大跨度連續剛構橋地震碰撞效應研究

張茂會，鄭必燦，陳麗軍

(1.武漢市政工程設計研究院有限責任公司，湖北 武漢430023；2.武漢光谷聯合集團有限公司，湖北 武漢 430073)

大跨度連續剛構橋地震碰撞效應研究

張茂會1，鄭必燦2，陳麗軍1

(1.武漢市政工程設計研究院有限責任公司，湖北 武漢430023；2.武漢光谷聯合集團有限公司，湖北 武漢 430073)

針對地震作用下的橋梁結構伸縮縫處的碰撞現象，基于剛體碰撞分析理論，采用間隙單元模擬碰撞作用，建立了大跨度連續剛構橋在安評波作用下的有限元模型，分析表明：該橋在地震作用下，橋墩的塑性變形降低了結構內力反應，但增大了結構位移，增強了碰撞效應；橋梁碰撞力相當大，最大達到原結構的10.9倍，易導致梁端混凝土受壓破壞；該文分析方法可為同類型分析提供參考。

剛構橋；碰撞；非線性時程分析；間隙單元；地震反應

0　引言

近年來，高墩大跨剛構橋得到了迅猛的發展，跨度屢創新高，與其他橋型類似，抗震也是大跨剛構橋無法回避的問題，尤其在強烈地震作用下，由于碰撞引起的結構破壞十分常見。地震作用下的橋梁碰撞是一個相當復雜的空間接觸問題，本文在既有的研究基礎上，基于剛體碰撞分析理論，采用間隙單元模擬碰撞效應，建立空間分析模型研究了大跨度連續剛構橋在地震作用下的碰撞效應，分析結果和方法可為同類工程提供參考。

1　碰撞單元模型

橋梁產生碰撞的直接原因在于相鄰結構間的相對位移反應超過了伸縮縫的允許間隙，本模型中采用間隙單元模擬梁端碰撞，間隙單元在每個自由度上均有彈簧和間隙串聯而成，見圖1。

圖1　碰撞單元模型

當N1和N2兩個節點間縮小的相對位移的絕對值超過了間隙單元的初始間隙時，該方向的剛度就開始發生作用，彈簧力與變形的關系如下：

式中：k為間隙單元中彈簧的剛度；o為初始間隙；d為坐標系中彈簧的變形。

2　橋梁碰撞分析模型

2.1有限元模型

本文模型在主梁端部設置間隙單元模擬碰撞效應，每個間隙單元的剛度取為3.60×108N/m，初始間隙取為21 cm；同時考慮到由于本橋在地震作用引起的橋墩彎矩主要分布在橋墩的底部和墩頂與主梁的連接處附近，故這兩處都有可能進入塑性狀態，因此本文將在墩頂、底范圍均布置一定長度的纖維截面模擬的塑性鉸，橋梁結構的有限元模型見圖2。

圖2　有限元模型

2.2地震時程

根據橋址所處位置，中國地震局地殼應力研究所為該特大連續剛構橋地震分析擬合了三條場地地面加速度時程數據，本文僅以一條安評地震波為例進行分析，考察其順橋向地震作用下的碰撞效應，地震波見圖3。

3　橋梁的地震碰撞反應[1-10]

3.1模型中采用線性和非線性橋墩時的碰撞反應

采用安評波，將間隙單元的間隙設置為21 cm，分別對橋墩按照線性考慮和橋墩按照纖維單元模型進行非線性動力時程分析,分析結果見表1。

圖3　地面加速度時程曲線

表1　橋墩內力值

各個橋墩的不同反應導致了橋梁上部結構碰撞反應的差異，本文僅列出間隙單元1的碰撞力時程考察橋墩塑性變形對結構的影響效果，見圖4。

圖4　間隙單元1碰撞力時程

由表1中的結果對比可知，在安評波作用下，當橋墩采用非線性纖維模型模擬塑性鉸時，各橋墩的彎矩和剪力最大值均較線性模型有所減小，這表明，在地震作用下，部分橋墩截面進去塑性變形階段，材料的已不再是線性的本構關系；同時結構的塑性鉸變形有一定的耗能作用，使結構受力發生重分布，故非線性模型下的橋墩彎矩和剪力峰值均比線性模型中減小。由圖4可知，在非線性模型中，主梁左端間隙單元1發生3次碰撞，最大碰撞力為7 143 kN，而在線性模型中，主梁左端間隙單元1僅發生1次碰撞，最大碰撞力為6 881 kN，可見非線性模型中結構的碰撞次數、碰撞程度均較線性模型中有所增加，這表明塑性鉸的變形雖然降低了橋墩的內力峰值，但是增加了結構變形，增強了該橋的碰撞效應。

3.2碰撞對橋梁結構的影響

前文分析表明，采用普通的線性單元模擬橋墩，橋墩的內力值偏大，而采用纖維模型的非線性模型，可以較真實的模擬橋墩的實際受力情況，其碰撞分析的結果也更為準確，故本文采用安評波，分別按照不加入碰撞單元和將碰撞單元的初始間隙設置為21 cm兩種情況對橋梁模型進行非線性動力時程分析，對比研究梁端有無碰撞時的結構各部分的反應。由于篇幅所限，僅列出主梁梁端單元和1#橋墩的地震反應情況，見圖5。

將圖5中的數據整理，見表2。

由圖5及表2分析可以得出，主梁左右梁端均發生了3次碰撞，每次碰撞持續的時間均較短，由于碰撞作用，左梁端軸力由655 kN增大為7 115 kN，右梁端軸力由826 kN增大為7 831 kN，表明碰撞作用使得梁端軸力迅速明顯增大，左右兩端由于碰撞造成的最大軸力分別是不考慮碰撞時軸力的10.9倍和9.5倍，易導致梁端部混凝土發生受壓破壞。同時發現，1#橋墩墩頂的彎矩、剪力、位移峰值均變化較小，表明碰撞對本橋橋墩產生的影響不是很大。

4　結　論

通過對本文連續剛構橋的碰撞分析可以得出以下結論：

（1）在安評波地震作用下，非線性的纖維分析模型中塑性鉸的變形雖然降低了橋墩的內力峰值，但是變形的增大使得該橋的碰撞效應更為明顯；

（2）本文模型采用間隙單元模擬結構的碰撞效應，分析表明碰撞效應使主梁軸力急速增大，極易引起梁端混凝土發生受壓破壞；同時碰撞效應對于橋墩的影響不大；

圖5　橋梁結構在有無碰撞時地震反應對比圖

（3）碰撞過程是一個及其復雜的非線性接觸問題，本文采用間隙單元簡化模型進行分析，探討了該剛構橋地震作用下的碰撞效應，該方法可為同類型分析提供參考。

表2　橋梁結構地震反應結果

[1]鄧育林,彭天波,李建中.地震作用下橋梁結構橫向碰撞模型及參數分析[J].振動與沖擊,2007,26(9):104-106.

[2]范立礎,胡世德,葉愛君.大跨度橋梁抗震設計[M].北京:人民交通出版社,2001.

[3]李忠獻,岳福青.城市橋梁地震碰撞反應研究與發展[J].地震工程與工程振動,2005,25(4):91-98.

[4]李輝.高墩橋梁地震碰撞效應研究[D].吉林長春:吉林大學,2009.

[5]鐘鐵毅,呂吉應,張常勇.鐵路隔震連續梁橋地震碰撞響應研究[J].中國鐵道科學,2012,33(3):16-20.

[6]陳學喜,朱熹,高學奎.地震作用下橋梁梁體間的碰撞響應分析[J].中國鐵道科學,2005,26(6):75-79.

[7]劉鵬.地震作用下橋梁梁體與橫向擋塊動態碰撞研究[D].四川成都:西南交通大學,2010.

[8]周莉.城市橋梁地震碰撞分析及抗震性能評估[D].天津:天津大學,2010.

[9]王軍文,李建中,范立礎.橋梁結構地震碰撞效應及防落梁措施研究現狀[J].公路交通科技,2007,24(5):71-75.

[10]聶利紅,李建中,范立礎.地震作用下結構碰撞的模型參數及其影響分析[J].工程力學,2005,22(5):142-146.

U442.55

A

1009-7716（2016）03-0165-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.03.048

2015-11-17

張茂會（1982-），男，遼寧葫蘆島人，工程師，從事橋梁結構設計工作。