摘要
曲线梁桥因其优越的空间和地形适应能力在匝道桥、立交桥和山区桥梁中占有很大的比重，且多为交通基础设施的“咽喉”，其抗震防灾问题的重要性不言而喻。地震荷载作用下，曲线梁桥桥墩等主要构件往往处于压、弯、剪、扭等多种受力耦合作用状态。与直线梁桥相比，地震荷载作用下曲线梁桥更容易出现主梁间(相邻联)、主梁与桥台间(相同联)的碰撞。而强震作用下曲线梁桥的碰撞会造成曲线梁桥地震响应规律的显著变化，诱发主梁撞裂、撞损，伸缩缝挤压破坏，支座冲击失效甚至落梁等震害。然而，现阶段地震作用下曲线梁桥的碰撞效应参数影响规律，以及碰撞效应对曲线梁桥地震响应规律影响及其机理尚缺乏系统深入的试验、数值和理论研究。有鉴于此，本文充分借鉴曲线梁桥地震响应规律及其震害机理等相关研究成果，对带纵坡曲线梁桥碰撞效应影响振动台试验方法、不同特性地震动作用下碰撞前后的曲线梁桥地震响应规律，以及碰撞前后曲线梁桥的地震易损性，进行了理论分析、数值模拟和试验研究。主要的研究工作及成果包括如下几个方面。 (1)带坡曲线梁桥相邻联碰撞效应影响振动台试验方法研究。设计制作了几何相似比为1/10的小半径带坡曲线梁桥振动台缩尺模型，通过理论推导验证了利用墩-梁碰撞来模拟相邻联碰撞的可行性，进而设计制作了可变间隙碰撞测试装置，完成了带纵坡曲线梁桥相邻联碰撞影响振动台试验方案设计;最后，采用频域分解法对试验模型桥的基本动力特性进行了识别，通过与数值分析结果对比验证了试验模型的有效性。 (2)远场地震动作用下曲线梁桥碰撞效应及其影响振动台试验研究。开展了远场地震动作用下碰撞前后(不考虑和考虑碰撞)的曲线梁桥振动台试验。探究了远场地震动作用下激励方向、碰撞间隙等参数对带纵坡曲线梁桥碰撞效应(碰撞次序、碰撞力、碰撞次数等)的影响，并分别从支座相对位移、主梁动力响应和桥墩动力响应等参数对碰撞前后带纵坡曲线梁桥地震响应规律进行了对比分析。结果表明，激励方向和初始间隙对曲线梁桥的梁端碰撞效应影响显著。本文试验工况下，Y向激励时高、低墩同时碰撞，而X向及双向激励时高、低墩则依次碰撞;且与单向激励相比，双向激励时碰撞力度和碰撞次数有显著增长;随着初始间隙的增大，碰撞次数锐减，但较大的碰撞间隙也有可能导致较大的碰撞力。碰撞会导致曲线梁桥主梁的旋转响应增大，并引发梁端较大的水平加速度响应脉冲;纵坡会造成低墩处的碰撞力大于高墩处的碰撞力，并引起主梁显著的竖向动力响应;此外，碰撞会放大柔性边墩墩顶位移响应(模拟相邻联)，增加相邻联桥墩和主梁在地震中的破坏风险。 (3)近场脉冲型地震动作用下曲线梁桥碰撞效应及其影响振动台试验研究。开展了近断层脉冲型地震动作用下碰撞前后曲线梁桥的振动台试验。探究了近场脉冲型地震动作用下激励方向、碰撞间隙等参数对带纵坡曲线梁桥碰撞效应的影响，分别从支座相对位移、主梁动力响应和桥墩动力响应等参数对碰撞前后带纵坡曲线梁桥地震响应规律进行了分析，并与远场地震动作用下的试验结果进行了对比。结果表明:与远场地震动作用相比，近断层脉冲型地震动作用下曲线梁桥的碰撞效应(碰撞次数和碰撞力)有较为显著的增加，碰撞持时显著增长;与远场地震动作用下碰撞效应的影响类似，近断层脉冲型地震动作用下，双向激励比单向激励时碰撞次数增多，但碰撞力大小无显著变化。随着碰撞间隙的增大，碰撞次数显著减少，且高墩内侧碰撞力锐减，增大了内外侧的碰撞力差值，加大了高墩处不均匀碰撞的程度。近场脉冲型地震动作用诱发的曲线梁桥碰撞效应会增大支座的位移响应，进而增大支座失效和落梁风险。且在碰撞方向上墩顶有效均方根位移响应存在放大现象，碰撞效应会增加曲线梁桥桥墩的破坏风险。 (4)曲线梁桥碰撞效应及其影响参数规律研究。基于OpenSees平台建立能够考虑不同碰撞参数影响(碰撞刚度、碰撞耗能、碰撞间隙等)的曲线梁桥非线性分析模型，并基于振动台模型实测数据修正;在此基础上，系统研究了激励方向、曲率、纵坡、碰撞间隙等参数对曲线梁桥碰撞效应，以及碰撞效应对曲线梁桥动力响应的影响。结果表明，与试验结果类似，激励方向不同使得碰撞次序和碰撞力度均有不同，初始间隙的增大使得碰撞次数锐减。曲率和纵坡变化对梁端碰撞的峰值、次数和内外侧差值影响显著。曲率越大(曲率半径越小)，梁端的不均匀碰撞程度越高，会加剧主梁的面内旋转反应，并增大碰撞对支座相对位移、主梁动力响应和桥墩动力响应的影响程度。纵坡越大，曲线梁桥低墩处的碰撞力响应以及高墩处的支座位移响应越大，进而增加低墩处梁端混凝土碰撞破损和高墩处落梁的风险。 (5)考虑碰撞效应影响的曲线梁桥地震易损性分析。基于增量动力分析(IDA)系统研究了考虑碰撞与否的曲线梁桥抗震性能差异，并探究了碰撞效应对曲线梁桥地震易损性的影响规律。结果表明，随着地震动强度的增大，碰撞效应对曲线桥抗震性能的影响增大。考虑碰撞效应影响后，梁端内外侧碰撞力的差值随着地震动强度的增加而增大，不均匀碰撞现象凸显。碰撞力对边墩的影响程度大于中墩，且对边墩中较高墩的影响更为显著。当碰撞力方向与滑动支座运动方向相反时会减少支座位移，反之则增大支座位移。内外侧支座的位移差随着地震动强度的增大而增大。碰撞对固定墩的易损性有限制作用，即碰撞对本联固定墩有利。但碰撞对边墩的易损性有放大作用，即碰撞对相邻联不利，且碰撞效应会导致梁端的局部破坏。设计中应全面考虑碰撞效应对曲线梁桥地震易损性的影响。
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