地震作用下兩聯(lián)連續(xù)梁橋縱向碰撞效應(yīng)研究

黃志霜，姚昌榮，李亞東

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川 成都 610031)

地震作用下兩聯(lián)連續(xù)梁橋縱向碰撞效應(yīng)研究

黃志霜，姚昌榮，李亞東

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川 成都 610031)

以兩聯(lián)連續(xù)橋梁為研究對(duì)象，采用SAP2000 Nonlinear有限元程序，利用接觸單元法建立橋跨結(jié)構(gòu)空間計(jì)算模型，分析研究了碰撞間隙、碰撞剛度、墩高等因素對(duì)橋梁碰撞的影響。結(jié)果表明：碰撞過程是一個(gè)受各種因素綜合影響的復(fù)雜過程，但是大多情況下，每種因素總存在一個(gè)合理的取值區(qū)間使得碰撞對(duì)橋跨結(jié)構(gòu)的影響趨于最小。研究結(jié)果對(duì)于橋梁抗震設(shè)計(jì)以及防落梁措施的的研究具有借鑒意義。

地震作用；連續(xù)梁橋；碰撞；接觸單元法；落梁

1 計(jì)算模型

本文以一座兩聯(lián)連續(xù)梁橋(分別為三跨和兩跨)為計(jì)算分析模型，梁體采用單箱單室截面，橋面寬度為13.4 m，C50混凝土，蓋梁采用C30混凝土，橋墩采用C40混凝土，墩高均為8 m，雙柱式方形橋墩，邊長(zhǎng)1 m，橋跨布置為(3×40)m+(2×40)m。在SAP2000 Nonlinear中為模擬橋梁碰撞，分別在兩聯(lián)伸縮縫處以及梁體與橋臺(tái)伸縮縫處設(shè)置碰撞間隙單元，分別編號(hào)1、2、3，該碰撞單元的力-位移本構(gòu)關(guān)系如圖1。假定基礎(chǔ)為剛性，不考慮橋臺(tái)回填土的作用，忽略行波效應(yīng)的影響。

圖1 碰撞單元及其力-位移關(guān)系

2 地震波的選取

在進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)的非線性時(shí)程分析時(shí)，主要探究各種參數(shù)變化對(duì)橋梁碰撞的影響，因此僅選擇已有的強(qiáng)震記錄El Centro波作為實(shí)際的地震波輸入，并假定橋梁位于地震烈度8度區(qū)，峰值加速度調(diào)整為0.35 g，分析結(jié)構(gòu)在前20 s的碰撞響應(yīng)，其時(shí)程曲線如圖2。

圖2 El Centro波時(shí)程函數(shù)圖

3 碰撞對(duì)對(duì)橋梁的影響

3.1 等跨與不等跨組合影響分析

為探索碰撞對(duì)橋跨結(jié)構(gòu)的影響，分別建立考慮碰撞單元和不考慮碰撞單元的兩組模型。第一組模型為兩聯(lián)(3×40 m+2×40 m)不等跨模型(以下簡(jiǎn)稱3+2模型)，第二組為兩聯(lián)(3×40 m+3×40 m)等跨模型(以下簡(jiǎn)稱3+3模型)，碰撞單元均設(shè)置在2號(hào)位置。對(duì)比分析兩種模型下碰撞對(duì)橋跨結(jié)構(gòu)的影響可知：考慮碰撞時(shí)梁體間相對(duì)位移發(fā)生了顯著的變化，對(duì)于不等跨結(jié)構(gòu)，碰撞往往使得梁體間相對(duì)位移相對(duì)減小，但是仍然處于一個(gè)較大的值，以至于超過伸縮縫的寬度而發(fā)生劇烈碰撞，并在梁端產(chǎn)生巨大的碰撞力，見圖3；對(duì)于等跨結(jié)構(gòu)，由于相鄰聯(lián)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性相似，在地震一致激勵(lì)作用下同步響應(yīng)，相對(duì)位移為零，不考慮碰撞時(shí)，梁體間相對(duì)位移非常小，甚至可以忽略，考慮碰撞時(shí)，梁體間相對(duì)位移明顯增大，如圖4(實(shí)線幾乎與橫軸重合)，圖5表示碰撞時(shí)兩端的軸力。因此在實(shí)際橋跨結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡可能對(duì)稱等跨布置，以減少梁體之間碰撞的可能性。盡管對(duì)稱等跨的橋型布置對(duì)結(jié)構(gòu)抗震有利，但工程實(shí)際中由于地形條件的限制，橋跨結(jié)構(gòu)往往設(shè)計(jì)成非對(duì)稱形式。因此本文擬選擇兩聯(lián)不等跨結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，綜合考慮各種因素對(duì)橋梁碰撞的影響。

圖3 3+2模型2#碰撞單元處相鄰聯(lián)相對(duì)位移

圖4 3+3模型2#碰撞單元處相鄰聯(lián)相對(duì)位移

圖5 2#碰撞單元處軸向力時(shí)程圖

3.2 相鄰聯(lián)碰撞間隙的影響

本文根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，1#和3#伸縮縫初始間隙取0.08 m，2#伸縮縫初始間隙分別考慮0.01 m、0.02 m、0.04 m、0.045 m、0.06 m、0.08 m、0.10 m、0.12 m、0.15 m和0.20 m十種情況，進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的非線性時(shí)程分析，分析比較了每種情況下梁體的碰撞響應(yīng)。結(jié)構(gòu)表明：碰撞間隙的取值對(duì)結(jié)構(gòu)墩底剪力和彎矩的影響非常小，在本文的計(jì)算模型中可以忽略不計(jì)，而對(duì)伸縮縫處梁體間的碰撞力和相對(duì)位移有明顯的影響，如圖6所示。

圖6 最大碰撞力

分析表明：碰撞間隙的大小對(duì)梁體之間的碰撞力的影響存在合理的取值范圍，即當(dāng)碰撞間隙取0.05～0.10 m時(shí)，梁體間最大碰撞力取得相對(duì)小值,并且碰撞間隙的增大延緩了梁體首次發(fā)生碰撞的時(shí)間，同時(shí)也減少了碰撞發(fā)生的次數(shù)；碰撞間隙的大小對(duì)梁體間相對(duì)位移的影響總體上呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，但是當(dāng)碰撞間隙取0.05～0.10 m時(shí)，梁體間相對(duì)位置同樣取得相對(duì)小值。并且發(fā)現(xiàn)：當(dāng)2#伸縮縫間隙取值與1#和3#伸縮縫間隙取值相近即均為0.08 m時(shí)，橋跨結(jié)構(gòu)整體的碰撞響應(yīng)趨于最小。

圖7 最大相對(duì)位移

圖8 碰撞間隙為0.04 m時(shí)2#碰撞單元的碰撞力

圖9 碰撞間隙為0.08 m時(shí)2#碰撞單元的碰撞力

圖10 碰撞間隙為0.12 m時(shí)2#碰撞單元的碰撞力

3.3 碰撞剛度的影響

通常情況下對(duì)于橋梁碰撞的研究，參考文獻(xiàn)中大多取其碰撞剛度為較短主梁軸向剛度，即：

EA/L=33 500×106×8.23/40=6.8×109N/m

以此為參考，在本文的分析計(jì)算中，為考慮碰撞剛度對(duì)橋跨結(jié)構(gòu)的影響，1號(hào)和3號(hào)碰撞單元的剛度取值5×109N/m，2號(hào)碰撞單元的剛度分別取值0.05×109N/m，0.5×109N/m，5×109N/m，50×109N/m，500×109N/m。考慮5種情況下橋跨結(jié)構(gòu)的碰撞響應(yīng)。

分析表明：碰撞剛度的取值對(duì)墩底剪力和彎矩的影響相對(duì)較小，對(duì)橋跨結(jié)構(gòu)的碰撞響應(yīng)影響非常明顯，隨著碰撞剛度的增加，碰撞發(fā)生的次數(shù)減少，就對(duì)結(jié)構(gòu)的最大碰撞力而言，當(dāng)取較短主梁的軸向剛度時(shí)，碰撞響應(yīng)能夠取得較小值，但當(dāng)碰撞剛度取相對(duì)軸向剛度較大值時(shí)，橋梁結(jié)構(gòu)的綜合碰撞響應(yīng)趨于更小，表現(xiàn)為碰撞力和相對(duì)位移都比較小。在實(shí)際結(jié)構(gòu)中碰撞剛度的不同反映在梁體結(jié)構(gòu)特性的不同，因此根據(jù)不同的橋跨布置形式以及結(jié)構(gòu)本身的動(dòng)力特性，確定合理的碰撞剛度，對(duì)于橋跨結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

表1 2號(hào)碰撞單元?jiǎng)偠葘?duì)結(jié)構(gòu)碰撞力的影響

圖11 不同剛度下2號(hào)碰撞單元的碰撞力時(shí)程

碰撞剛度(109N/m)相對(duì)位移/m墩底剪力/kN墩底彎矩/(kN·m)0.050.1950477.134810.50.1801477.1348150.1417477.13481500.1479476.434675000.1200474.53459

注：墩底剪力和彎矩為2號(hào)碰撞單元處的值

3.4 墩高的影響

在本文的計(jì)算模型中，單跨跨徑為40 m，根據(jù)實(shí)際工程中此類橋梁的建設(shè)情況，分別考慮墩高5 m、10 m、15 m、20 m和25 m共五種情況，分析墩高對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)碰撞響應(yīng)的影響。

圖12 不同剛度下2號(hào)碰撞單元的相對(duì)位移時(shí)程

分析表明：墩高對(duì)橋跨結(jié)構(gòu)的碰撞響應(yīng)影響顯著。當(dāng)墩高取5～10 m時(shí)，各伸縮縫處碰撞力均取得較小值；當(dāng)墩高取10 m時(shí)，梁體間相對(duì)位移、墩底剪力和彎矩均取得相對(duì)小值。因此，合理的選擇墩高，有利于緩解地震作用下橋跨結(jié)構(gòu)的碰撞響應(yīng)。

圖13 不同墩高時(shí)的最大碰撞力

墩高/m相對(duì)位移/m墩底剪力/kN墩底彎矩/(kN·m)50.1635793.03766100.1696348.13017150.1929605.07807200.1656442.77143250.1525362.24275

注：墩底剪力和彎矩為2號(hào)碰撞單元處的值

4 模型驗(yàn)算

通過前文的分析，地震作用下橋梁的碰撞效應(yīng)是一個(gè)受多種因素控制的復(fù)雜過程，然而，各種因素的影響存在最優(yōu)取值范圍，為驗(yàn)證前述相關(guān)結(jié)論的正確性，擬建立兩組模型進(jìn)行驗(yàn)證。模型一：碰撞單元間隙均取0.08 m，碰1號(hào)和3號(hào)碰撞單元?jiǎng)偠热?×109N/m，2號(hào)碰撞單元?jiǎng)偠热?×109N/m，墩高8 m；模型二：2號(hào)碰撞單元?jiǎng)偠热?0×109N/m，其余參數(shù)與模型一一致。分析結(jié)果如表4所示。

表4 地震作用下橋梁綜合響應(yīng)

注：墩底剪力和彎矩為2號(hào)碰撞單元處的值

對(duì)比兩組驗(yàn)算模型的分析結(jié)果和前文的結(jié)果可知：當(dāng)各影響因素按照前文分析結(jié)果分別取其合理值時(shí)，在地震作用下，橋梁結(jié)構(gòu)整體的碰撞響應(yīng)趨于最小，尤其對(duì)墩底剪力和彎矩的減小最為明顯，從而緩解橋跨結(jié)構(gòu)的損傷程度。因此，驗(yàn)證了前文結(jié)論的合理性。

5 小 結(jié)

地震作用下橋梁跨結(jié)構(gòu)的碰撞效應(yīng)非常復(fù)雜，其本身的動(dòng)力特性是影響其碰撞響應(yīng)的根本因素，其余影響因素通過改變結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性對(duì)結(jié)構(gòu)碰撞產(chǎn)生影響，總結(jié)以上分析結(jié)果可得如下結(jié)論：

強(qiáng)震作用下，橋梁發(fā)生碰撞響應(yīng)，碰撞使得梁體之間、梁體與橋臺(tái)之間產(chǎn)生巨大的碰撞力以及相對(duì)位移，梁體與橋臺(tái)可能發(fā)生局部破壞，嚴(yán)重時(shí)可能引起落梁，但是，通過合理的橋跨布置(如對(duì)稱結(jié)構(gòu))可以一定程度上減緩橋梁破壞的發(fā)生。

橋跨結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞響應(yīng)時(shí)，碰撞單元間隙的大小對(duì)結(jié)構(gòu)反應(yīng)的影響存在合理的取值范圍，就本文的計(jì)算模型而言，當(dāng)所有碰撞單元間隙取值相等時(shí)，橋跨結(jié)構(gòu)在地震作用下的碰撞反應(yīng)最小，結(jié)構(gòu)偏安全。實(shí)際橋跨結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)自身的動(dòng)力特性以及考慮的荷載因素(如溫度)合理設(shè)計(jì)伸縮縫的寬度。

橋跨結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞響應(yīng)時(shí)，增大碰撞單元的剛度對(duì)橋跨結(jié)構(gòu)的抗震是有利的。在具體的橋梁設(shè)計(jì)中，碰撞剛度的大小反映材料剛度的大小，因此，合理取用橋跨結(jié)構(gòu)的材料、適當(dāng)加密加厚橫隔板，有利于結(jié)構(gòu)抗震。

地震作用下考慮結(jié)構(gòu)碰撞時(shí)，墩高對(duì)橋跨結(jié)構(gòu)的影響主要反映在墩底剪力和彎矩上，墩高較小時(shí)，墩身受到的沖剪作用較大；墩高較大時(shí)，橋墩自身的震動(dòng)效應(yīng)較為明顯，會(huì)部分減弱上部結(jié)構(gòu)的碰撞效應(yīng)，但此時(shí)墩底彎矩較大。因此，實(shí)際工程中應(yīng)根據(jù)橋跨上部結(jié)構(gòu)的布置合理設(shè)計(jì)墩高。

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U442.5+5

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1008-3383(2017)10-0098-04

2017-06-12