橫橋向地震作用下連續(xù)梁橋碰撞分析

橫橋向地震作用下連續(xù)梁橋碰撞分析

在過去的20年里，世界上多次發(fā)生地震，對(duì)橋梁的抗梁設(shè)計(jì)理論產(chǎn)生了重大影響。這表明，許多國(guó)家的科學(xué)家正在進(jìn)行進(jìn)一步的研究。其中,結(jié)構(gòu)的碰撞問題被認(rèn)為是影響結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)和結(jié)構(gòu)抗震性能的一個(gè)重要因素。許多橋梁結(jié)構(gòu)地震震害表明:橋梁連接構(gòu)造處的碰撞是引起結(jié)構(gòu)破壞的主要原因之一。為了避免落梁等災(zāi)難性損壞或保證支座的抗震安全性,在橋梁構(gòu)造措施中,通常要設(shè)置防落梁裝置等。其中,在縱橋向可以在墩臺(tái)頂提供足夠的搭接長(zhǎng)度或在相鄰梁體之間或墩梁之間安裝拉桿等限位裝置,在橫橋向通常采用設(shè)置擋塊的抗震措施。梁體與墩臺(tái)間較大的相對(duì)位移極易導(dǎo)致相鄰結(jié)構(gòu)間碰撞的發(fā)生,其中,最主要的是相鄰梁體在伸縮縫處縱向碰撞以及橫橋向梁體與抗震擋塊間的碰撞。目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)縱向梁體間的碰撞做了較深入研究,研究結(jié)果表明碰撞對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震性能有很大的影響,但對(duì)于橫向碰撞研究得較少,大多局限在簡(jiǎn)支梁橋上,只有文獻(xiàn)研究了地震作用下橫向碰撞對(duì)連續(xù)梁橋地震反應(yīng)的影響。我國(guó)的公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則(JTGTB02-01-2008)也僅把擋塊作為一種構(gòu)造措施。實(shí)際上,在有些結(jié)構(gòu)中,擋塊的作用對(duì)主體結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)有較大的影響。目前對(duì)非規(guī)則梁橋橫橋向地震碰撞效應(yīng)的研究基本上是空白。我國(guó)西部由于地形條件的限制,橋梁結(jié)構(gòu)一般由多聯(lián)連續(xù)梁組成。其中,中聯(lián)為高墩區(qū),邊聯(lián)墩高相對(duì)較低,屬非規(guī)則橋梁。西部是我國(guó)的地震多發(fā)區(qū),發(fā)震頻繁且烈度高。因此,對(duì)于這種結(jié)構(gòu)布置的多聯(lián)連續(xù)梁橋,在橫橋向地震作用下梁體與擋塊間的碰撞效應(yīng)尤為突出。因此,研究地震作用下橫向碰撞對(duì)非規(guī)則梁橋地震反應(yīng)的影響具有極為重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文結(jié)合西部山區(qū)某一實(shí)際典型多跨連續(xù)梁橋,分析了梁體與抗震擋塊間的碰撞對(duì)結(jié)構(gòu)橫橋向地震反應(yīng)的影響,探討了減輕碰撞和限制相對(duì)位移的措施和方法。1結(jié)構(gòu)體系的數(shù)值模型圖1(a)為山區(qū)某典型3聯(lián)多跨連續(xù)梁橋計(jì)算模型,上部結(jié)構(gòu)采用跨度為30m預(yù)應(yīng)力T梁,橋?qū)挒?4m。3#墩和10#墩處設(shè)置伸縮縫,0#、15#橋臺(tái)以及伸縮縫處墩頂設(shè)置滑板支座;6#、7#墩頂處墩梁采用固結(jié);其余各橋墩頂安裝板式橡膠支座,每墩橡膠支座的水平剪切剛度為2.54×104kN/m。墩頂蓋梁兩側(cè)均設(shè)置了鋼筋混凝土抗震擋塊,擋塊長(zhǎng)×寬×高為120cm×30cm×50cm。各橋墩高度如表1所示。假定墩柱的力-變形為理想彈塑性關(guān)系,各橋墩的屈服彎矩如表2所示。應(yīng)用美國(guó)加州大學(xué)編制的Drain-3DX程序進(jìn)行結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析。在計(jì)算模型[圖1(a)]中,梁體與墩柱分別用彈性梁?jiǎn)卧?、彈塑性梁柱單元模擬,單元的質(zhì)量采用堆積集中質(zhì)量代表,橡膠支座采用彈簧連接單元模擬;混凝土結(jié)構(gòu)的阻尼比取為5%,進(jìn)行線性和非線性時(shí)程分析時(shí),采用瑞利阻尼。梁體與抗震擋塊間可能發(fā)生的碰撞采用接觸單元模擬[圖1(b)],并假定擋塊不發(fā)生屈服和破壞。其中接觸單元的非線性力-位移關(guān)系為:f={k(Δd-ΔG)Δd-ΔG＞00Δd-ΔG≤0(1)式中:ΔG為梁體與抗震擋塊間的初始間隙,Δd為地震作用下梁體與擋塊間的橫向相對(duì)位移,k為接觸剛度。碰撞過程中的能量損失采用阻尼器代表,阻尼的大小與碰撞過程的恢復(fù)系數(shù)e有關(guān),對(duì)于完全彈性碰撞,恢復(fù)系數(shù)e=1;完全塑性碰撞,恢復(fù)系數(shù)e=0。對(duì)于混凝土材料e取0.65。根據(jù)恢復(fù)系數(shù),可得到阻尼的計(jì)算公式為:c=2ξ√k(m1m2m1+m2)(2)ξ=-lne√π2+(lne)2(3)2梁體與抗震擋塊間的碰撞應(yīng)用圖1所示的計(jì)算模型,輸入南北向EL-Centro地震波和Northridge地震波(加速度峰值調(diào)整為0.4g),假定伸縮逢間隙為0.05m,接觸單元?jiǎng)偠萲的取值由于缺乏試驗(yàn)依據(jù),本次分析采用擋塊的彎曲剛度并考慮剪切變形的影響,為5×106kN/m。墩柱按彈塑性考慮,計(jì)算出各墩頂橫向位移峰值見表3,在EL-Centro波與Northridge波輸入時(shí)2#、5#墩頂橫向位移時(shí)程曲線分別如圖2、圖3所示,表4給出了墩底塑性轉(zhuǎn)角。圖4為墩梁橫向相對(duì)位移,圖5為梁體與抗震擋間碰撞力。由圖2、圖3可知,在El-Centro波輸入時(shí),梁體與抗震擋塊間的碰撞增大2#、5#墩頂位移;而在Northridge波輸入時(shí),梁體與抗震擋塊間的碰撞卻減小2#墩頂位移,增大5#墩頂位移,這主要與輸入的地震波特性有關(guān)。由表3可知,梁體與抗震擋塊間的碰撞對(duì)梁體與抗震檔處墩頂位移的影響不是很大。梁體與抗震擋塊間的碰撞減小墩頂橫向位移需求的幅度基本上在20%之內(nèi),而對(duì)高墩的位移需求放大的幅度基本在30%左右,對(duì)矮墩的位移需求放大幅度可達(dá)3倍～4倍。從表4可以看出:梁體與抗震擋塊間的碰撞對(duì)伸縮縫處墩底塑性轉(zhuǎn)角的影響不是很大,放大或減小的幅度基本在20%之內(nèi)。梁體與抗震擋塊間的碰撞可能放大墩底的塑性轉(zhuǎn)角,也可能減小墩底的塑性轉(zhuǎn)角,主要與輸入地震波的特性有關(guān)。梁體與抗震擋塊間的碰撞減小墩底塑性轉(zhuǎn)角的幅度基本上在20%之內(nèi),放大墩底塑性轉(zhuǎn)角的幅度最大可達(dá)3倍,在El-Centro波輸入時(shí),梁體與抗震擋塊間的碰撞使13#、14#墩底由彈性進(jìn)入彈塑性范圍;在Northridge波輸入時(shí),梁體與抗震擋塊間的碰撞使第三聯(lián)各墩墩底從彈性范圍進(jìn)入彈塑性范圍。由圖4可知,不考慮梁體與橫向擋塊間的碰撞時(shí),墩梁橫向相對(duì)位移較大,尤其是伸縮縫處的墩梁橫向相對(duì)位移最大,主要是由于伸縮縫處設(shè)置的是滑板支座。在El-Centro波輸入時(shí),3#墩與第二聯(lián)梁體間最大橫向相對(duì)位移可達(dá)25.7cm,在Northridge波輸入時(shí),10#墩與第三聯(lián)梁體間橫向相對(duì)位移最大達(dá)37.5cm,過大的墩梁橫向相對(duì)位移會(huì)導(dǎo)致梁體與擋塊間的碰撞,過大的墩梁橫向相對(duì)位移可能導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)落梁破壞。考慮梁體與擋塊間的橫向碰撞后,墩梁橫向相對(duì)位移基本上控制在5cm之內(nèi)。由圖5可以看出:梁體與抗震擋塊間的碰撞產(chǎn)生了相當(dāng)大的碰撞力,尤其是伸縮縫處梁體與擋塊間的碰撞力最大,圖6給出了在El-Centro波輸入時(shí)0#臺(tái)與第一聯(lián)梁體間、15#臺(tái)與第三聯(lián)梁體間碰撞力的時(shí)程。3橡膠緩沖墊安裝角度以上分析表明,在橫向地震作用下伸縮縫處梁體與墩臺(tái)間會(huì)產(chǎn)生較大的橫向相對(duì)位移,并導(dǎo)致伸縮縫處梁體與擋塊間產(chǎn)生較大的碰撞,容易造成擋塊局部破壞,對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震很不利。為了減輕這種現(xiàn)象,通常在擋塊靠近梁體一側(cè)安裝橡膠緩沖墊來減輕碰撞。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,橡膠緩沖裝置的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系如圖7所示,其加載剛度kLs與卸載剛度kULs由下式計(jì)算:kLs={ks10≤ε≤60%ks2=12ks160%≤ε＜80%ks3=24ks180%≤ε(4)kULs={ks4=48ks1σ≠0ks5=0σ=0(5)式中σ、ε分別為橡膠緩沖裝置的應(yīng)力與應(yīng)變,根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,250mm×150mm的矩形橡膠墊的剛度為ks1=6.25MN/m。安裝橡膠緩沖墊后,梁體與抗震擋塊間碰撞仍采用圖1(b)的計(jì)算模式模擬,接觸單元的非線性力-變形關(guān)系采用式(1)計(jì)算,接觸剛度取橡膠緩沖墊的剛度。對(duì)于圖1所示的計(jì)算模型,在每個(gè)擋塊內(nèi)側(cè)各安裝10個(gè)250mm×150mm厚10cm的橡膠緩沖墊,假定梁體與抗震擋之間間隙為0.05m,輸入南北向EL-Centro地震波和Northridge地震波(加速度峰值調(diào)整為0.4g),計(jì)算出橡膠緩沖墊對(duì)墩頂位移、墩底塑性轉(zhuǎn)角及碰撞力的影響分別如表5、表6。由表5、表6的結(jié)果可以看出:在抗震擋內(nèi)側(cè)安裝橡膠緩沖墊,可以極大地減小梁體與抗震擋之間的碰撞力,減小60%～80%左右;同時(shí)減小矮墩區(qū)橋墩的墩頂橫向位移和墩底塑性轉(zhuǎn)角,高墩區(qū)橋墩的墩頂位移和墩底塑性轉(zhuǎn)角增加不顯著。4梁體與抗震擋塊間的碰撞本文僅針對(duì)我國(guó)西部山區(qū)典型的非規(guī)則梁式橋梁,初步分析了橫橋向地震作用下非規(guī)則梁橋梁體與抗震擋塊間的碰撞效應(yīng),探討了減輕碰撞和限制相對(duì)位移的措施和方法。結(jié)果表明:(1)在橫橋向地震輸入下,墩梁橫向相對(duì)位移較大,尤其是伸縮縫處的墩梁橫向相對(duì)位移最大,過大的墩梁橫向相對(duì)位移會(huì)引起梁體與擋塊間的碰撞,過大的墩梁橫向相對(duì)位移也可能導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)落梁破壞。(2)梁體與抗震擋塊間的碰撞對(duì)伸縮縫處墩頂位移和墩底塑性轉(zhuǎn)角的影響不是很大,梁體與抗震擋塊間的碰撞可能放大墩頂位移和墩底的塑性轉(zhuǎn)角,也可能減小墩頂位移和墩底的塑性轉(zhuǎn)角,