大跨斜拉桥地震反应分析

大跨斜拉桥地震反应分析

大倾角桥通常采用浮浮式、半浮式或弹性限制系统，结构周期长。在地震的作用下，梁端位移较大。大位移可能导致主梁与相邻引桥之间的碰撞。历次大地震中震害经验表明碰撞效应是导致桥梁结构引桥破坏或者落梁的主要原因之一,如1989年美国LomaPrieta地震中旧金山-奥克兰海湾大桥引桥的一跨落梁;1995年日本阪神大地震中,西宫港大桥(主跨252m的钢系杆拱桥)第一跨引桥落梁等。目前,国内外有一些学者对地震作用下的碰撞效应进行了一些研究,但研究大多针对简支梁桥或者连续梁桥,而对大跨桥梁伸缩缝处相邻梁体的碰撞效应研究不多。大跨斜拉桥在经济、交通等方面占据着特殊重要地位,因此,为提高大跨斜拉桥在地震作用下的安全性,研究大跨桥梁伸缩缝处相邻梁体碰撞效应对结构地震需求的影响规律具有重要意义,研究成果对合理设计大跨度斜拉桥与引桥的连接构造,减少或者避免大跨桥梁结构在地震中发生破坏或落梁具有理论参考意义。1有限元模型建立本文以一座大跨斜拉桥工程设计为例,研究大跨斜拉桥伸缩缝处主、引桥相邻梁体间的碰撞对结构地震反应的影响规律。桥跨布置2×(5×50m)等截面预应力混凝土连续箱梁+(117m+232m+768m+232m+117m)双塔钢箱梁斜拉桥+5×(5×50m)等截面预应力混凝土连续箱梁。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,弹性索刚度为4×105kN/m。主桥总体布置图如图1所示。本文分析时引桥取一联5×50m连续梁桥,其中,近主桥第二个桥墩为固定墩,其余均为活动墩。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。目前,接触单元种类很多,如线性弹簧模型、Kelvin模型、Hertz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,如图2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˙dFc=0gd−gp≥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)ξ=−lneπ2+(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3所示,主梁、塔、边墩用梁单元模拟,考虑恒载轴力引起的几何刚度的影响,主梁节点和斜拉索吊点主从相连。斜拉索用桁架单元模拟,但考虑垂度效应和恒载引起的几何刚度的影响。2常规概率地震和超越概率根据大桥主桥的重要性以及地震破坏后桥梁结构的修复(抢修)的难易程度,主桥采用超越概率为100年10%,重现期975年(简称E1概率地震)和超越概率为100年4%,重现期2500年(简称E2概率地震)两种水平的地震作用作为设防水准。地震危险性分析报告提供了在不同超越概率下的地震动参数,其中,E2超越概率下的水平地震加速度时程如图4所示。3碰撞单元的确定本文分析仅考虑单边碰撞效应,为具代表性,固定墩墩高从20～40m变化。引入图3所示碰撞单元,碰撞弹簧刚度取0.5倍较短主梁轴向刚度6.4×105kN/m,初始间隙gp为0.3m,恢复系数e取1.0,即不考虑碰撞过程中的能量耗散。输入3条地震波进行计算,积分时间间隔取0.002s,分析基于Sap2000程序平台进行。3.1地震波作用下的碰撞力分析图5给出了不同地震波作用下,伸缩缝处主、引桥相邻梁体发生碰撞时,碰撞力峰值随引桥墩高的变化曲线;图6给出了No.3地震波作用下,引桥墩高为30m时的碰撞力时程曲线;图7给出了No.3地震波作用下,引桥墩高为30m主引桥相对位移时程曲线。从图5～图7可以看出:在地震作用下,当主引桥相对位移大于伸缩缝初始间隙时,主引桥梁体间发生碰撞,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;不同地震波作用下,碰撞力峰值随引桥墩高的变化规律不同,可见碰撞效应不仅与主引桥结构有关,还与地震波特点相关。3.2.2碰撞效应对边桥边塔底弯矩需求的影响图10分别给出了不同地震波作用下,斜拉桥主桥边塔塔底弯矩需求峰值比(Mp/Mn)随引桥墩高的变化曲线,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地震需求。从图10可以看出:主、引桥间的碰撞效应对主桥边塔塔底弯矩需求影响不大;无论引桥墩高多少,碰撞效应使得主桥边塔塔底弯矩需求有所减小,减少幅度在10%～30%不等。由此看见,主、引桥间的碰撞效应不会造成主桥结构地震力需求的明显增大。3.3接触效果对位移需求的影响3.3.1位移需求变化图11给出了不同地震波作用下,引桥梁端位移需求峰值比(Dp/Dn)随引桥墩高的变化曲线,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可以看出:主、引桥间的碰撞效应对引桥梁端位移需求有较大影响;当引桥墩高为20m时,碰撞效应使得引桥梁端位移需求有所减小;而当引桥墩高大于20m时,碰撞效应有可能增大引桥梁端位移需求,即当引桥墩高较高时,碰撞效应的影响更为显著;不同地震波作用下,碰撞对引桥梁端位移需求的影响规律不同,其中,在No.3地震波作用下,当引桥墩高为30m时影响最为显著,碰撞效应使得引桥梁端位移需求增大65%左右,而在No.1和No.2地震波作用下,当引桥墩高为40m时影响最为显著,碰撞效应使得引桥梁端位移需求分别增大65%和35%左右。由此看见,不考虑主、引桥间的碰撞效应,极有可能低估了引桥梁端位移需求,造成地震作用下引桥梁体落梁,应当引起重视。3.3.2碰撞效应对主梁端位移需求的影响图12给出了不同地震波作用下,主桥梁端位移需求峰值比(Dp/Dn)随引桥墩高的变化曲线,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12可以看出:主、引桥间的碰撞效应对主桥梁端位移需求影响不大;无论引桥墩高多少,碰撞效应使得梁端位移需求有所减小,减少幅度在10%～30%不等。由此看见,主、引桥间的碰撞效应不会造成主桥结构地震位移需求的明显增大。3.3.3碰撞效应对相对位移需求的影响图13给出了不同地震波作用下,主、引桥间相对位移需求峰值比(ΔDp/ΔDn)随引桥墩高的变化曲线,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13可以看出:主、引桥间的碰撞效应对伸缩缝处主、引桥间相对位移需求有较大影响;当引桥墩高大于20m时,碰撞效应有可能增大主、引桥相对位移需求,即当引桥墩高较高时,碰撞效应的影响更为显著;不同地震波作用下,碰撞对主、引桥间相对位移需求的影响规律不同,其中,在No.2地震波作用下,当引桥墩高为40m时影响最为显著,碰撞效应使得主、引桥间相对位移需求增大50%左右,而在No.1和No.3地震波作用下,当引桥墩高为30m时影响最为显著,碰撞效应使得主、引桥间相对位移需求分别增大40%和30%左右。由此看见,不考虑主、引桥间的碰撞效应,极有可能低估了伸缩缝处主引桥相对位移需求,造成地震作用下伸缩缝的破坏,应当引起重视。3.3.4碰撞对引桥梁体搭接长度需求的影响图14给出了不同地震波作用下,引桥梁体搭接长度需求峰值比(ΔDp/ΔDn)随引桥墩高的变化曲线,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:主、引桥间的碰撞效应对伸缩缝处引桥梁体搭接长度需求有较大影响;随着引桥墩高的增大,碰撞对引桥梁体搭接长度需求的影响总体上呈现波动性增大,即当引桥墩高较高时,碰撞效应的影响更为显著;不同地震波作用下,碰撞对引桥梁体搭接长度需求的影响规律不同,其中,在No.1地震波作用下,当引桥墩高为30m时影响最为显著,碰撞效应使得引桥梁体搭接长度需求增大60%,而在No.2和No.3地震波作用下,当引桥墩高为40m时影响最为显著,碰撞效应使得引桥梁体搭接长度需求分别增大55%和30%左右。由此看见,不考虑主、引桥间的碰撞效应,极有可能低估了引桥梁体搭接长度需求,造成地震作用下引桥梁体落梁破坏,应当引起重视。4碰撞效应对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,在地震作用下伸缩缝处主、引桥相邻梁体易发生碰撞。(2)当引桥墩高较高时,主、引桥间的碰撞效应不仅会产生很大的撞击力,而且碰撞效应可使引桥墩底弯矩和剪力需求明显增大,极易造成引桥桥墩破坏;碰撞效应也可使引桥梁端位移、主引桥相对位移及引桥梁体搭接长度需求明显增大,极易造成引桥梁体落梁。(3)碰撞效应对主塔塔底弯矩需求影响很小,即碰撞效应对主桥的地震需求影响不大。(4)不同地震波作用下,碰撞效应对结构地震反应的影响规律不同,可见碰撞效应不仅与主引桥结构有关,还与地震波特点相关。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，接下来着重研究纵向地震作用下大跨斜拉桥主引桥碰撞效应对主引桥结构地震需求的影响。3.2碰撞效应对地震力需求的影响3.2.1碰撞效应的影响图8、图9给出了不同地震波作用下，引桥墩底弯矩需求峰值比（Mp/Mn）和墩底剪力需求峰值比（Vp/Vn）随墩高的变化曲线，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8、图9可以看出：主、引桥间的碰撞效应对墩底弯矩和剪力需求有较大影响，且影响曲线基本相同；当引桥墩高为20m时，碰撞效应使得引桥墩底弯矩和剪力需求有所减小，对引桥抗震设计有利；而当引桥墩高大于20m时，碰撞效应有可能增大引桥墩底弯矩和剪力需求，即当引桥墩高较高时，碰撞效应的影响更为显著，