基于空间时程法的大跨斜拉桥伸缩缝处碰撞分析

基于空间时程法的大跨斜拉桥伸缩缝处碰撞分析

大倾角桥通常采用漂浮系统或弹性限制系统。在强震的作用下，梁端发生了很大的位移。如果梁端以上的位移过大，主梁与相邻相邻的梁桥之间可能会发生碰撞，导致整个结构的丧失。在历次大地震中,时有发生由于碰撞效应导致大跨桥梁结构引桥破坏或者落梁现象,如在1989年美国LomaPrieta地震中,由于设计低估了相邻桥跨间的相对位移,伸缩缝处主、引桥梁体发生碰撞,致使旧金山-奥克兰海湾大桥引桥的一跨落梁。同样,在1995年日本阪神大地震中,西宫港大桥(主跨252m的钢系杆拱桥)第一跨引桥落梁的原因主要是主桥和引桥间的相对位移过大发生了碰撞,而桥墩的支承面太窄,支座、连接限位构件又失效。因此,需要重视在强震作用下大跨斜拉桥主、引桥间可能发生的碰撞现象。目前,国内外有一些学者对地震作用下碰撞效应进行过研究(Malhotra、HongHao、Jankowski、Kawashima、王军文等),但研究大多针对简支梁桥或者小跨径连续梁桥,而对大跨桥梁伸缩缝处相邻梁体的碰撞效应研究较少,大跨桥梁结构不同于一般结构,结构基本周期长,高阶振型对结构地震反应影响很大且复杂,并且由于大跨桥梁结构主、引桥结构体系不同,结构的动力特性相差较大,在地震作用下相邻联会发生非同向纵向振动,造成伸缩缝处相邻梁体较大相对位移,导致相邻联在伸缩缝处产生碰撞。文献针对强烈地震作用下大跨度斜拉桥和引桥碰撞效应进行了一些研究,讨论了碰撞刚度、初始间隙以及周期比等参数对碰撞效应的影响,总结出了一些有意义的规律。但其假定引桥桥墩为弹性结构,事实上,在强震作用下引桥桥墩可能会发生屈服,因此,有必要对强震作用下大跨斜拉桥伸缩缝处碰撞效应的影响做进一步的研究。1主梁和大跨桥梁为揭示大跨斜拉桥主、引桥相邻梁体间的碰撞对桥梁结构地震反应的影响规律,本文以一座典型大跨斜拉桥为例,研究大跨斜拉桥伸缩缝处主、引桥相邻梁体间的碰撞对桥梁结构地震反应的影响。桥跨布置如图1所示,主桥为双塔双索面钢箱梁斜拉桥,跨径布置为117m+232m+768m+232m+117m=1466m,桥塔为H型混凝土索塔,索塔总高234m,上塔柱高186m,下塔柱高48m,塔柱采用矩形截面,截面尺寸由塔顶5.5m×7m分段渐变至塔底14m×16.6m。主桥主梁采用流线型扁平钢箱梁,梁高3.626m,宽38.9m。南、北索塔采用群桩基础,辅助墩与过渡墩均采用矩形空心墩,并采用整体基础,墩身横向分开设置。主桥斜拉桥为弹性约束体系,主塔与主梁之间设置弹性索,刚度为4×105kN/m。大跨桥梁的引桥一般为多联多跨连续梁桥,单跨跨径大多在30m～70m之间,且一般为预应力钢筋混凝土结构。为具代表性,本文分析时引桥取为4m×50m等截面连续梁桥,中间墩为固定墩,其余为活动墩,墩高从30m～50m变化,墩身为等截面,外围尺寸分别为6.0m×3.5m,纵筋配筋率取2%。1.1纤维有限元模型由于在强震作用下,引桥桥墩以及主塔都有可能发生塑性变形,因此,本文分析时主塔以及引桥墩柱墩柱采用弹塑性Fiber梁单元,如图2所示,这是介于微观的实体有限元模型和宏观的构件模拟法之间的一种模拟方法。纤维单元沿轴向被离散成许多段,每一段特性由中间横截面(或切片)来代表,而该横截面又进一步被离散成许多纤维(如用矩形网格划分)。每一根纤维可以是混凝土,也可以是钢筋。计算时,首先基于平截面假定和钢筋、混凝土纤维各自应力-应变关系,求得各截面的弯曲刚度,然后沿单元长度积分最终求得单元的刚度。1.2基于弹性梁单元的有限元模型要研究这种碰撞现象的机理及其对桥梁整体抗震性能的影响,首先要对其建立正确的模拟方法。接触单元法是当前分析桥梁结构地震碰撞效应时普遍采用的方法,这种方法是在结构可能发生碰撞的位置引入接触单元,碰撞发生时接触单元被激活。目前,接触单元种类很多,如线性弹簧模型、Kelvin模型、Hertz模型、Hertz-damp模型等,其中在模拟桥梁碰撞反应时多采用由线性碰撞弹簧与阻尼器并联而成的Kelvin碰撞单元,碰撞弹簧用来模拟撞击力,阻尼器用来模拟碰撞过程中的耗能,如图3所示。在碰撞期间的接触力如下:{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为伸缩缝初始间隙,gd为地震作用下伸缩缝处相邻梁体的相对位移,kk为接触刚度,取碰撞较短梁体的轴向刚度。碰撞过程中的能量损失采用阻尼比表示,阻尼的大小与碰撞过程的恢复系数e有关,根据能量守恒定律,可以建立阻尼系数ck与恢复系数e之间的关系如下:ck=2ξ√kkm1m2m1+m2(2)ck=2ξkkm1m2m1+m2−−−−−−−√(2)ξ=-lne√π2+(lne)2(3)式中:m1和m2分别为两碰撞刚体的质量。基于上述方法,三维有限元分析模型如图4所示,主梁利用弹性梁单元来模拟,用空间杆单元模拟斜拉索;斜拉索、主塔和桥墩均考虑恒载引起的几何刚度的影响。2不考虑碰撞效应时的地震波分析本文分析仅考虑单边碰撞效应,计算时引桥固定墩墩高变化范围为30m～50m,考虑引桥桥墩、主塔墩弹塑性的影响,即采用弹塑性Fiber梁单元模拟,根据实际配筋情况,将纤维分别赋予钢筋和混凝土应力-应变关系,混凝土用Kent-Park模型模拟,钢筋用Giuffré-Menegotto-Pinto模型模拟。引入图3所示碰撞单元,为考虑初始间隙gp的影响,gp分别取不考虑碰撞效应时相邻梁体最大靠近位移(记为Δmax)的0.3、0.5和0.7倍,恢复系数e取1.0,即不考虑碰撞过程中的能量耗散。输入表1中的9条地震波进行计算,地震动峰值加速度统一调整为0.6g,积分时间间隔取0.002s,分析基于Opensees程序平台进行。图5给出了不考虑碰撞效应时,主、引桥相邻梁体间的相对位移(靠近)随引桥墩高的变化曲线,其中,μ为9条波的平均值,σ为标准差。从图5可以看出,在强震作用下,斜拉桥伸缩缝处主、引桥相邻梁体会发生很大的相对位移(靠近),极易发生碰撞。图6给出了伸缩缝处主、引桥相邻梁体会发生碰撞时,碰撞力峰值随引桥墩高的变化曲线,取9条波的平均值。从图6可以看出,在强震作用下,伸缩缝处主引桥梁体间的碰撞会产生很大的撞击力,这种撞击力不仅会产生局部的损坏,而且可能会增大主引桥结构的地震需求。从图6中还可以看出,撞击力峰值开始随着引桥墩高的增大而增大,而当引桥墩高大于45m后,撞击力峰值随着引桥墩高的增大有所减小;随着初始间隙gp的增大,撞击力峰值则逐渐减小。为形象起见,图7给出了No.1地震波作用下,引桥墩高为30m、gp=0.5Δmax时的碰撞力时程曲线;图8给出了No.3地震波作用下,引桥墩高为40m、gp=0.5Δmax时的碰撞力时程曲线。对于地震作用下的碰撞效应,我们更加关心的是对结构地震需求的影响,因此,接下来着重研究强震作用下大跨斜拉桥伸缩缝处碰撞效应对主引桥结构地震需求的影响。2.1碰撞效应对地震力需求的影响2.1.1引桥桥墩底速率需求图9、图10给出了引桥墩底曲率峰值比(ϕp/ϕn)和墩底剪力需求峰值比(Vp/Vn)随墩高的变化曲线,取9条波的平均值,其中下标p和n分别表示考虑碰撞效应和不考虑碰撞效应时的反应。特别指出,本文出现的引桥墩底均指固定墩墩底。从图9、图10可以看出:碰撞效应使得引桥墩底曲率需求和墩底剪力需求明显增大,其中对墩底曲率需求影响更为显著;随着引桥墩高的增大,墩底曲率需求峰值比总体上是增大的,即墩高较高时,碰撞效应的影响更大,而墩底剪力需求峰值比随着引桥墩高的增大先增大而后有所减小,但总体上相差不大;当引桥墩高为50m、gp=0.5Δmax时,碰撞效应使得引桥墩底曲率需求增大了8倍,极易造成引桥桥墩的破坏,应当引起重视;随着初始间隙gp的增大,碰撞效应对引桥墩底曲率需求和墩底剪力需求的影响总体上是不断减小的。2.1.2初始间隙gp的影响图11～图13分别给出了主桥两边塔塔底弯矩需求峰值比(Mp/Mn)以及主塔与主梁之间弹性索内力(Np/Nn)需求峰值比随墩高的变化曲线,取9条波的平均值,其中下标p和n分别表示考虑碰撞效应和不考虑碰撞效应时的反应。从图11～图13可以看出:碰撞效应对主塔塔底弯矩需求、主塔与主梁之间弹性索内力需求的影响较小,初始间隙gp的大小对碰撞效应的影响也很小。由此可见,碰撞效应对主桥的地震需求影响不大,这可能是由于主桥质量远大于引桥的质量。2.2接触效果对位移需求的影响2.2.1引桥墩高与挡墙对比图14给出了碰撞效应对引桥梁端位移需求峰值比(Dp/Dn)的影响,取9条波的平均值,其中下标p和n分别表示考虑碰撞效应和不考虑碰撞效应时的反应。从图14可以看出:碰撞效应使得引桥梁端位移需求明显增大,且随着引桥墩高的增大,梁端位移需求峰值比总体上不断增大,即当引桥墩高较高时,碰撞效应的影响更大;当引桥墩高为50m、gp=0.5Δmax时,碰撞效应使得引桥梁端位移需求增大了3倍,极易造成引桥梁体落梁,应当引起重视;随着初始间隙gp的增大,碰撞效应对引桥梁端位移需求的影响总体上是不断减小的。2.2.2碰撞效应对相对位移需求的影响图15给出了碰撞效应对主、引桥间相对位移需求峰值比(ΔDp/ΔDn)的影响,取9条波的平均值,其中下标p和n分别表示考虑碰撞效应和不考虑碰撞效应时的反应。从图15可以看出:碰撞效应使得伸缩缝处主引桥相对位移需求明显增大,且随着引桥墩高的增大,相对位移需求峰值比总体上不断增大,即当引桥墩高较高时,碰撞效应的影响更大;对比图14,碰撞效应对伸缩缝处主引桥相对位移需求影响不如对引桥梁端位移需求影响显著,这主要缘于碰撞效应对主桥梁端位移的影响程度较小;当引桥墩高为50m、gp=0.5Δmax时,碰撞效应使得伸缩缝处主引桥相对位移需求增大了1.7倍,极易造成伸缩缝的破坏,应当引起重视;随着初始间隙gp的增大,碰撞效应对主引桥相对位移需求的影响总体上是减小的。2.2.3引桥梁体搭接长度需求图16给出了碰撞效应对引桥梁体搭接长度需求峰值比(ΔDp/ΔDn)的影响,取9条波的平均值,其中下标p和n分别表示考虑碰撞效应和不考虑碰撞效应时的反应。图16可以看出:碰撞效应使得伸缩缝处引桥梁体搭接长度需求明显增大,且随着引桥墩高的增大,引桥梁体搭接长度需求峰值比总体上不断增大,即当引桥墩高较高时,碰撞效应的影响更大;对比图14、图15,碰撞效应对引桥梁体搭接长度需求的影响不如对引桥梁端位移需求、伸缩缝处主引桥相对位移需求的影响显著,这主要缘于过渡墩纵桥向为自由滑动,碰撞效应对其位移反应影响不大;当引桥墩高为50m、gp=0.5Δmax时,碰撞效应使得引桥梁体搭接长度需求增大了1倍多,极易造成引桥梁体落梁,应当引起重视;随着初始间隙gp的增大,碰撞效应对引桥梁体搭接长度需求的影响总体上是不断减小的。3引桥结构地震反应机理分析大跨斜拉桥一般采用飘浮体系或者弹性约束体系,其在强震作用下梁端会发生很大位移,梁端的过大位移可能会导致主梁与相邻跨引桥的碰撞,使整个结构丧失整体性。本文针对强震作用下大跨斜拉桥伸缩缝处的碰撞现象,以一座大跨斜拉桥为例,建立了考虑引桥墩柱、塔柱弹塑性的空间非线性碰撞模型,采用非线性时程法研究了大跨斜拉桥伸缩缝处相邻跨梁体碰撞对桥梁结构地震反应的影响。通过分析可以得出以下结论:(1)由于大跨桥梁结构主、引桥结构体系不同,结构的动力特性相差较大,在强震作用下伸缩缝处主、引桥相邻梁体易发生碰撞。(2)碰撞效应使得引桥墩底曲率需求和墩底剪力需求明显增大,其中对墩底曲率需求影响更为显著,且随着引桥墩高的增大,碰撞效应的影响总体上是