斜度對公路簡支斜交梁橋碰撞效應的影響

劉發水

(福州市公路局 福建福州 350002)

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斜度對公路簡支斜交梁橋碰撞效應的影響

劉發水

(福州市公路局 福建福州 350002)

以單跨簡支公路斜交梁橋為研究對象，以改進的單梁法與改進的橋臺模擬方式建立單跨公路簡支斜交梁橋有限元分析模型。探討了單跨簡支公路斜交簡支梁橋斜度變化對主梁與橋臺間碰撞效應的影響。研究結果表明：僅考慮縱向碰撞時，隨著斜度的增大，橫向位移先增大再減小，梁體最大轉角呈現先增大后減小的變化規律；而雙向碰撞時，斜度對梁體橫向位移的影響很小；隨著斜度的增大縱向位移逐漸減小，當斜度為60°時相比直橋縱向位移減小約50%，橋臺最大反力與擋塊最大反力沒有一定的規律性，不同的地震動差異較大。

斜交梁橋；碰撞效應；斜度；有限元模擬

0 引言

至20世紀70年代美國圣費爾南多地震中斜交角度為60°Foothill Boulevard立交橋出現嚴重震害后，陸續開展了針對公路斜交梁橋地震反應特點尤其是因碰撞引起的結構破壞研究。有研究表明，斜交梁橋之所以會出現比直線梁橋更為嚴重的震害，其根本原因在于在地震作用下斜交梁橋的主梁在發生縱橫向位移的同時伴有梁體的平面轉動，該平面轉動的一個主要誘因即為主梁與相鄰結構物之間的碰撞[1]。截止目前，針對斜交梁橋碰撞效應對結構地震反應的影響進行了初步探討[2-8]，但時至今日，在2008年汶川地震，2010年治理地震中，仍可見不同斜度的公路斜交梁橋在地震作用下因碰撞而引發的嚴重震害。由此可知，雖然公路斜交梁橋因上部結構碰撞對地震震害有所影響方面有了初步的認識，但針對碰撞效應對結構地震反應的影響程度尚未得到明確。

因此，本文以單跨公路簡支斜交梁橋為研究對象，利用改進的橋臺及主梁模擬方式，針對公路斜交梁橋在地震作用下的碰撞效應分析進行研究探討。

1 數值分析模型的建立及輸入地震動的確定

1.1 數值分析模型的建立

本文利用OpenSees有限元分析程序建立了單跨公路簡支斜交梁橋的實橋模型，模型如圖1所示。該模型跨徑25m、橋寬8.6m、梁高2m，采用改進單梁模型[9]即端橫梁剛度為實際端橫梁剛度的2倍；主梁質量采用單梁與兩端各分擔一半的方式進行分配予以模擬，如圖1所示。

數值分析模型中橋臺采用改進的模擬方式進行模擬，具體方式如下：

(1)橋臺臺背碰撞單元用OpenSees中的impact material材料，恢復力模型如圖2所示；

(2)采用truss單元代替傳統的零長度單元，增加縱向碰撞單元來同時考慮兩端與剛性橋臺之間的碰撞與摩擦力作用，模型如圖3所示。

支座形式為板式橡膠支座，采用彈簧予以模擬；橋臺與主梁之間采用非線性滑移單元連接，主梁和橫向擋塊之間設置碰撞單元。

1.2 碰撞單元的模擬

本文采用Susendar Muthukumar[10]提出的Hertz-damp模型來模擬碰撞。其模擬方式采用雙折線形式，具體模型如圖2所示。

碰撞中能量損失為：

(1)

式中，kh為主梁剛度，取值為EA/L；n取1.5；e定義為恢復系數，取值范圍為0.6～0.8；δm為碰撞過程容許的最大的穿透位移，Keff為有效剛度；各參數取值為：

(2)

δy=aδm

(3)

(4)

(5)

各參數取值見表1所示。

表1 碰撞單元參數以及對應取值

1.3 防撞擋塊的模擬

模型中橫向擋塊采用纖維梁單元模型建立。碰撞采用和改進橋臺模型中相同的碰撞單元即利用碰撞材料impactmaterial與truss單元模擬梁體與橋臺間的橫向擋塊并考慮擋塊的破壞。

據此，本文建立的數值分析模型如圖4所示。

1.4 地震動輸入的確定

本文選擇四類場地各3條地震動記錄作為輸入地震動。具體選取地震動情況見表2。并且按照1∶1∶0.65沿橋梁三向同時輸入。

表2 選用的地震動記錄

2 斜度影響分析

斜度是斜交梁橋區別直線橋最重要的結構參數特征。本文分析了在四類場地波作用下單跨斜交簡支斜交梁橋主梁的縱向最大位移、橫向最大位移、主梁最大轉角、主梁分別與橋臺與擋塊之間的最大碰撞力等結構地震反應隨斜度變化的規律，分析結果見圖5～圖9。斜度變化區間為0°～60°。

2.1 主梁橫向位移

圖5繪出了不同場地條件下主梁橫向位移隨斜度變化的規律。

由圖5可知：是否設置橫向擋塊對主梁橫向位移的影響較大。不考慮橫向擋塊時梁體橫向最大位移可以達600mm，而考慮橫向擋塊時梁體橫向位移基本在50mm左右，橫向擋塊在限制梁體橫向位移起到積極的作用；僅考慮縱向碰撞時，除Ⅱ-1地震動外，在其它地震動作用下主梁橫向位移均呈現相似變化趨勢,即隨著斜度的增大，橫向位移先增大再減小，當斜度為15°時達到最大值；而雙向碰撞時，斜度的變化對主梁橫向位移的影響較小。

2.2 主梁縱向位移

圖6分析了在不同碰撞情況下斜度對單跨簡支斜交梁橋主梁縱向位移隨斜度的變化規律。

由圖6可知，在四類場地作用下，橫向擋塊對主梁縱向位移的影響規律基本一致，并且隨著斜度的增大縱向位移逐漸減小，當斜度為60°時，相比直橋，縱向位移減小約50%。

2.3 主梁轉角位移

圖7給出了4種場地條件下梁體最大轉角隨斜度變化的規律。

由圖7可知，不考慮橫向擋塊時，隨著斜度的增大，梁體最大轉角呈現先增大后減小的變化規律，且當斜度為15°時梁體轉角最大；與考慮橫向擋塊的情況相比，不考慮橫向約束情況下梁體轉角平均值增大約50%～200%，可見橫向擋塊對單跨斜交梁橋旋轉具有重要影響，能起到很好的橫向限位作用，不考慮它的作用將嚴重高估梁體的旋轉效應。

2.4 橋臺碰撞力

圖8分析了四類場地條件下單跨斜交梁橋橋臺最大返利隨斜度變化的規律。

從圖8可以看出，伴隨斜度的增大，橋臺最大反力曲線沒有一定的規律性，不同的地震動差異較大。

2.5 擋塊碰撞力

圖9分析了單跨斜交梁橋橋臺擋塊反力隨斜度變化規律。從圖9可以看出，伴隨斜度增大橋臺擋塊反力曲線沒有一定的規律性，不同的地震動差異較大。

3 結論

(1)僅考慮縱向碰撞時，幾乎所有地震動作用下都有相似的趨勢。隨著斜度增大，橫向位移先增大再減小，而雙向碰撞時，斜度對梁體橫向位移影響很小。

(2)有無橫向擋塊時主梁縱向位移值基本一致，并且隨著斜度的增大縱向位移逐漸減小，當斜度為60°時相比直橋縱向位移減小約50%。

(3) 僅考慮縱向碰撞時，隨著斜度增大，梁體最大轉角呈現先增大后減小的變化規律。

(4)伴隨斜度增大，橋臺最大反力與擋塊最大反力沒有一定的規律性，不同的地震動差異較大。

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Influence of skewness to collision effect of simple-supported highway skewed bridges

LIUFashui

(Highway bureau of Fuzhou City,Fuzhou 350002)

This paper focus on the collision effect of skewed bridges under the earthquake motion. The single span simply-supported highway skewed bridge was taken as the research objective. The impact of skewness on collision was discussed by FEA based on the modified simulation methods of beam and abutment. The results show that displacement of lateral and maximum rotary angle of girder are increase first and then decrease with the increasing of skewness. However,it has little impact on lateral displacement when the motion was input in two directions,and the longitudinal displacement is declined and reached the largest value of 50% at the skewed degree is 60,otherwise,there are less obviously regularity of the max force for abutment and baffle plate.

Skewed bridges; Collision effect; Skewness; Finite elelment analysis

劉發水(1966.3- )，男，高級工程師。

E-mail:mumuxiaozi@qq.com

2016-08-31

U4

A

1004-6135(2016)11-0065-05

基金編號：福建省交通運輸科技發展項目(201231)