桥梁碰撞问题的研究现状

　　桥梁的地震冲撞行为主要发生在桥梁的纵向主梁之间或主梁与桥台胸墙之间,冲撞行为有可能造成的后果主要有:主梁梁端开裂、桥台胸墙局部混凝土脱落、伸缩缝破坏、下部支座螺栓剪断,更严重的情况是造成主梁相对位移过大,导致落梁。近年来针对桥梁地震碰撞破坏现象、机理及预防措施,国内外展开了多方面的研究,但是针对目前我国西部地区大量兴建的结构形式复杂的不规则高墩桥还较少,因此研究碰撞效应对于丰富此类桥梁抗震设计和减轻桥梁碰撞破坏有着重要的工程实用意义。

　　1 桥梁碰撞问题的研究现状

　　目前有关相邻结构之间地震碰撞临界间隙的研究大多集中于建筑结构差异谱法(SPD)能对线弹性结构的地震碰撞临界间隙作出合理的预测;随后,将这种方法推广于非线性结构;Lin运用随机振动理论对毗邻建筑物地震碰撞临界间隙进行了系统研究,建立了确定地震碰撞临界间隙的理论公式并进行了可靠度分析。与建筑物的碰撞研究形成鲜明对比的是,有关桥梁碰撞的地震记录很少,对桥梁碰撞机理、理论和方法的研究尚待深入,许多研究工作正处于起步阶段。早期的绝大多数解析工作为了使问题简化常采用单自由度振子来求得定性的结果,主要目的是获得碰撞作用下对结构宏观行为的理解,并发展简化的处理碰撞问题的方法。Maragakis等研究了梁体与桥台间的碰撞对桥梁结构地震反应的影响,研究发现影响碰撞效应的参数有桥台处的伸缩缝间隙,梁体与桥台的质量比、桥台的刚度以及恢复系数,碰撞对柔性桥台的影响尤为显著[1];有人采用三维多自由度体系对隔震高架桥梁伸缩缝处相邻梁体间由于行波效应引起的碰撞效应和减小碰撞反应的措施进行研究,主要分析了伸缩缝缝隙间距大小对碰撞力和桥墩弯矩、剪力、位移的影响;针对两直杆杆端的共线碰撞问题主要采用振动理论进行整个碰撞过程的分析,对碰撞过程的力学机理、能量损失及碰撞时间进行了研究,并在此基础上采用恢复系数法对桥梁伸缩缝处相邻梁体之间的碰撞效应进行了研究;Hong Hao等假定地震波为平稳的随机振动,应用Clough-Penzien谱密度模型及Luco和Wong的理论模型推导出的相干函数来考虑地震动的空间变化,以七跨简支梁来模拟无限长桥,分析地震动空间变化对结构地震反应的影响[2];为了合理地考虑碰撞对相对位移的影响,提出了考虑碰撞影响的相对位移反应谱,应用接触单元法分析了间隙比、周期比、质量比、谱速度和相对速度、地震震级和震中距等参数对相邻桥跨最大相对位移的影响;

　　2 桥梁碰撞问题的分析方法

　　2.1 恢复系数法[3]。恢复系数法是一种传统的方法,它通过动量守恒定律来分析两个质点的碰撞,根据两个质点接触前的状态来判断碰撞后的速度,运用恢复系数和动摩擦系数模拟弹性或塑性碰撞以及接触面的光滑性。

　　恢复系数法可以处理两个刚体间的碰撞问题,它具有物理概念清楚、算法简单的优点,但恢复系数和碰撞接触时间要事先给定,不适用于碰撞时间持续较长的情况且不适合有限元分析是其缺点。

　　2.2 接触单元法[4-9]。接触单元法是用两个点对点的接触单元来模拟结构上两相邻节点间的碰撞。接触单元由弹簧和阻尼器组成,用弹簧模拟接触单元的刚度,用阻尼器模拟碰撞过程中能量的耗散。接触单元法可以处理结构上两指定节点间碰撞,它的物理概念清楚、算法简单,目前主要应用领域为建筑物和桥梁结构的碰撞分析。

　　(1)线形弹簧模型。线性弹簧模型是最简单的接触单元模型,仅由一个连接弹簧所组成,此种接触单元模型没有考虑碰撞过程中能量的损失。

　　(2)Kelvin模型。Kelvin模型由一个连接弹簧和一个阻尼器并联而成,此种模型能够考虑碰撞过程中能量的损失。

　　(3)Hertz模型。Hertz模型与线性弹簧模型相类似,但连接弹簧是非线性的,这种接触单元模型也没有考虑碰撞过程中能量的损失。

　　(4)Hertz-damp模型。Hertz-damp模型是对Hertz模型的改进,通过与Hertz模型的接触弹簧并联一个非线性阻尼器来描述碰撞中能量的耗散。

　　(5)三维接触-摩擦模型。地震碰撞发生时,相邻跨桥梁的接触面上存在摩擦现象,上述四种接触单元模型均未能考虑,据此计算的地震碰撞反应有一定的误差。基于点面接触理论且考虑边界渗透的三维接触-摩擦模型。

　　3 结语

　　目前国外学者对地震作用下的桥梁碰撞问题的研究一般仅限于截面单一、墩高一致且形状较规则的梁式桥,且对双边碰撞效应研究较少,而国内对高墩桥梁间碰撞的研究也处于起步阶段,因此有必要对高墩桥的碰撞机理和效应进行深入的研究。