多联长曲线匝道桥多联桥伸缩缝碰撞响应研究

多联长曲线匝道桥多联桥伸缩缝碰撞响应研究

无伸缩缝结构近年来，我国道路建设蓬勃发展。为了满足长桥的建设需求，采用了各种连接纤维和收缩缝的多桥。为使桥梁结构在荷载、温变、混凝土收缩、徐变等作用下,能按静力计算图示自由变形,通常伸缩缝必须横向贯通全桥。伸缩缝是全桥的薄弱点,在很短的使用期内(通常10～20年)即需要维修、更换,否则会极大的缩短整个桥跨结构的使用寿命。调查表明各国高速公路均不同程度的存在上述问题,很多学者提出:“最好的伸缩缝结构就是无伸缩缝”,若能建成无伸缩缝桥梁(JointlessBridge),则是从根本上解决了桥梁由于伸缩缝而毁坏的现象。但各国无伸缩缝桥梁的建设经验表明,取消全桥伸缩缝后,由于结构变形需求导致全桥的建设长度减小,目前报道的无缝桥梁主要应用于桥长100m左右的桥跨结构中。因此对数百米以上的桥梁,由伸缩缝连接的多联桥跨结构被普遍采用。各国震害资料表明地震荷载作用下,伸缩缝处的碰撞会引起主梁局部破坏甚至落梁、断墩、支座破损等。碰撞是两运动物体间在瞬间发生的现象,根据动量守衡定律,质量很大的梁间碰撞将产生极为强大的撞击力,会造成结构局部或整体损伤,如桥台胸墙破裂、桥墩折损、支座剪坏等不同程度的破坏,严重的会导致桥梁在顺桥方向因撞击产生过大位移而发生落梁破坏。为此各国学者致力于地震作用下伸缩缝处碰撞响应的研究,并寻求有效的防撞措施,主要包括:“伸缩缝处梁间放置黏弹性材料,或拉杆装置、落梁防止装置”等课题,但这些局部构造措施并未从结构本身的受力性能上减小或消除桥跨结构在伸缩缝处的碰撞响应。笔者从改变多联桥跨结构整体力学性能出发,提出取消桥台处伸缩缝保留两联间桥墩处伸缩缝的新型多联桥跨结构,着重研究这种新型结构在地震输入下伸缩缝处的碰撞响应,以期从根本上消除或减小由伸缩缝连接的多联桥跨结构的地震碰撞破坏。1桥台和桥台fm80型伸缩缝以某市立交体系中单支多联长曲线匝道桥梁为工程依托,为使研究具有普遍性,模型采用曲线和直线两种形式。全桥由4×25(m)+5×25(m)两联组成;上部采用C50(E=3.5×1010N/m2)预应力混凝土箱梁(梁高1.2m,等截面);下部采用C30(E=3×1010N/m2)柱式墩、薄壁台,钻孔灌注桩,墩台径向布置。模型1:(4×25第一联)+(桥墩FM-80型伸缩缝)+(5×25第二联),假设全桥位于线路直线段;模型2:(4×25第一联)+(桥墩FM-80型伸缩缝)+(5×25第二联),全桥位于半径R=155m和615.231m,缓和曲线长LS=85m的平曲线内;模型3:(桥台FM-80型伸缩缝)+(4×25第一联)+(桥墩FM-80型伸缩缝)+(5×25第二联)+(桥台FM-80型伸缩缝),假设全桥位于线路直线段;模型4:(桥台FM-80型伸缩缝)+(4×25第一联)+(桥墩FM-80型伸缩缝)+(5×25第二联)+(桥台FM-80型伸缩缝),全桥位于半径R=155m和615.231m,缓和曲线长LS=85m的平曲线内。模型平面、立面和桥台处节点详图见图1。2元算模型2.1u3000模型描述采用刚体碰撞模拟桥梁中伸缩缝的碰撞效应:主梁简化为刚体,采用等效的弹簧元件与黏滞阻尼器表示伸缩缝处结构碰撞时的相互作用特性和能量耗散特性。文中采用Kelvin接触单元模拟桥梁中伸缩缝处在地震作用下的碰撞响应,用图2的模型描述。碰撞作用力:Fc={0Κk(u1-u2-gp)+Ck(˙u1-˙u2)Fc={0Kk(u1−u2−gp)+Ck(u˙1−u˙2)u1-u2-gp<0不发生碰撞u1-u2-gp≥0发生碰撞u1−u2−gp<0不发生碰撞u1−u2−gp≥0发生碰撞式中:gp为初始间距;Kk为两相邻梁的碰撞弹簧刚度,取梁体的轴向刚度;Ck为两相邻梁的碰撞弹簧阻尼系数,表征碰撞过程中的能量损耗,Ck=2ξ√Κkm1m2m1+m2,ξ=-lne√π2+(lne)2。碰撞过程中能量的损耗与恢复力系数e相关:完全弹性碰撞e=1;完全塑性碰撞e=0。对于混凝土结构,根据试验推荐取e=0.65。其中m1和m2为伸缩缝两侧梁体质量。挡块与主梁之间碰撞效应暂不计。2.2支护结构的复力分析文中采用弹簧单元,模拟板式橡胶支座和聚四氟乙烯滑板橡胶支座,支座模型如下:板式橡胶支座的滞回曲线呈狭长形近似为线性,将板式橡胶支座恢复力模型取为直线形,即恢复力F(x)=Kx,x为桥梁上部结构和墩顶的相对位移;K=GA/∑t为支座的水平剪切刚度,G为支座动剪切模量,A为支座剪切面积,∑t为橡胶片总厚度。聚四氟乙烯滑板橡胶支座的滞回曲线呈理想弹塑性材料应力-应变关系。Fmax为临界摩檫力;xy为临界位移,根据最大弹性恢复力等于临界滑动摩檫力,得xy=μN/K,其中K为支座水平剪切刚度,μ为滑动摩檫系数,N为支座承担上部结构的荷载。2.3地震动碰撞效应模型考虑到文中的工程模型为窄桥,在满足计算精度的前提下,本着机时耗费最少的原则,此处选用三维空间杆系模型。借助结构分析软件ANSYS建立全桥有限元模型进行地震动碰撞效应研究。主梁、桥墩采用三维梁单元beam189模拟;伸缩缝采用combin40模拟;板式橡胶支座的剪切刚度用水平线性弹簧combin14模拟,聚四氟乙烯滑板支座用水平非线性弹簧combin40模拟;地震时地基变形的影响不考虑,简化为墩底固结。3模型墩、台约束输入采用两组不同地震加速度记录作为时程分析的输入,保证两组间同方向时程相关系数<0.1,持时12s。地震波基本参数见表1。约定各模型墩、台的约束沿曲线切线方向为X向(直线为顺桥向),沿曲线的径向方向为Y向(直线为横桥向)。采取4种地震动输入方向:单维X方向输入地震波;单维Y方向输入地震波;双维X和Y方向同时输入地震波;三维X、Y和Z方向同时输入地震波,采用一致激励输入。两组地震波,按4种地震输入方向,组合成8种地震动输入工况见表1,用于地震响应分析。4桥台处伸缩缝处的碰撞响应对4个模型进行模态分析,取前50阶振型,采用瑞利阻尼假设,混凝土结构阻尼比ξ=0.05,计算质量矩阵和刚度矩阵线性组合系数a0和a1,供动力时程分析使用。采用非线性时程分析法,输入表1中8种单维或多维地震动工况,进行地震动碰撞响应分析。桥墩处伸缩缝碰撞响应见图3和表2。从图3和表2可见,地震荷载作用下,模型1、2两联间桥墩伸缩缝处的碰撞力和位移均小于模型3、4两联间桥墩伸缩缝处的碰撞力和位移。表明取消桥台处伸缩缝对减小两联间桥墩伸缩缝处的碰撞响应是有利的,特别是对直线无桥台伸缩缝多联桥跨结构,在各种地震输入工况中两联间桥墩伸缩缝处的位移均小于伸缩缝的宽度(80mm),因此碰撞力为零,这从根本上消除了地震作用下两联间桥墩伸缩缝处的碰撞破坏。桥台处伸缩缝碰撞响应分析见图4和表3。分析图4和表3可知:在地震荷载作用下,模型3、4桥台处产生的轴向力是模型1、2(取消桥台处伸缩缝)的3～40倍,这从根本上减小了地震输入下桥梁上部结构主梁对桥台的碰撞力,使桥台免于撞击挤压破坏。在模型3、4中,0#台和9#台顶台帽宽度(顺桥向)120mm,即0#台和9#台顶伸缩缝位移超过(向跨中)120mm主梁会发生落梁;从表3可见模型3、4在X向均有发生落梁震害的可能,而模型1、2由于取消了桥台处的伸缩缝,也就消除了桥台处主梁落梁破坏的可能。5无桥台伸缩缝对于长达数百米的长桥结构,通过伸缩缝连接多联结构达到所需桥长是必须的也是合理的。为满足桥梁建设长度的需要,保持桥墩伸