基于空間時(shí)程法的大跨斜拉橋伸縮縫處碰撞分析

基于空間時(shí)程法的大跨斜拉橋伸縮縫處碰撞分析

大傾角橋通常采用漂浮系統(tǒng)或彈性限制系統(tǒng)。在強(qiáng)震的作用下，梁端發(fā)生了很大的位移。如果梁端以上的位移過大，主梁與相鄰相鄰的梁橋之間可能會發(fā)生碰撞，導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)的喪失。在歷次大地震中,時(shí)有發(fā)生由于碰撞效應(yīng)導(dǎo)致大跨橋梁結(jié)構(gòu)引橋破壞或者落梁現(xiàn)象,如在1989年美國LomaPrieta地震中,由于設(shè)計(jì)低估了相鄰橋跨間的相對位移,伸縮縫處主、引橋梁體發(fā)生碰撞,致使舊金山-奧克蘭海灣大橋引橋的一跨落梁。同樣,在1995年日本阪神大地震中,西宮港大橋(主跨252m的鋼系桿拱橋)第一跨引橋落梁的原因主要是主橋和引橋間的相對位移過大發(fā)生了碰撞,而橋墩的支承面太窄,支座、連接限位構(gòu)件又失效。因此,需要重視在強(qiáng)震作用下大跨斜拉橋主、引橋間可能發(fā)生的碰撞現(xiàn)象。目前,國內(nèi)外有一些學(xué)者對地震作用下碰撞效應(yīng)進(jìn)行過研究(Malhotra、HongHao、Jankowski、Kawashima、王軍文等),但研究大多針對簡支梁橋或者小跨徑連續(xù)梁橋,而對大跨橋梁伸縮縫處相鄰梁體的碰撞效應(yīng)研究較少,大跨橋梁結(jié)構(gòu)不同于一般結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)基本周期長,高階振型對結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)影響很大且復(fù)雜,并且由于大跨橋梁結(jié)構(gòu)主、引橋結(jié)構(gòu)體系不同,結(jié)構(gòu)的動力特性相差較大,在地震作用下相鄰聯(lián)會發(fā)生非同向縱向振動,造成伸縮縫處相鄰梁體較大相對位移,導(dǎo)致相鄰聯(lián)在伸縮縫處產(chǎn)生碰撞。文獻(xiàn)針對強(qiáng)烈地震作用下大跨度斜拉橋和引橋碰撞效應(yīng)進(jìn)行了一些研究,討論了碰撞剛度、初始間隙以及周期比等參數(shù)對碰撞效應(yīng)的影響,總結(jié)出了一些有意義的規(guī)律。但其假定引橋橋墩為彈性結(jié)構(gòu),事實(shí)上,在強(qiáng)震作用下引橋橋墩可能會發(fā)生屈服,因此,有必要對強(qiáng)震作用下大跨斜拉橋伸縮縫處碰撞效應(yīng)的影響做進(jìn)一步的研究。1主梁和大跨橋梁為揭示大跨斜拉橋主、引橋相鄰梁體間的碰撞對橋梁結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響規(guī)律,本文以一座典型大跨斜拉橋?yàn)槔?研究大跨斜拉橋伸縮縫處主、引橋相鄰梁體間的碰撞對橋梁結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響。橋跨布置如圖1所示,主橋?yàn)殡p塔雙索面鋼箱梁斜拉橋,跨徑布置為117m+232m+768m+232m+117m=1466m,橋塔為H型混凝土索塔,索塔總高234m,上塔柱高186m,下塔柱高48m,塔柱采用矩形截面,截面尺寸由塔頂5.5m×7m分段漸變至塔底14m×16.6m。主橋主梁采用流線型扁平鋼箱梁,梁高3.626m,寬38.9m。南、北索塔采用群樁基礎(chǔ),輔助墩與過渡墩均采用矩形空心墩,并采用整體基礎(chǔ),墩身橫向分開設(shè)置。主橋斜拉橋?yàn)閺椥约s束體系,主塔與主梁之間設(shè)置彈性索,剛度為4×105kN/m。大跨橋梁的引橋一般為多聯(lián)多跨連續(xù)梁橋,單跨跨徑大多在30m～70m之間,且一般為預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。為具代表性,本文分析時(shí)引橋取為4m×50m等截面連續(xù)梁橋,中間墩為固定墩,其余為活動墩,墩高從30m～50m變化,墩身為等截面,外圍尺寸分別為6.0m×3.5m,縱筋配筋率取2%。1.1纖維有限元模型由于在強(qiáng)震作用下,引橋橋墩以及主塔都有可能發(fā)生塑性變形,因此,本文分析時(shí)主塔以及引橋墩柱墩柱采用彈塑性Fiber梁單元,如圖2所示,這是介于微觀的實(shí)體有限元模型和宏觀的構(gòu)件模擬法之間的一種模擬方法。纖維單元沿軸向被離散成許多段,每一段特性由中間橫截面(或切片)來代表,而該橫截面又進(jìn)一步被離散成許多纖維(如用矩形網(wǎng)格劃分)。每一根纖維可以是混凝土,也可以是鋼筋。計(jì)算時(shí),首先基于平截面假定和鋼筋、混凝土纖維各自應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,求得各截面的彎曲剛度,然后沿單元長度積分最終求得單元的剛度。1.2基于彈性梁單元的有限元模型要研究這種碰撞現(xiàn)象的機(jī)理及其對橋梁整體抗震性能的影響,首先要對其建立正確的模擬方法。接觸單元法是當(dāng)前分析橋梁結(jié)構(gòu)地震碰撞效應(yīng)時(shí)普遍采用的方法,這種方法是在結(jié)構(gòu)可能發(fā)生碰撞的位置引入接觸單元,碰撞發(fā)生時(shí)接觸單元被激活。目前,接觸單元種類很多,如線性彈簧模型、Kelvin模型、Hertz模型、Hertz-damp模型等,其中在模擬橋梁碰撞反應(yīng)時(shí)多采用由線性碰撞彈簧與阻尼器并聯(lián)而成的Kelvin碰撞單元,碰撞彈簧用來模擬撞擊力,阻尼器用來模擬碰撞過程中的耗能,如圖3所示。在碰撞期間的接觸力如下:{Fc=kk(gd-gp)+ck˙gdgd-gp≥0Fc=0gd-gp＜0(1){Fc=kk(gd?gp)+ckg˙dgd?gp≥0Fc=0gd?gp＜0(1)式中:gp為伸縮縫初始間隙,gd為地震作用下伸縮縫處相鄰梁體的相對位移,kk為接觸剛度,取碰撞較短梁體的軸向剛度。碰撞過程中的能量損失采用阻尼比表示,阻尼的大小與碰撞過程的恢復(fù)系數(shù)e有關(guān),根據(jù)能量守恒定律,可以建立阻尼系數(shù)ck與恢復(fù)系數(shù)e之間的關(guān)系如下:ck=2ξ√kkm1m2m1+m2(2)ck=2ξkkm1m2m1+m2???????√(2)ξ=-lne√π2+(lne)2(3)式中:m1和m2分別為兩碰撞剛體的質(zhì)量。基于上述方法,三維有限元分析模型如圖4所示,主梁利用彈性梁單元來模擬,用空間桿單元模擬斜拉索;斜拉索、主塔和橋墩均考慮恒載引起的幾何剛度的影響。2不考慮碰撞效應(yīng)時(shí)的地震波分析本文分析僅考慮單邊碰撞效應(yīng),計(jì)算時(shí)引橋固定墩墩高變化范圍為30m～50m,考慮引橋橋墩、主塔墩彈塑性的影響,即采用彈塑性Fiber梁單元模擬,根據(jù)實(shí)際配筋情況,將纖維分別賦予鋼筋和混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,混凝土用Kent-Park模型模擬,鋼筋用Giuffré-Menegotto-Pinto模型模擬。引入圖3所示碰撞單元,為考慮初始間隙gp的影響,gp分別取不考慮碰撞效應(yīng)時(shí)相鄰梁體最大靠近位移(記為Δmax)的0.3、0.5和0.7倍,恢復(fù)系數(shù)e取1.0,即不考慮碰撞過程中的能量耗散。輸入表1中的9條地震波進(jìn)行計(jì)算,地震動峰值加速度統(tǒng)一調(diào)整為0.6g,積分時(shí)間間隔取0.002s,分析基于Opensees程序平臺進(jìn)行。圖5給出了不考慮碰撞效應(yīng)時(shí),主、引橋相鄰梁體間的相對位移(靠近)隨引橋墩高的變化曲線,其中,μ為9條波的平均值,σ為標(biāo)準(zhǔn)差。從圖5可以看出,在強(qiáng)震作用下,斜拉橋伸縮縫處主、引橋相鄰梁體會發(fā)生很大的相對位移(靠近),極易發(fā)生碰撞。圖6給出了伸縮縫處主、引橋相鄰梁體會發(fā)生碰撞時(shí),碰撞力峰值隨引橋墩高的變化曲線,取9條波的平均值。從圖6可以看出,在強(qiáng)震作用下,伸縮縫處主引橋梁體間的碰撞會產(chǎn)生很大的撞擊力,這種撞擊力不僅會產(chǎn)生局部的損壞,而且可能會增大主引橋結(jié)構(gòu)的地震需求。從圖6中還可以看出,撞擊力峰值開始隨著引橋墩高的增大而增大,而當(dāng)引橋墩高大于45m后,撞擊力峰值隨著引橋墩高的增大有所減小;隨著初始間隙gp的增大,撞擊力峰值則逐漸減小。為形象起見,圖7給出了No.1地震波作用下,引橋墩高為30m、gp=0.5Δmax時(shí)的碰撞力時(shí)程曲線;圖8給出了No.3地震波作用下,引橋墩高為40m、gp=0.5Δmax時(shí)的碰撞力時(shí)程曲線。對于地震作用下的碰撞效應(yīng),我們更加關(guān)心的是對結(jié)構(gòu)地震需求的影響,因此,接下來著重研究強(qiáng)震作用下大跨斜拉橋伸縮縫處碰撞效應(yīng)對主引橋結(jié)構(gòu)地震需求的影響。2.1碰撞效應(yīng)對地震力需求的影響2.1.1引橋橋墩底速率需求圖9、圖10給出了引橋墩底曲率峰值比(?p/?n)和墩底剪力需求峰值比(Vp/Vn)隨墩高的變化曲線,取9條波的平均值,其中下標(biāo)p和n分別表示考慮碰撞效應(yīng)和不考慮碰撞效應(yīng)時(shí)的反應(yīng)。特別指出,本文出現(xiàn)的引橋墩底均指固定墩墩底。從圖9、圖10可以看出:碰撞效應(yīng)使得引橋墩底曲率需求和墩底剪力需求明顯增大,其中對墩底曲率需求影響更為顯著;隨著引橋墩高的增大,墩底曲率需求峰值比總體上是增大的,即墩高較高時(shí),碰撞效應(yīng)的影響更大,而墩底剪力需求峰值比隨著引橋墩高的增大先增大而后有所減小,但總體上相差不大;當(dāng)引橋墩高為50m、gp=0.5Δmax時(shí),碰撞效應(yīng)使得引橋墩底曲率需求增大了8倍,極易造成引橋橋墩的破壞,應(yīng)當(dāng)引起重視;隨著初始間隙gp的增大,碰撞效應(yīng)對引橋墩底曲率需求和墩底剪力需求的影響總體上是不斷減小的。2.1.2初始間隙gp的影響圖11～圖13分別給出了主橋兩邊塔塔底彎矩需求峰值比(Mp/Mn)以及主塔與主梁之間彈性索內(nèi)力(Np/Nn)需求峰值比隨墩高的變化曲線,取9條波的平均值,其中下標(biāo)p和n分別表示考慮碰撞效應(yīng)和不考慮碰撞效應(yīng)時(shí)的反應(yīng)。從圖11～圖13可以看出:碰撞效應(yīng)對主塔塔底彎矩需求、主塔與主梁之間彈性索內(nèi)力需求的影響較小,初始間隙gp的大小對碰撞效應(yīng)的影響也很小。由此可見,碰撞效應(yīng)對主橋的地震需求影響不大,這可能是由于主橋質(zhì)量遠(yuǎn)大于引橋的質(zhì)量。2.2接觸效果對位移需求的影響2.2.1引橋墩高與擋墻對比圖14給出了碰撞效應(yīng)對引橋梁端位移需求峰值比(Dp/Dn)的影響,取9條波的平均值,其中下標(biāo)p和n分別表示考慮碰撞效應(yīng)和不考慮碰撞效應(yīng)時(shí)的反應(yīng)。從圖14可以看出:碰撞效應(yīng)使得引橋梁端位移需求明顯增大,且隨著引橋墩高的增大,梁端位移需求峰值比總體上不斷增大,即當(dāng)引橋墩高較高時(shí),碰撞效應(yīng)的影響更大;當(dāng)引橋墩高為50m、gp=0.5Δmax時(shí),碰撞效應(yīng)使得引橋梁端位移需求增大了3倍,極易造成引橋梁體落梁,應(yīng)當(dāng)引起重視;隨著初始間隙gp的增大,碰撞效應(yīng)對引橋梁端位移需求的影響總體上是不斷減小的。2.2.2碰撞效應(yīng)對相對位移需求的影響圖15給出了碰撞效應(yīng)對主、引橋間相對位移需求峰值比(ΔDp/ΔDn)的影響,取9條波的平均值,其中下標(biāo)p和n分別表示考慮碰撞效應(yīng)和不考慮碰撞效應(yīng)時(shí)的反應(yīng)。從圖15可以看出:碰撞效應(yīng)使得伸縮縫處主引橋相對位移需求明顯增大,且隨著引橋墩高的增大,相對位移需求峰值比總體上不斷增大,即當(dāng)引橋墩高較高時(shí),碰撞效應(yīng)的影響更大;對比圖14,碰撞效應(yīng)對伸縮縫處主引橋相對位移需求影響不如對引橋梁端位移需求影響顯著,這主要緣于碰撞效應(yīng)對主橋梁端位移的影響程度較小;當(dāng)引橋墩高為50m、gp=0.5Δmax時(shí),碰撞效應(yīng)使得伸縮縫處主引橋相對位移需求增大了1.7倍,極易造成伸縮縫的破壞,應(yīng)當(dāng)引起重視;隨著初始間隙gp的增大,碰撞效應(yīng)對主引橋相對位移需求的影響總體上是減小的。2.2.3引橋梁體搭接長度需求圖16給出了碰撞效應(yīng)對引橋梁體搭接長度需求峰值比(ΔDp/ΔDn)的影響,取9條波的平均值,其中下標(biāo)p和n分別表示考慮碰撞效應(yīng)和不考慮碰撞效應(yīng)時(shí)的反應(yīng)。圖16可以看出:碰撞效應(yīng)使得伸縮縫處引橋梁體搭接長度需求明顯增大,且隨著引橋墩高的增大,引橋梁體搭接長度需求峰值比總體上不斷增大,即當(dāng)引橋墩高較高時(shí),碰撞效應(yīng)的影響更大;對比圖14、圖15,碰撞效應(yīng)對引橋梁體搭接長度需求的影響不如對引橋梁端位移需求、伸縮縫處主引橋相對位移需求的影響顯著,這主要緣于過渡墩縱橋向?yàn)樽杂苫瑒?碰撞效應(yīng)對其位移反應(yīng)影響不大;當(dāng)引橋墩高為50m、gp=0.5Δmax時(shí),碰撞效應(yīng)使得引橋梁體搭接長度需求增大了1倍多,極易造成引橋梁體落梁,應(yīng)當(dāng)引起重視;隨著初始間隙gp的增大,碰撞效應(yīng)對引橋梁體搭接長度需求的影響總體上是不斷減小的。3引橋結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)機(jī)理分析大跨斜拉橋一般采用飄浮體系或者彈性約束體系,其在強(qiáng)震作用下梁端會發(fā)生很大位移,梁端的過大位移可能會導(dǎo)致主梁與相鄰跨引橋的碰撞,使整個(gè)結(jié)構(gòu)喪失整體性。本文針對強(qiáng)震作用下大跨斜拉橋伸縮縫處的碰撞現(xiàn)象,以一座大跨斜拉橋?yàn)槔?建立了考慮引橋墩柱、塔柱彈塑性的空間非線性碰撞模型,采用非線性時(shí)程法研究了大跨斜拉橋伸縮縫處相鄰跨梁體碰撞對橋梁結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響。通過分析可以得出以下結(jié)論:(1)由于大跨橋梁結(jié)構(gòu)主、引橋結(jié)構(gòu)體系不同,結(jié)構(gòu)的動力特性相差較大,在強(qiáng)震作用下伸縮縫處主、引橋相鄰梁體易發(fā)生碰撞。(2)碰撞效應(yīng)使得引橋墩底曲率需求和墩底剪力需求明顯增大,其中對墩底曲率需求影響更為顯著,且隨著引橋墩高的增大,碰撞效應(yīng)的影響總體上是