城市桥梁地震反应中防碰撞措施分析

城市桥梁地震反应中防碰撞措施分析

孙 立 霍立飞

(北京中交桥宇科技有限公司 北京 100011)

摘 要:在地震过程中城市桥梁上部相邻结构的碰撞, 不仅使结构受损, 甚至发生倒塌, 这是地震工程研究领域一个关键而又难以解决的问题。给出各国规范对于落梁防止装置的规定, 通过对工程实践中常采用的防碰撞措施进行分析, 改进了常用的拉杆装置、落梁防止装置的设计方法, 给出了简化的计算方法, 可以更好的应用到工程实践中。

关键词:碰撞 桥梁 地震反应

POUNDING EFFEC TS IN ELEVATED BRIDGES DURING EARTHQUAKES

Sun L i H uo L ifei

(Beijing Zho ng jiaoqiaoy u T echnique Co. L td Beijing 100011)

Abstract:P ounding of adjacent super structur e seg ments in elev ated bridg es during sev er e earthquake can result in sig nificant str uctur al damage. T he influence o f pounding on the st ructur al respo nse is significant in t he longit udinal direction o f the bridg e and significantly depends on t he g ap size betw een superstr ucture segments. In the study, the Code for seismic desig n of building s are co mpa red and analyzed, the method fo r decreasing pounding respo nse ar e analyzed, the desig n method for pr eventing the po unding r esponse ar e amended, t he r esult can be a pplied in the bridge design w ell.

Keywords:pounding elevated br idge seismic r esponse

0 前 言

地震作用下简支梁桥的碰撞对结构的地震响应具有重要的影响。结构发生碰撞后, 墩底弯矩和剪力以及梁体位移都比没有碰撞的时候大很多, 碰撞后的墩底弯矩有的超过了墩的屈服弯矩, 使结构进入非线性状态, 而且较大的碰撞力可能使梁体被撞坏, 发生落梁, 这些都在很大程度上改变了结构的地震响应状态。简支梁桥的梁间距提供了上部结构因温差、收缩、徐变等影响所需的伸长和缩短的距离, 在地震作用下梁间距除了要满足正常情况下上部结构的伸缩长度外, 还应考虑到梁发生碰撞的情况。梁间距取值较小(一般小于6cm ) 或者取得较大避免碰撞发生时, 墩底弯矩和剪力、梁的位移以及梁体间的碰撞力都相对较小。对于简支梁桥来说, 梁间距要是取值较小, 就不能满足上部结构因温差、收缩、徐变等影响所需的伸长和缩短的距离, 因而虽然从理论上讲缩小梁间距有利于减轻结构的碰撞响应, 但是实际上并不是可取的; 另一个方面, 当梁间距取得足够大能避免碰撞时, 墩底弯矩和剪力以及梁体

ruct ion ol.

位移都趋于一个稳定的值, 且比有碰撞发生时要小,

因而在理论上这也是一种减轻碰撞作用的较为有利的梁间距; 但是在实际工程中, 较大的梁间距对于桥梁这种结构形式并不一定可行, 因为增大梁间距的同时也增大了路面的不平顺, 另外从经济角度上考虑, 这种一味地靠增大梁间距来避免或是减小桥梁结构的碰撞响应也是不可行的

[1]

。

1 各国规范对于落梁防止装置的规定

我国现行的 公路工程抗震设计规范 (JT J 004-89) [2](以下简称 规范 ) 仅在第4 4 4条、第4 4 5条和4 4 15条中极为简单地提到了应考虑防止落梁的措施。

我国 规范 对落梁防止装置的设计没有量化的规定, 而国外, 如美国、日本、新西兰等国都有支承宽度和落梁防止装置的设计方法。这些方法大都采用静力分析手段进行弹性设计, 比较简单但不能准确

第一作者:孙 立 男 1973年4月出生 工程师收稿日期:2007-01-10

200737

反映伸缩缝的非线性效应。美国学者Saiidi (1999) [3]和Reg inald DesRoches(1998) [4]等提出两种新的落梁防止装置设计方法, 比以往的设计方法有很大改进。梁桥防止装置设计方法主要有美国的Caltrans 、AASH T O 方法和文献[3]提出的W/2、Saiidi 方法。Caltrans (加州运输部规范) 方法的主要假定是支座完全失效, 而结构的整个刚度只有约束的刚度。它采用了等效单自由度模型, 进行弹性设计。AASH T O 方法是美国各州公路和运输工作者协会规范的方法, 主要针对新桥的设计。AASH T O 方法设计地震力取为场地加速度系数乘以两相邻桥跨中较轻者的重量。W/2方法的设计目标与其他方法不同的是它允许主梁脱座但不落梁。在地震中主梁脱座后, 由拉索或吊绳(Cable) 悬吊起来, 直到工作人员修复。它十分简单, 可作为初步设计的方法粗略估计约束刚度。该方法设计的拉索在桥跨的一端要承受桥跨一半的重量, 即使主梁脱座后约束受力也以静载处理。Saiidi 方法由Saiidi (1999) 给出, 方法对桥梁不同位置(桥台、边跨和中跨) 有不同的考虑, 而且每个支座单独考虑, 一跨的两端可采用不同的约束量, 在每一支座处要区分固定还是滑动支座, 需要许多桥梁特性参数, 稍显复杂些, 但预测的反应与实际反应的相关性较好。2 两种防撞措施设计方法

在工程实践中, 减小碰撞响应的措施就是在梁与梁间放置一些能减轻碰撞作用的装置, 主要采用如下两种方法。

1) 在梁间放置粘弹性材料, 一般是放置橡胶垫片

在工程实践中, 通常用的防撞措施是在抗震挡跨前加橡胶垫片, 其恢复力如图1

所示。

防撞设施充分发挥了作用。在工程实践中, 可以根据实际需要的变形量来选择设计合理的参数d 1。

2) 拉杆装置、落梁防止装置的设计方法我国是一个地震多发国家, 特别是华北、西北、西南3大地震活动区, 仅1996年就发生多起里氏6级以上的地震, 由于地震发生在偏僻地区, 造成的损失并不大。但在1970年的通海地震、1975年的海城地震和1976年的唐山地震中, 都有落梁破坏的实例。落梁破坏势必造成严重的交通中断, 震后修复也比较困难, 损失是巨大的。美国和日本在每次大的地震后, 都对落梁破坏的桥梁进行分析、研究, 不断改进防落梁构造。现在日本就采用二次防落梁构造, 用于阪神地震后既有桥梁的加固和新建桥梁的抗震设计。因此, 对防落梁构造的深入研究是十分必要的。通过选择适当的防落梁构造, 可以防患于未然。

3 改进的落梁防止装置的设计方法

下面是笔者针对钢棒连接式和预应力钢绞线式落梁防止联结装置提出的改进的落梁防止装置的设计方法, 如图2和图3所示。

[5, 6]

1-桥墩; 2-主梁; 3-PC 钢棒; 4-钢板; 5-橡胶垫

图2

预应力钢棒连接式

1-防护混凝士; 2-连接钢绞线; 3-保护帽

图3 预应力钢绞线连接式

根据W/2方法(静力法) , 在地震中主梁脱座后, 由预应力钢绞线或钢棒(以下简称Cable) 悬吊

图1 带有防撞装置的接触单元恢复力模型

起来, 则此时作用在Cable 上的力为桥跨一半的重量, 亦即上部结构的恒载反力p 0。

事实上在地震作用下, 主梁脱座是一种复杂的动力现象。设主梁未落座前, 作用在Cable 上的力可忽略不计; 在t =0时刻, 梁体一端坠落, Cable 上

其中, d 1为柔性的防撞装置的最大容许变形量, 恢复力模型中的参数d 1在结构防撞设施中是十分重要的。随着d 1的增大, 撞击力下降, 当d 1足够大时, 碰撞作用所需的变形由防撞措施来完成, 此时

突然加上荷载p 0, 并一直作用直到桥梁修复为止, 表示为公式(1) :

p (t) =

0p 0

t

(1)

是如上所述的理想的突加荷载, 梁体脱落时具有一定的初速度, 本文在杜哈梅积分中忽略了初速度的影响, 另外为使落梁防止装置具有一定的安全系数, 建议落梁防止装置的设计承载力按式(9) 式计算:

F e =1 5p 0(9) 4 结 论

城市桥梁在地震荷载作用下将产生较大的相对位移, 若此处梁体的间隙取值不合理, 地震荷载作用时, 在主桥较大能量振动的碰撞和推挤下, 引桥的上部结构很可能发生落梁震害。通过对防撞措施的分

t y(t) =p ( ) sin (t - ) d (2) m 0

式(2) 是初始处于静止状态的单自由度体系在

任意动荷载p (t) 作用下的位移公式, 称为杜哈梅(Duham el) 积分。当t 0时,

y(t) =

p 0sin (t - ) d =m 0

t

02(1-co s t) =y st (1-cos t)

m

(3)

析可知:在抗震设计中, 对于防撞装置的选用, 应综合考虑防撞装置可以提供的变形量以及构造许可等因素。文中提出了纵向落梁防止装置 钢棒连接式和预应力钢绞线式的等效静力设计方法, 考虑了冲击荷载效应。将落梁防止装置的设计计算方法用于试点工程, 通过检验和验证, 将逐步推广应用。

参考文献

1 谱瑞斯特雷M J N. 桥梁抗震设计与加固. 袁万城, 胡 勃, 韦

其中, y st 为静荷载p 0作用下拉杆产生的静位移; m 为与拉杆相连的梁体质量; 为自振圆频率。

y st =(4) m

根据公式(3) 可得突加荷载作用下的动力放大系数为:

max

==2

y st

(5)

晓, 等, 译. 北京:人民交通出版社, 19972 JT J 004-89 公路工程抗震设计规范

3 M atth ew J. Randall, M. Saiidi, M ak os E. M arragakis , T atjana

Isakovic. Restrainer Design Procedures for M u lti s pan Sim ply

Sup ported Bridges. M CEER-99-0011

4 Reginald DesRoches , Gregory L. Fenves. Design Procedu res for

H inge Restrainer and H inge Seat Width for M ultiple Frame Bridges. M C EER-98-0013

5 Pan os T rochalakis, M arc O. Eb erhard, et al. Des ign of Seismic

Restrainers for In S pan Hing es. J ou rnal of Stru ctural Engineer ing. 1997, 123(4) :469-478

6 Caner A, Dogan E, Zia P, et al. Seismic Performance of M ulti

simple Span Bridges Retrofitted w ith Lin k Slabs. Journal of Bridges En gineering. 2002, 7(2):85-93

为便于拉杆的设计, 将作用于拉杆上的动荷载

等效为静荷载, 用F e 表示, 根据功的互等原理可得:

F e st =p 0y (t) st =

e

m 2

(6) (7)

式中, st 为等效静荷载F e 作用下拉杆产生的静位移。

将式(4) 、式(5) 、式(7) 代入式(6) 整理得式(8) :

[F e ]max =0=0(8)

事实上作用于落梁防止装置上的地震力也并非

(上接第714页)

2 江世永, 何建川, 罗沈建, 等 新型可扩展、易拆装活动房结构体

系 工业建筑, 1999, 29(2)

3 马永欣, 郑山锁 结构试验 北京:科学出版社, 20014 GB 50009-2001 建筑结构荷载规范

5 张相庭 工程结构风荷载理论和抗风计算手册 上海:同济大学

出版社, 1990

6 姚谦峰, 陈 平 土木工程结构试验 北京:中国建筑工业出版

社, 2001

7 CECS 102 2002 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程

8 Narayanan R. Alu minium Structures London and New York :

Els evier APPlied S cien ce, 1987

9 ECCS. European Recommendation s for Aluminum Alloy Struc

tures. 1978

10Alumin um A ssociation. Sp ecification for Aluminum Stru ctures

US A:1976

城市桥梁地震反应中防碰撞措施分析

孙 立 霍立飞

(北京中交桥宇科技有限公司 北京 100011)

摘 要:在地震过程中城市桥梁上部相邻结构的碰撞, 不仅使结构受损, 甚至发生倒塌, 这是地震工程研究领域一个关键而又难以解决的问题。给出各国规范对于落梁防止装置的规定, 通过对工程实践中常采用的防碰撞措施进行分析, 改进了常用的拉杆装置、落梁防止装置的设计方法, 给出了简化的计算方法, 可以更好的应用到工程实践中。

关键词:碰撞 桥梁 地震反应

POUNDING EFFEC TS IN ELEVATED BRIDGES DURING EARTHQUAKES

Sun L i H uo L ifei

(Beijing Zho ng jiaoqiaoy u T echnique Co. L td Beijing 100011)

Abstract:P ounding of adjacent super structur e seg ments in elev ated bridg es during sev er e earthquake can result in sig nificant str uctur al damage. T he influence o f pounding on the st ructur al respo nse is significant in t he longit udinal direction o f the bridg e and significantly depends on t he g ap size betw een superstr ucture segments. In the study, the Code for seismic desig n of building s are co mpa red and analyzed, the method fo r decreasing pounding respo nse ar e analyzed, the desig n method for pr eventing the po unding r esponse ar e amended, t he r esult can be a pplied in the bridge design w ell.

Keywords:pounding elevated br idge seismic r esponse

0 前 言

地震作用下简支梁桥的碰撞对结构的地震响应具有重要的影响。结构发生碰撞后, 墩底弯矩和剪力以及梁体位移都比没有碰撞的时候大很多, 碰撞后的墩底弯矩有的超过了墩的屈服弯矩, 使结构进入非线性状态, 而且较大的碰撞力可能使梁体被撞坏, 发生落梁, 这些都在很大程度上改变了结构的地震响应状态。简支梁桥的梁间距提供了上部结构因温差、收缩、徐变等影响所需的伸长和缩短的距离, 在地震作用下梁间距除了要满足正常情况下上部结构的伸缩长度外, 还应考虑到梁发生碰撞的情况。梁间距取值较小(一般小于6cm ) 或者取得较大避免碰撞发生时, 墩底弯矩和剪力、梁的位移以及梁体间的碰撞力都相对较小。对于简支梁桥来说, 梁间距要是取值较小, 就不能满足上部结构因温差、收缩、徐变等影响所需的伸长和缩短的距离, 因而虽然从理论上讲缩小梁间距有利于减轻结构的碰撞响应, 但是实际上并不是可取的; 另一个方面, 当梁间距取得足够大能避免碰撞时, 墩底弯矩和剪力以及梁体

ruct ion ol.

位移都趋于一个稳定的值, 且比有碰撞发生时要小,

因而在理论上这也是一种减轻碰撞作用的较为有利的梁间距; 但是在实际工程中, 较大的梁间距对于桥梁这种结构形式并不一定可行, 因为增大梁间距的同时也增大了路面的不平顺, 另外从经济角度上考虑, 这种一味地靠增大梁间距来避免或是减小桥梁结构的碰撞响应也是不可行的

[1]

。

1 各国规范对于落梁防止装置的规定

我国现行的 公路工程抗震设计规范 (JT J 004-89) [2](以下简称 规范 ) 仅在第4 4 4条、第4 4 5条和4 4 15条中极为简单地提到了应考虑防止落梁的措施。

我国 规范 对落梁防止装置的设计没有量化的规定, 而国外, 如美国、日本、新西兰等国都有支承宽度和落梁防止装置的设计方法。这些方法大都采用静力分析手段进行弹性设计, 比较简单但不能准确

第一作者:孙 立 男 1973年4月出生 工程师收稿日期:2007-01-10

200737

反映伸缩缝的非线性效应。美国学者Saiidi (1999) [3]和Reg inald DesRoches(1998) [4]等提出两种新的落梁防止装置设计方法, 比以往的设计方法有很大改进。梁桥防止装置设计方法主要有美国的Caltrans 、AASH T O 方法和文献[3]提出的W/2、Saiidi 方法。Caltrans (加州运输部规范) 方法的主要假定是支座完全失效, 而结构的整个刚度只有约束的刚度。它采用了等效单自由度模型, 进行弹性设计。AASH T O 方法是美国各州公路和运输工作者协会规范的方法, 主要针对新桥的设计。AASH T O 方法设计地震力取为场地加速度系数乘以两相邻桥跨中较轻者的重量。W/2方法的设计目标与其他方法不同的是它允许主梁脱座但不落梁。在地震中主梁脱座后, 由拉索或吊绳(Cable) 悬吊起来, 直到工作人员修复。它十分简单, 可作为初步设计的方法粗略估计约束刚度。该方法设计的拉索在桥跨的一端要承受桥跨一半的重量, 即使主梁脱座后约束受力也以静载处理。Saiidi 方法由Saiidi (1999) 给出, 方法对桥梁不同位置(桥台、边跨和中跨) 有不同的考虑, 而且每个支座单独考虑, 一跨的两端可采用不同的约束量, 在每一支座处要区分固定还是滑动支座, 需要许多桥梁特性参数, 稍显复杂些, 但预测的反应与实际反应的相关性较好。2 两种防撞措施设计方法

在工程实践中, 减小碰撞响应的措施就是在梁与梁间放置一些能减轻碰撞作用的装置, 主要采用如下两种方法。

1) 在梁间放置粘弹性材料, 一般是放置橡胶垫片

在工程实践中, 通常用的防撞措施是在抗震挡跨前加橡胶垫片, 其恢复力如图1

所示。

防撞设施充分发挥了作用。在工程实践中, 可以根据实际需要的变形量来选择设计合理的参数d 1。

2) 拉杆装置、落梁防止装置的设计方法我国是一个地震多发国家, 特别是华北、西北、西南3大地震活动区, 仅1996年就发生多起里氏6级以上的地震, 由于地震发生在偏僻地区, 造成的损失并不大。但在1970年的通海地震、1975年的海城地震和1976年的唐山地震中, 都有落梁破坏的实例。落梁破坏势必造成严重的交通中断, 震后修复也比较困难, 损失是巨大的。美国和日本在每次大的地震后, 都对落梁破坏的桥梁进行分析、研究, 不断改进防落梁构造。现在日本就采用二次防落梁构造, 用于阪神地震后既有桥梁的加固和新建桥梁的抗震设计。因此, 对防落梁构造的深入研究是十分必要的。通过选择适当的防落梁构造, 可以防患于未然。

3 改进的落梁防止装置的设计方法

下面是笔者针对钢棒连接式和预应力钢绞线式落梁防止联结装置提出的改进的落梁防止装置的设计方法, 如图2和图3所示。

[5, 6]

1-桥墩; 2-主梁; 3-PC 钢棒; 4-钢板; 5-橡胶垫

图2

预应力钢棒连接式

1-防护混凝士; 2-连接钢绞线; 3-保护帽

图3 预应力钢绞线连接式

根据W/2方法(静力法) , 在地震中主梁脱座后, 由预应力钢绞线或钢棒(以下简称Cable) 悬吊

图1 带有防撞装置的接触单元恢复力模型

起来, 则此时作用在Cable 上的力为桥跨一半的重量, 亦即上部结构的恒载反力p 0。

事实上在地震作用下, 主梁脱座是一种复杂的动力现象。设主梁未落座前, 作用在Cable 上的力可忽略不计; 在t =0时刻, 梁体一端坠落, Cable 上

其中, d 1为柔性的防撞装置的最大容许变形量, 恢复力模型中的参数d 1在结构防撞设施中是十分重要的。随着d 1的增大, 撞击力下降, 当d 1足够大时, 碰撞作用所需的变形由防撞措施来完成, 此时

突然加上荷载p 0, 并一直作用直到桥梁修复为止, 表示为公式(1) :

p (t) =

0p 0

t

(1)

是如上所述的理想的突加荷载, 梁体脱落时具有一定的初速度, 本文在杜哈梅积分中忽略了初速度的影响, 另外为使落梁防止装置具有一定的安全系数, 建议落梁防止装置的设计承载力按式(9) 式计算:

F e =1 5p 0(9) 4 结 论

城市桥梁在地震荷载作用下将产生较大的相对位移, 若此处梁体的间隙取值不合理, 地震荷载作用时, 在主桥较大能量振动的碰撞和推挤下, 引桥的上部结构很可能发生落梁震害。通过对防撞措施的分

t y(t) =p ( ) sin (t - ) d (2) m 0

式(2) 是初始处于静止状态的单自由度体系在

任意动荷载p (t) 作用下的位移公式, 称为杜哈梅(Duham el) 积分。当t 0时,

y(t) =

p 0sin (t - ) d =m 0

t

02(1-co s t) =y st (1-cos t)

m

(3)

析可知:在抗震设计中, 对于防撞装置的选用, 应综合考虑防撞装置可以提供的变形量以及构造许可等因素。文中提出了纵向落梁防止装置 钢棒连接式和预应力钢绞线式的等效静力设计方法, 考虑了冲击荷载效应。将落梁防止装置的设计计算方法用于试点工程, 通过检验和验证, 将逐步推广应用。

参考文献

1 谱瑞斯特雷M J N. 桥梁抗震设计与加固. 袁万城, 胡 勃, 韦

其中, y st 为静荷载p 0作用下拉杆产生的静位移; m 为与拉杆相连的梁体质量; 为自振圆频率。

y st =(4) m

根据公式(3) 可得突加荷载作用下的动力放大系数为:

max

==2

y st

(5)

晓, 等, 译. 北京:人民交通出版社, 19972 JT J 004-89 公路工程抗震设计规范

3 M atth ew J. Randall, M. Saiidi, M ak os E. M arragakis , T atjana

Isakovic. Restrainer Design Procedures for M u lti s pan Sim ply

Sup ported Bridges. M CEER-99-0011

4 Reginald DesRoches , Gregory L. Fenves. Design Procedu res for

H inge Restrainer and H inge Seat Width for M ultiple Frame Bridges. M C EER-98-0013

5 Pan os T rochalakis, M arc O. Eb erhard, et al. Des ign of Seismic

Restrainers for In S pan Hing es. J ou rnal of Stru ctural Engineer ing. 1997, 123(4) :469-478

6 Caner A, Dogan E, Zia P, et al. Seismic Performance of M ulti

simple Span Bridges Retrofitted w ith Lin k Slabs. Journal of Bridges En gineering. 2002, 7(2):85-93

为便于拉杆的设计, 将作用于拉杆上的动荷载

等效为静荷载, 用F e 表示, 根据功的互等原理可得:

F e st =p 0y (t) st =

e

m 2

(6) (7)

式中, st 为等效静荷载F e 作用下拉杆产生的静位移。

将式(4) 、式(5) 、式(7) 代入式(6) 整理得式(8) :

[F e ]max =0=0(8)

事实上作用于落梁防止装置上的地震力也并非

(上接第714页)

2 江世永, 何建川, 罗沈建, 等 新型可扩展、易拆装活动房结构体

系 工业建筑, 1999, 29(2)

3 马永欣, 郑山锁 结构试验 北京:科学出版社, 20014 GB 50009-2001 建筑结构荷载规范

5 张相庭 工程结构风荷载理论和抗风计算手册 上海:同济大学

出版社, 1990

6 姚谦峰, 陈 平 土木工程结构试验 北京:中国建筑工业出版

社, 2001

7 CECS 102 2002 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程

8 Narayanan R. Alu minium Structures London and New York :

Els evier APPlied S cien ce, 1987

9 ECCS. European Recommendation s for Aluminum Alloy Struc

tures. 1978

10Alumin um A ssociation. Sp ecification for Aluminum Stru ctures

US A:1976