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强震下刚构桥梁端碰撞效应剖析与抑制策略探究

一、引言

1.1研究背景与意义

在现代交通网络中，刚构桥凭借其独特的结构优势，如结构刚度大、变形小、抗震性能较好等，成为跨越山谷、江河等复杂地形的重要桥梁形式，在交通基础设施建设中占据着举足轻重的地位。随着交通事业的蓬勃发展，刚构桥的建设规模和数量不断增加，其安全性与稳定性对于保障交通的顺畅运行至关重要。

然而，地震作为一种极具破坏力的自然灾害，始终对刚构桥的安全构成严重威胁。在强震作用下，刚构桥各构件会产生复杂的动力响应，其中梁端碰撞效应尤为突出。当遭遇地震时，由于相邻梁体或梁体与桥台之间的相对位移急剧增大，超过了伸缩缝的设计容许范围，从而引发梁端碰撞现象。这种碰撞不仅会对梁体和桥台造成直接的局部损伤，如混凝土剥落、钢筋外露与屈服等，还可能导致整个桥梁结构的内力重分布，进一步加剧结构的破坏程度，甚至引发落梁等严重后果，使桥梁丧失使用功能，中断交通，给社会经济和人民生活带来巨大损失。

以1995年日本阪神地震为例，众多桥梁因梁端碰撞而遭受严重破坏，大量梁体移位、落梁，导致交通系统陷入瘫痪，震后修复工作耗费了巨大的人力、物力和时间成本。2008年我国汶川地震中，也有不少刚构桥出现了梁端碰撞破坏的情况，严重影响了救灾物资的运输和救援工作的开展。这些震害实例充分凸显了强震下刚构桥梁端碰撞问题的严重性和研究该问题的紧迫性。深入研究刚构桥梁端碰撞效应及其抑制措施，不仅有助于揭示桥梁在地震作用下的破坏机理，完善桥梁抗震理论，还能为桥梁的抗震设计、加固改造提供科学依据和技术支持，对于提高刚构桥的抗震能力、保障交通生命线的安全具有重要的现实意义。

1.2国内外研究现状

国外对桥梁碰撞效应的研究起步较早，在理论分析、数值模拟和试验研究等方面都取得了丰硕的成果。在理论分析方面，学者们建立了多种碰撞力学模型，如Hertz接触理论模型及其改进模型，用于描述碰撞过程中的力-位移关系，为碰撞效应的定量分析奠定了基础。在数值模拟领域，利用大型通用有限元软件，如ANSYS、ABAQUS、LS-DYNA等，能够对桥梁结构在地震作用下的复杂力学行为，包括梁端碰撞效应进行较为准确的模拟分析，研究不同参数对碰撞响应的影响规律。试验研究则通过振动台试验、拟静力试验等手段，对桥梁模型在模拟地震作用下的碰撞现象和结构响应进行观测和分析，验证理论模型和数值模拟的准确性，为研究提供了直观的数据支持。例如，美国学者[具体姓名1]通过对多座实际桥梁在地震后的损伤调查和分析，总结了梁端碰撞的破坏模式和影响因素；日本学者[具体姓名2]开展了一系列桥梁振动台试验，研究了不同地震波输入下桥梁的碰撞响应和破坏机理。

国内对于刚构桥梁端碰撞效应的研究也在近年来得到了广泛关注和快速发展。众多学者结合我国的地震特点和桥梁工程实际情况，在理论分析、数值模拟和试验研究等方面开展了大量工作。在理论分析方面，对国外的碰撞理论模型进行了深入研究和改进，使其更符合我国桥梁结构的特点，并提出了一些新的理论分析方法。在数值模拟方面，利用先进的有限元技术，对不同类型和跨度的刚构桥进行了地震响应和梁端碰撞效应的模拟分析，研究了结构参数、地震动特性等因素对碰撞效应的影响。试验研究方面，国内一些高校和科研机构搭建了大型桥梁试验平台，开展了不同比例的刚构桥模型试验，研究了地震作用下刚构桥的动力响应、梁端碰撞过程及其对结构整体性能的影响。如文献[文献名称1]通过数值模拟分析了不同伸缩缝间距对刚构桥梁端碰撞力和碰撞次数的影响；文献[文献名称2]开展了高墩大跨连续刚构桥的振动台试验，研究了梁端碰撞对桥墩内力和变形的影响。

尽管国内外在刚构桥梁端碰撞效应及抑制措施方面取得了一定的研究成果，但仍存在一些不足之处和研究空白。一方面，现有的碰撞理论模型在考虑复杂的材料非线性、几何非线性以及地震动的不确定性等因素时，还存在一定的局限性，导致理论分析结果与实际情况存在一定偏差。另一方面，在抑制措施的研究方面，虽然提出了多种方法，但部分措施在实际工程应用中的效果和可靠性还需要进一步验证，而且缺乏对不同抑制措施的综合比较和优化研究。此外，对于一些新型结构形式的刚构桥或处于复杂地质条件下的刚构桥，其梁端碰撞效应和抑制措施的研究还相对较少。

1.3研究内容与方法

本文主要研究内容包括以下几个方面：首先，对强震下刚构桥梁端碰撞效应进行深入分析，通过建立合理的力学模型和有限元模型，研究不同地震动参数、结构参数（如跨度、桥墩高度、伸缩缝间距等）对梁端碰撞力、碰撞次数、碰撞能量等指标的影响规律，揭示梁端碰撞的发生机制和破坏机理。其次，针对刚构桥梁端碰撞问题，研究有效的抑制措施，包括改进伸缩缝设计、设置缓冲装置、优化结构体系等，并对各种抑制措施的作用原理、效果和