高速鐵路連續(xù)梁橋地震碰撞效應(yīng)研究

康 良， 李 苗， 吳 昊

(長安大學(xué) 公路學(xué)院， 陜西 西安 710064)

高速鐵路連續(xù)梁橋地震碰撞效應(yīng)研究

康 良， 李 苗， 吳 昊

(長安大學(xué) 公路學(xué)院， 陜西 西安 710064)

以新建高速鐵路客運專線三跨連續(xù)梁為研究對象，建立典型橋跨結(jié)構(gòu)的空間動力分析模型。選取3條地震波，采用非線性動力時程分析方法，詳細(xì)研究了考慮碰撞效應(yīng)時連續(xù)梁橋的地震響應(yīng)特性。結(jié)果表明：隨著間隙單元初始間隙的減小，相鄰梁發(fā)生碰撞的次數(shù)增加，碰撞力峰值也逐漸變大；當(dāng)峰值加速度較低時，碰撞效應(yīng)對連續(xù)梁固定墩的位移及內(nèi)力響應(yīng)的影響較小，但采用較大的峰值加速度時，碰撞效應(yīng)對連續(xù)梁固定墩的位移及內(nèi)力響應(yīng)的影響比較顯著。

碰撞效應(yīng)； 間隙單元； 高速鐵路； 連續(xù)梁； 地震響應(yīng)

近年來，我國的高鐵客運專線建設(shè)取得了實質(zhì)性進展，鐵路橋梁在客運專線中占據(jù)了較大的比重，在現(xiàn)代交通體系中起著舉足輕重的作用。由于高速鐵路橋梁梁體自身重量及二期荷載比公路橋梁更大,在發(fā)生較強地震時,如果相鄰聯(lián)梁體之間發(fā)生碰撞,則產(chǎn)生的碰撞力對橋梁地震響應(yīng)的影響是非常巨大的。

在地震造成的橋梁破壞里，有相當(dāng)一部分是由碰撞效應(yīng)引起的，因此碰撞效應(yīng)日益成為國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的焦點。H.Hao[1]在假定地震動為隨機振動的基礎(chǔ)上分析了地震動空間變化對簡支梁地震反應(yīng)的影響；Kawashima等[2]應(yīng)用接觸單元法分析了多種參數(shù)對相鄰橋跨梁端最大相對位移的影響；高玉峰等[3]分析了接觸單元剛度、橋臺剛度及支座滑動性能等因素對高墩橋梁地震響應(yīng)的影響；李忠獻等[4-5]采用等效Kelvin撞擊模型對橋梁碰撞響應(yīng)進行分析；王軍文等[6]對連續(xù)梁進行了研究；王東升等[7-8]提出了橋梁結(jié)構(gòu)之間的碰撞剛度合理取值；鐘鐵毅等[9]研究了隔震支座對鐵路橋梁碰撞響應(yīng)的影響；武芳文等[10]研究了相鄰梁段周期比對梁橋碰撞響應(yīng)的影響。本文運用有限元程序Midas Civil 2013,以客運專線常用的三跨連續(xù)梁為例，研究不同地震波、不同峰值加速度和不同梁縫設(shè)置寬度對橋梁碰撞響應(yīng)的影響。

1 結(jié)構(gòu)計算模型及地震動輸入

以某新建客運專線三跨連續(xù)梁為例，跨徑組合分別為40 m+64 m+40 m和36 m+56 m+36 m。主梁為預(yù)應(yīng)力混凝土變高度直腹板箱形截面，材料為C50混凝土，其中64 m連續(xù)梁中墩處梁高6.05 m，中跨跨中及邊跨梁端高3.05 m；56 m連續(xù)梁中墩處梁高4.35 m，中跨跨中及邊跨梁端高3.05 m，橋墩采用C35混凝土。通過有限元分析軟件Midas Civil 2013建立結(jié)構(gòu)的碰撞模型，連續(xù)梁主梁和橋墩采用梁單元模擬，連續(xù)梁之間的梁縫采用間隙單元模擬實際碰撞，橋墩支座采用彈簧模擬，不考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用，各橋墩墩底作固結(jié)處理，結(jié)構(gòu)計算模型如圖1所示。

圖1 橋梁結(jié)構(gòu)分析模型

圖2 接觸單元模型

算例采用接觸單元模型模擬連續(xù)梁之間的碰撞。當(dāng)鄰梁間相對位移小于設(shè)置的梁縫寬度時彈簧不發(fā)生作用，當(dāng)相對位移超過設(shè)置的梁縫寬度時發(fā)生碰撞，接觸單元的彈簧發(fā)生作用。接觸單元模型如圖2所示,碰撞作用產(chǎn)生的碰撞力公式如下：

式中，k為碰撞剛度，u1和u2為相鄰聯(lián)梁體發(fā)生的位移，gp為兩相鄰聯(lián)梁縫的寬度。

經(jīng)過近年來一些學(xué)者的研究，通常將連接彈簧的剛度取為相鄰梁體的軸向剛度K，即K=EA/L，E為碰撞梁體的彈性模量，A為碰撞梁體截面積，L為碰撞梁體的長度，若兩邊梁體長度不相等則取長度較短的梁計算。

輸入的地震波采用El Centro、Northridge和Parkfield三條地震波，并將Northridge和Parkfield地震波的加速度峰值調(diào)整為El Centro的峰值0.357g，3條地震波的加速度時程曲線如圖3所示。

圖3 選取的地震波加速度時程曲線

2 計算結(jié)果及分析

2.1 初始間隙寬度影響分析

當(dāng)初始間隙寬度分別為0.02、0.04、0.06、0.08 m時，經(jīng)計算表明模型在El Centro波作用下產(chǎn)生的碰撞效應(yīng)最大，梁縫處碰撞力時程及碰撞力峰值如圖4和圖5所示。

在El Centro波作用下不考慮碰撞效應(yīng)和考慮不同初始間隙寬度碰撞效應(yīng)時左右聯(lián)固定墩墩底面內(nèi)彎矩峰值列于表1和表2；將間隙單元初始間隙設(shè)置為6 cm，考慮碰撞效應(yīng)和不考慮碰撞效應(yīng)兩種情況下梁縫處梁端節(jié)點位移時程對比如圖6所示。

圖4 梁縫處碰撞力時程

圖5 不同初始間隙時碰撞力峰值 圖6 梁縫處梁端節(jié)點位移時程曲線

工況條件不考慮碰撞時初始間隙寬度/m0．020．040．060．08彎矩峰值/(×104kN·m)9．14956．11996．04315．88835．7385

表2 不同條件下5#墩墩底彎矩峰值

從計算結(jié)果可見，間隙單元的初始間隙寬度對橋梁碰撞次數(shù)和碰撞力峰值有顯著的影響，總體上來說梁體碰撞次數(shù)和碰撞力峰值隨著初始間隙寬度的減小而增大，說明合理設(shè)置梁縫寬度可以降低橋梁在地震作用下產(chǎn)生的碰撞效應(yīng)，減輕碰撞作用產(chǎn)生的危害。

在El Centro波作用下，梁體發(fā)生碰撞時產(chǎn)生的碰撞力峰值高達34.25×103kN，由表1和表2可知碰撞效應(yīng)使連續(xù)梁固定墩墩底面內(nèi)彎矩峰值降低；由圖6可知，碰撞效應(yīng)限制了梁體的縱向運動，使梁縫處梁端位移峰值減小。

2.2 地震動強度影響分析

為了探討地震波加速度峰值對結(jié)構(gòu)整體地震響應(yīng)的影響，按以下兩種工況對計算模型進行非線性時程分析：(1)不考慮碰撞邊界條件(無碰撞)；(2)考慮碰撞邊界條件(有碰撞)。為了考慮地震波加速度峰值和地震動頻譜特性的作用，分析時仍輸入3條不同的地震波，對于每種地震波均采用了3種不同的峰值加速度(0.2g、0.4g和0.6g)。表3列出了輸入El Centro波時，兩種工況條件下2#墩和5#墩墩頂位移峰值變化情況。

表3 兩種工況條件下2#墩和5#墩墩頂位移峰值

通過分析計算結(jié)果可知，當(dāng)輸入峰值加速度較低時(PGA=0.2g)，碰撞邊界條件對固定墩的位移及內(nèi)力響應(yīng)的影響不顯著，但隨著峰值加速度的增大，碰撞邊界條件對固定墩位移及內(nèi)力響應(yīng)的影響就越大。

3 結(jié) 論

以新建高速鐵路客運專線1聯(lián)3跨連續(xù)梁為研究對象，建立了典型橋跨結(jié)構(gòu)的碰撞有限元模型，研究了考慮梁縫處碰撞效應(yīng)時橋跨結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)特性，并探討了不同初始間隙寬度、不同地震波、不同加速度峰值等對橋梁結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響，得到以下主要結(jié)論：

(1)間隙單元的初始間隙寬度是橋梁碰撞次數(shù)和碰撞力峰值的主要影響因素之一,在地震作用下，梁體發(fā)生碰撞的次數(shù)及碰撞力峰值都會隨著初始間隙寬度的減小而增加;

(2)對于工程常用的梁縫寬度，在地震作用下，相鄰梁體之間產(chǎn)生碰撞現(xiàn)象一般是不可避免的，碰撞效應(yīng)會使固定墩的內(nèi)力和位移響應(yīng)減小;

(3)地震波加速度峰值的大小是影響橋梁碰撞效應(yīng)的重要因素，當(dāng)加速度峰值較低時，碰撞效應(yīng)對連續(xù)梁固定墩的位移及內(nèi)力響應(yīng)的影響不顯著，隨著加速度峰值的增大，碰撞效應(yīng)對連續(xù)梁固定墩的位移及內(nèi)力響應(yīng)的影響就越大。

[1] HAO Hong.A Parametric Study of the Required Seating Length for Bridge Decks during Earthquake [J].Earthquake Engineering and Structural Dynamics,1998,27(1):91-103.

[2] ANAT R, KAZUHIKO K. Relative displacement response spectra with pounding effect[J]. Earthquake Engineering and Structural Dynamics,2001,30(10):1511-1538.

[3] 高玉峰，蒲黔輝，李曉斌.考慮碰撞效應(yīng)的雙柱式高墩橋梁非線性地震反應(yīng)特性研究[J].公路交通科技，2011,28(4):36-45.

[4] 李忠獻，岳福青，周莉.地震時橋梁碰撞分析的等效Kelvin撞擊模型[J].工程力學(xué)，2008,25(4):128-133.

[5] 李忠獻，周莉，岳福青．地震動空間效應(yīng)與土-基礎(chǔ)相互作用效應(yīng)對隔震橋梁臨界碰撞間隙的影響[J].土木工程學(xué)報,2010,43(7):85-90.

[6] 王軍文，李建中，范立礎(chǔ).連續(xù)梁橋縱向地震碰撞反應(yīng)參數(shù)研究[J].中國公路學(xué)報,2005,18(4):42-47.

[7] 王東升,楊海紅,王國新.考慮鄰梁碰撞的多跨長簡支梁橋落梁震害分析[J].中國公路學(xué)報,2005,18(3):54-59.

[8] 王東升,馮啟民,王國新.基于直桿共軸碰撞碰撞理論的橋梁地震反應(yīng)臨梁碰撞分析模型[J].工程力學(xué),2004,21(2):157-166.

[9] 鐘鐵毅,呂吉應(yīng),張長勇.鐵路隔震連續(xù)梁橋地震碰撞響應(yīng)研究[J].中國鐵道科學(xué),2012,33(3):16-20.

[10] 武芳文,楊草方,薛成鳳,等.相鄰梁段周期比對伸縮縫處的碰撞響應(yīng)分析[J].地震研究，2015,38(3):486-490.

[責(zé)任編輯：李 莉]

Study on the seismic pounding responses of high-speed railway continuous beam bridge

KANG Liang, LI Miao, WU Hao

(School of Highway, Chang’an University, Xi’an 710064, China)

Taking a new high-speed railway passenger dedicated line 3-span continuous beam bridge as a study object, we have established the spatial dynamic analysis models of representative bridge span. The seismic response characteristics of the bridge considering the pounding effect have been studied in detial to three earthquake waves using nonlinear time history analysis method. The results show that both the pounding times and pounding forces are increased obviously with the decrease of the collision element initial gap. When the peak acceleration is low, the pounding effect has less impact on displacement and internal force of the continuous beam fixed pier. But with the increase of peak acceleration, the impact of pounding effect on displacement and internal force is more significant.

pounding response; gap-element; high-speed railway; continuous beam; seismic response

1673-2944(2017)01-0060-04

2016-09-10

2016-12-08

康良(1991—)，男，山東省菏澤市人，長安大學(xué)碩士研究生，主要研究方向為橋梁結(jié)構(gòu)理論與橋梁抗震。

U442.5+5

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