大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋地震碰撞效應(yīng)研究

張茂會，鄭必燦，陳麗軍

(1.武漢市政工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，湖北 武漢430023；2.武漢光谷聯(lián)合集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430073)

大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋地震碰撞效應(yīng)研究

張茂會1，鄭必燦2，陳麗軍1

(1.武漢市政工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，湖北 武漢430023；2.武漢光谷聯(lián)合集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430073)

針對地震作用下的橋梁結(jié)構(gòu)伸縮縫處的碰撞現(xiàn)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(xù)剛構(gòu)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(jié)構(gòu)內(nèi)力反應(yīng)，但增大了結(jié)構(gòu)位移，增強(qiáng)了碰撞效應(yīng)；橋梁碰撞力相當(dāng)大，最大達(dá)到原結(jié)構(gòu)的10.9倍，易導(dǎo)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(gòu)橋；碰撞；非線性時程分析；間隙單元；地震反應(yīng)

0　引言

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

1　碰撞單元模型

橋梁產(chǎn)生碰撞的直接原因在于相鄰結(jié)構(gòu)間的相對位移反應(yīng)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(lián)而成，見圖1。

圖1　碰撞單元模型

當(dāng)N1和N2兩個節(jié)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(fā)生作用，彈簧力與變形的關(guān)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(biāo)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(shè)置間隙單元模擬碰撞效應(yīng)，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(jìn)入塑性狀態(tài)，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(jié)構(gòu)的有限元模型見圖2。

圖2　有限元模型

2.2地震時程

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

3　橋梁的地震碰撞反應(yīng)[1-10]

3.1模型中采用線性和非線性橋墩時的碰撞反應(yīng)

采用安評波，將間隙單元的間隙設(shè)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(jìn)行非線性動力時程分析,分析結(jié)果見表1。

圖3　地面加速度時程曲線

表1　橋墩內(nèi)力值

各個橋墩的不同反應(yīng)導(dǎo)致了橋梁上部結(jié)構(gòu)碰撞反應(yīng)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(jié)構(gòu)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(jié)果對比可知，在安評波作用下，當(dāng)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(jìn)去塑性變形階段，材料的已不再是線性的本構(gòu)關(guān)系；同時結(jié)構(gòu)的塑性鉸變形有一定的耗能作用，使結(jié)構(gòu)受力發(fā)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(fā)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(fā)生1次碰撞，最大碰撞力為6 881 kN，可見非線性模型中結(jié)構(gòu)的碰撞次數(shù)、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(nèi)力峰值，但是增加了結(jié)構(gòu)變形，增強(qiáng)了該橋的碰撞效應(yīng)。

3.2碰撞對橋梁結(jié)構(gòu)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(nèi)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(jié)果也更為準(zhǔn)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(shè)置為21 cm兩種情況對橋梁模型進(jìn)行非線性動力時程分析，對比研究梁端有無碰撞時的結(jié)構(gòu)各部分的反應(yīng)。由于篇幅所限，僅列出主梁梁端單元和1#橋墩的地震反應(yīng)情況，見圖5。

將圖5中的數(shù)據(jù)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(fā)生了3次碰撞，每次碰撞持續(xù)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(dǎo)致梁端部混凝土發(fā)生受壓破壞。同時發(fā)現(xiàn)，1#橋墩墩頂?shù)膹澗?、剪力、位移峰值均變化較小，表明碰撞對本橋橋墩產(chǎn)生的影響不是很大。

4　結(jié)　論

通過對本文連續(xù)剛構(gòu)橋的碰撞分析可以得出以下結(jié)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(nèi)力峰值，但是變形的增大使得該橋的碰撞效應(yīng)更為明顯；

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

圖5　橋梁結(jié)構(gòu)在有無碰撞時地震反應(yīng)對比圖

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

表2　橋梁結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)結(jié)果

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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(jié)構(gòu)設(shè)計工作。