高墩桥地震响应的时程反应分析

高墩桥地震响应的时程反应分析

0梁桥碰撞作用中国西部大部分地区为山地和山区。由于地形条件的限制，桥梁建设中通常采用高山桥的形式。由于高墩桥各墩的高度差异明显,造成其相邻部分结构的动力特性差别较大,在地震作用下伸缩缝处容易发生碰撞,导致结构局部或整体损伤,如梁端破裂,桥台胸墙混凝土脱落,支座破坏甚至落梁等。近几十年来,地震造成的桥梁碰撞破坏屡见不鲜,如1971年美国SanFernando地震中发生的多起桥面与桥台的冲击破坏,1989年LomaPrieta地震中某高架桥由于碰撞造成的桥墩与桥面脆性破坏,1994年美国Northridge地震中州际5号公路桥多处桥墩和伸缩缝的碰撞破坏等等。由于碰撞对结构的影响,加剧了地震对桥梁的破坏程度,国内学者对该问题展开了系统的研究,并取得了一些进展,王军文等针对连续梁桥建立了考虑支座非线性和墩柱弹塑性的碰撞模型,研究表明影响碰撞反应的主要因素是相邻联的周期比和基本周期的大小;谢旭等对柔性支座上非连续梁桥的碰撞效应研究结果表明,长周期侧结构的地震位移响应比不考虑碰撞时有所减小;王东升等对1976年唐山地震破坏的滦河桥分析了造成其落梁震害的可能原因。本文针对西部山区某一典型高墩桥,采用MIDAS/Civil有限元程序建立了该桥的非线性模型,通过数值模拟计算,探讨了结构在不同地震波作用下伸缩缝处梁体间的碰撞效应。1特桥墩桥桥有限元模型本文采用的高墩桥计算模型的原型桥全长600m,桥宽12m,主桥为90m+170m+90m三跨一联的预应力混凝土连续刚构桥,两岸各设有一座3×40m先简支后连续的部分预应力混凝土引桥。主桥上部结构采用单箱单室,引桥上部为5道T型组合梁;主桥墩采用空心薄壁墩,横桥向墩宽按63∶1放坡至墩底,交界墩和引桥墩分别采用二柱式空心薄壁墩和双柱实心墩,纵桥向墩宽均按70∶1放坡至墩底;每个引桥墩顶盖梁位置各设有5个板式橡胶支座(型号GJZ-400*550*104),每个桥台位置和交界墩顶盖梁与引桥相连位置各设有5个聚四氟乙烯滑板支座(型号GJZF4-400*550*107),每个交界墩顶盖梁与主桥相连位置各设有2个盆式橡胶支座(型号GPZ3500DX);主桥梁与引桥梁之间设有伸缩缝。采用有限元软件MIDAS/Civil对该桥进行分析,计算模型如图1所示。在模型中,上部结构采用弹性梁单元模拟,并在主桥梁内部建立纵向预应力钢束,各桥墩采用纤维单元模拟,其中钢筋纤维的本构模型采用双折线模型,保护层混凝土纤维采用名古屋高速公路社团模型,核心区混凝土纤维采用日本公路标准模型;板式橡胶支座采用弹簧模拟,聚四氟乙烯滑板支座和盆式橡胶支座采用滞后系统模拟,板式橡胶支座和聚四氟乙烯滑板支座的水平剪切刚度取2.75×106N/m,盆式橡胶支座纵桥向水平剪切刚度取1.46×107N/m,横桥向取大值,聚四氟乙烯滑板支座和盆式橡胶支座的临界滑动摩擦力分别取4.91×104N和7.30×104N;在每个伸缩缝处,T型梁与箱梁之间设有5个间隙单元,用来模拟实际碰撞。在时程分析时,按质量和刚度因子法确定阻尼,采用纽马克常加速度直接积分法求解运动方程。2碰撞反应分析2.1动力响应分析选取ElCentro地震波(如图2(a)所示),分别按伸缩缝处不设置碰撞间隙单元以及设置刚度为3.74×108N/m,初始间隙为0.17m的碰撞间隙单元对计算模型进行非线形动力时程分析。表1和表2分别给出了伸缩缝处梁端无碰撞和有碰撞时主桥梁与引桥梁各部位的加速度最大值,表3给出了有无碰撞时各非线性桥墩墩顶加速度的最大值,由计算结果可以看出,碰撞使桥梁纵桥向的加速度明显放大,由于实际参与碰撞的引桥质量与主桥质量相差较为悬殊,引桥梁加速度在碰撞发生时的放大倍数较主桥梁大很多;而从各桥墩的墩顶加速度最大值来看,碰撞对除主桥墩之外的各桥墩影响不大,这是因为主桥为刚构桥,而其它桥墩顶部均设有柔性支座,大大削弱了桥梁加速度突变对桥墩的影响。2.2elcentro地震波作用下非线性桥墩选取ElCentro、Northridge和Parkfield三条地震波,并将Northridge和Parkfield地震波的加速度峰值调整为ElCentro的原峰值0.36g,碰撞间隙单元的刚度设为3.74×108N/m,初始间隙取0.10m,沿纵桥向输入地震波,对计算模型进行非线性动力时程分析。表4给出了在三种地震波分别作用下高墩桥伸缩缝处梁端每次发生碰撞时的碰撞力峰值及时刻,表5给出了主桥梁和引桥梁在三种地震波作用下的水平位移最大值。由计算结果可以看出,在ElCentro地震波作用下,主桥梁的水平位移峰值最大,引桥梁次之,而将Parkfield地震波作为地震动输入时,引桥梁的水平位移峰值最大。这是因为每条地震波的卓越周期不同,当高墩桥某一部分结构的固有特性与地震波某些成分的特性较为接近时,该部分结构的地震响应就会非常显著;而不同地震波作用下主桥与引桥的不同地震响应必然会引起不同的梁端碰撞反应。由此可见,地震波的频谱特性与结构各部分的固有频率是影响结构碰撞反应的重要因素。表6给出了部分非线性桥墩在不同位置处的剪力最大值和弯矩最大值。由计算结果可以看出,由于在ElCentro地震波作用下主桥梁位移较大,故主桥墩墩底剪力和弯矩也较大,而引桥墩和交界墩的墩底反应在Parkfield地震波作用下更为剧烈。表7给出了各非线性支座沿纵桥向的剪切变形最大值,由于在Parkfield地震波作用下引桥的反应较为剧烈,和引桥梁相连的各支座变形也较大,其中右交界墩处聚四氟乙烯滑板支座的最大变形达到了0.4568m,该支座的橡胶块在纵桥向的宽度仅为400mm,因而会导致落梁的发生。表8和表9给出了在ElCentro地震波作用下每次碰撞前后伸缩缝处梁端不同方向位移的峰值。由计算结果可以看出,梁端碰撞有助于控制主桥梁水平位移的发展,限制了墩的变形,在某种程度上对主桥墩有利,而在碰撞作用下,引桥梁更倾向于向远离主桥的方向运动,增大了其支座和部分引桥墩的变形,使得支座失效导致落梁的概率有所增加。3高墩桥结构参数对碰撞响应的影响(1)高墩桥的梁端碰撞会加剧梁的加速度反应,对刚构桥桥墩也有所影响,但对柔性支座下的桥墩影响不大。(2)高墩桥在相同加速度峰值的不同地震波作用下的碰撞反应差异较大