)構(gòu)中，產(chǎn)生這種相對(duì)位移的原因可以概括為：橋墩的剛度、質(zhì)量以及動(dòng)力特性不一致；輸入地震波的空間變化，如行波效應(yīng)；地基或場(chǎng)地的不均勻性或根底形式不同；由結(jié)構(gòu)構(gòu)件非線性變形、破壞帶來的相對(duì)位移反響。近幾十年來，由于橋梁隔震、減震設(shè)計(jì)的開展，在橋梁結(jié)構(gòu)中大量采用柔性橡膠支座，這將會(huì)導(dǎo)致橋梁上部結(jié)構(gòu)在強(qiáng)烈地震作用下發(fā)生較大的位移反響，而橋梁結(jié)構(gòu)的伸縮縫寬度往往依據(jù)上部結(jié)構(gòu)的溫度伸縮、徐變、制造

6、誤差等因素決定，通常小于強(qiáng)震中產(chǎn)生的相對(duì)位移，這就使橋梁上部結(jié)構(gòu)在地震中發(fā)生碰撞的可能性增大。 在過去對(duì)建筑物在地震作用下碰撞問題的研究工作主要集中在以下四個(gè)方面：一是通過實(shí)際震害來觀察和了解碰撞造成的危害程度。尤其是 1985 年墨西哥城地震產(chǎn)生的巨大損失引起了世界范圍內(nèi)對(duì)碰撞危害性的關(guān)注，到目前為止全世界的地震專家們已經(jīng)積累了大量豐富而珍貴的有關(guān)碰撞災(zāi)害的資料，這對(duì)于碰撞地震反響的分析和研究有著重要的參考價(jià)值；二是對(duì)不同形式的理想化模型進(jìn)行碰撞動(dòng)力學(xué)的解析研究以及對(duì)碰撞現(xiàn)象的模擬。由于碰撞問題的本質(zhì)是非線性的，早期的絕大多數(shù)解析工作為了使問題簡(jiǎn)化采用單自由度振子來求得定性的結(jié)果，主要目的是

7、獲得在碰撞作用下對(duì)結(jié)構(gòu)宏觀行為的理解，并開展處理碰撞問題的簡(jiǎn)化方法。三是針對(duì)特定的碰撞部位進(jìn)行解析的研究。為了得到實(shí)際結(jié)構(gòu)的真實(shí)響應(yīng)，Maison和Kasai等人開展并研究了較為復(fù)雜的多自由度體系結(jié)構(gòu)模型，以前對(duì)多自由度碰撞模型的研究工作多局限于對(duì)相鄰建筑物的碰撞進(jìn)行二維模擬，這種二維模型采用碰撞單元來描述碰撞效應(yīng)，每個(gè)單元由彈簧和阻尼器組成，彈簧用于控制碰撞持時(shí)，阻尼器用于表述能量損失，Cross和Jones曾根據(jù)假定的碰撞持時(shí)和恢復(fù)系數(shù)確定出了彈簧剛度和阻尼系數(shù)，這樣使二維碰撞模擬得以實(shí)現(xiàn)。四是如何減少碰撞造成的危害。已經(jīng)提出的減少碰撞損失的措施包括在建筑間隙設(shè)置吸能材料、擴(kuò)大結(jié)構(gòu)間距、加

8、強(qiáng)相鄰建筑物的連接以及確保整體性等等。 日本阪神地震后，隔震技術(shù)在橋梁上的應(yīng)用越來越多，但由于隔震橋梁延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的固有周期，并導(dǎo)致大位移從而增加了碰撞的可能性。無約束活動(dòng)節(jié)點(diǎn)處的位移過大使得橋跨在縱向的相對(duì)位移超出支座長(zhǎng)度引起的橋梁破壞的例子是相當(dāng)多的。這個(gè)問題在高墩柱的多跨橋梁中尤為突出。用活動(dòng)節(jié)點(diǎn)隔開的相鄰橋跨結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)可能是異相的，這就增加了節(jié)點(diǎn)的相對(duì)位移。由于低估了地震位移，使得相鄰結(jié)構(gòu)之間的預(yù)留間距缺乏以防止沖擊破壞發(fā)生。這種問題主要發(fā)生在高度不同的相鄰結(jié)構(gòu)之間，即標(biāo)高較低的上部結(jié)構(gòu)與相鄰較高的結(jié)構(gòu)的支柱之間發(fā)生沖撞。橋梁構(gòu)件之間的沖擊力可能會(huì)相當(dāng)大，以至于使得單元內(nèi)部的剪切力增大到可

9、能發(fā)生脆性剪切破壞的程度。因此我們必須正確估計(jì)結(jié)構(gòu)的變形并預(yù)留足夠的間距以防止不同高度的結(jié)構(gòu)之間發(fā)生沖撞破壞。抗震標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定增大相鄰梁的間距以防止碰撞，另一方面，增大了間距也會(huì)帶來一些新的問題，這些也都是需要解決的。 小結(jié) 隨著城市交通體系的快速開展，大跨度立交橋梁得到越來越多的應(yīng)用。城市大局部立交橋梁屬不規(guī)那么結(jié)構(gòu)，在地震作用下的反響比擬復(fù)雜，它在地震中平安和經(jīng)濟(jì)性在很大程度上有賴于抗震設(shè)計(jì)方法的合理性和準(zhǔn)確性，因此進(jìn)一步開展大跨度城市立交橋梁抗震設(shè)計(jì)的研究具有非常重要的意義。對(duì)于地震工程的研究來說，總結(jié)和分析震害經(jīng)驗(yàn)一直是改良抗震設(shè)計(jì)的重要途徑。計(jì)算分析和數(shù)值模擬是進(jìn)行大跨度城市立交橋梁地震反響研究的一個(gè)重要手段，合理和精細(xì)的分析有助于進(jìn)一步探討和總結(jié)大跨度城市立交橋梁地震反響的規(guī)律和特點(diǎn)。 參考文獻(xiàn)： 【1】王 麗大跨度立交橋抗震設(shè)計(jì)理論與方法 D. 北京工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文, 2005. 【2】Tatsuo Ogata, Koji Osada. Seismic Retrofitt