高墩橋地震響應(yīng)的時程反應(yīng)分析

高墩橋地震響應(yīng)的時程反應(yīng)分析

0梁橋碰撞作用中國西部大部分地區(qū)為山地和山區(qū)。由于地形條件的限制，橋梁建設(shè)中通常采用高山橋的形式。由于高墩橋各墩的高度差異明顯,造成其相鄰部分結(jié)構(gòu)的動力特性差別較大,在地震作用下伸縮縫處容易發(fā)生碰撞,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)局部或整體損傷,如梁端破裂,橋臺胸墻混凝土脫落,支座破壞甚至落梁等。近幾十年來,地震造成的橋梁碰撞破壞屢見不鮮,如1971年美國SanFernando地震中發(fā)生的多起橋面與橋臺的沖擊破壞,1989年LomaPrieta地震中某高架橋由于碰撞造成的橋墩與橋面脆性破壞,1994年美國Northridge地震中州際5號公路橋多處橋墩和伸縮縫的碰撞破壞等等。由于碰撞對結(jié)構(gòu)的影響,加劇了地震對橋梁的破壞程度,國內(nèi)學(xué)者對該問題展開了系統(tǒng)的研究,并取得了一些進(jìn)展,王軍文等針對連續(xù)梁橋建立了考慮支座非線性和墩柱彈塑性的碰撞模型,研究表明影響碰撞反應(yīng)的主要因素是相鄰聯(lián)的周期比和基本周期的大小;謝旭等對柔性支座上非連續(xù)梁橋的碰撞效應(yīng)研究結(jié)果表明,長周期側(cè)結(jié)構(gòu)的地震位移響應(yīng)比不考慮碰撞時有所減小;王東升等對1976年唐山地震破壞的灤河橋分析了造成其落梁震害的可能原因。本文針對西部山區(qū)某一典型高墩橋,采用MIDAS/Civil有限元程序建立了該橋的非線性模型,通過數(shù)值模擬計(jì)算,探討了結(jié)構(gòu)在不同地震波作用下伸縮縫處梁體間的碰撞效應(yīng)。1特橋墩橋橋有限元模型本文采用的高墩橋計(jì)算模型的原型橋全長600m,橋?qū)?2m,主橋?yàn)?0m+170m+90m三跨一聯(lián)的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋,兩岸各設(shè)有一座3×40m先簡支后連續(xù)的部分預(yù)應(yīng)力混凝土引橋。主橋上部結(jié)構(gòu)采用單箱單室,引橋上部為5道T型組合梁;主橋墩采用空心薄壁墩,橫橋向墩寬按63∶1放坡至墩底,交界墩和引橋墩分別采用二柱式空心薄壁墩和雙柱實(shí)心墩,縱橋向墩寬均按70∶1放坡至墩底;每個引橋墩頂蓋梁位置各設(shè)有5個板式橡膠支座(型號GJZ-400*550*104),每個橋臺位置和交界墩頂蓋梁與引橋相連位置各設(shè)有5個聚四氟乙烯滑板支座(型號GJZF4-400*550*107),每個交界墩頂蓋梁與主橋相連位置各設(shè)有2個盆式橡膠支座(型號GPZ3500DX);主橋梁與引橋梁之間設(shè)有伸縮縫。采用有限元軟件MIDAS/Civil對該橋進(jìn)行分析,計(jì)算模型如圖1所示。在模型中,上部結(jié)構(gòu)采用彈性梁單元模擬,并在主橋梁內(nèi)部建立縱向預(yù)應(yīng)力鋼束,各橋墩采用纖維單元模擬,其中鋼筋纖維的本構(gòu)模型采用雙折線模型,保護(hù)層混凝土纖維采用名古屋高速公路社團(tuán)模型,核心區(qū)混凝土纖維采用日本公路標(biāo)準(zhǔn)模型;板式橡膠支座采用彈簧模擬,聚四氟乙烯滑板支座和盆式橡膠支座采用滯后系統(tǒng)模擬,板式橡膠支座和聚四氟乙烯滑板支座的水平剪切剛度取2.75×106N/m,盆式橡膠支座縱橋向水平剪切剛度取1.46×107N/m,橫橋向取大值,聚四氟乙烯滑板支座和盆式橡膠支座的臨界滑動摩擦力分別取4.91×104N和7.30×104N;在每個伸縮縫處,T型梁與箱梁之間設(shè)有5個間隙單元,用來模擬實(shí)際碰撞。在時程分析時,按質(zhì)量和剛度因子法確定阻尼,采用紐馬克常加速度直接積分法求解運(yùn)動方程。2碰撞反應(yīng)分析2.1動力響應(yīng)分析選取ElCentro地震波(如圖2(a)所示),分別按伸縮縫處不設(shè)置碰撞間隙單元以及設(shè)置剛度為3.74×108N/m,初始間隙為0.17m的碰撞間隙單元對計(jì)算模型進(jìn)行非線形動力時程分析。表1和表2分別給出了伸縮縫處梁端無碰撞和有碰撞時主橋梁與引橋梁各部位的加速度最大值,表3給出了有無碰撞時各非線性橋墩墩頂加速度的最大值,由計(jì)算結(jié)果可以看出,碰撞使橋梁縱橋向的加速度明顯放大,由于實(shí)際參與碰撞的引橋質(zhì)量與主橋質(zhì)量相差較為懸殊,引橋梁加速度在碰撞發(fā)生時的放大倍數(shù)較主橋梁大很多;而從各橋墩的墩頂加速度最大值來看,碰撞對除主橋墩之外的各橋墩影響不大,這是因?yàn)橹鳂驗(yàn)閯倶?gòu)橋,而其它橋墩頂部均設(shè)有柔性支座,大大削弱了橋梁加速度突變對橋墩的影響。2.2elcentro地震波作用下非線性橋墩選取ElCentro、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ElCentro的原峰值0.36g,碰撞間隙單元的剛度設(shè)為3.74×108N/m,初始間隙取0.10m,沿縱橋向輸入地震波,對計(jì)算模型進(jìn)行非線性動力時程分析。表4給出了在三種地震波分別作用下高墩橋伸縮縫處梁端每次發(fā)生碰撞時的碰撞力峰值及時刻,表5給出了主橋梁和引橋梁在三種地震波作用下的水平位移最大值。由計(jì)算結(jié)果可以看出,在ElCentro地震波作用下,主橋梁的水平位移峰值最大,引橋梁次之,而將Parkfield地震波作為地震動輸入時,引橋梁的水平位移峰值最大。這是因?yàn)槊織l地震波的卓越周期不同,當(dāng)高墩橋某一部分結(jié)構(gòu)的固有特性與地震波某些成分的特性較為接近時,該部分結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)就會非常顯著;而不同地震波作用下主橋與引橋的不同地震響應(yīng)必然會引起不同的梁端碰撞反應(yīng)。由此可見,地震波的頻譜特性與結(jié)構(gòu)各部分的固有頻率是影響結(jié)構(gòu)碰撞反應(yīng)的重要因素。表6給出了部分非線性橋墩在不同位置處的剪力最大值和彎矩最大值。由計(jì)算結(jié)果可以看出,由于在ElCentro地震波作用下主橋梁位移較大,故主橋墩墩底剪力和彎矩也較大,而引橋墩和交界墩的墩底反應(yīng)在Parkfield地震波作用下更為劇烈。表7給出了各非線性支座沿縱橋向的剪切變形最大值,由于在Parkfield地震波作用下引橋的反應(yīng)較為劇烈,和引橋梁相連的各支座變形也較大,其中右交界墩處聚四氟乙烯滑板支座的最大變形達(dá)到了0.4568m,該支座的橡膠塊在縱橋向的寬度僅為400mm,因而會導(dǎo)致落梁的發(fā)生。表8和表9給出了在ElCentro地震波作用下每次碰撞前后伸縮縫處梁端不同方向位移的峰值。由計(jì)算結(jié)果可以看出,梁端碰撞有助于控制主橋梁水平位移的發(fā)展,限制了墩的變形,在某種程度上對主橋墩有利,而在碰撞作用下,引橋梁更傾向于向遠(yuǎn)離主橋的方向運(yùn)動,增大了其支座和部分引橋墩的變形,使得支座失效導(dǎo)致落梁的概率有所增加。3高墩橋結(jié)構(gòu)參數(shù)對碰撞響應(yīng)的影響(1)高墩橋的梁端碰撞會加劇梁的加速度反應(yīng),對剛構(gòu)橋橋墩也有所影響,但對柔性支座下的橋墩影響不大。(2)高墩橋在相同加速度峰值的不同地震波作用下的碰撞反應(yīng)差異較大