考虑碰撞效应的斜交桥抗震性能分析

2016-09-08李澄宇

甘肃科技 2016年10期

李澄宇

考虑碰撞效应的斜交桥抗震性能分析

李澄宇

（甘肃路桥公路投资有限公司，甘肃兰州730030）

受地形条件的限制，在公路桥梁或城市桥梁设计中经常采用斜交形式的梁桥。由于主梁轴线与支承边存在斜交角，使得其会发生一定面内旋转，当考虑横桥向碰撞效应时，斜交桥的抗震性能变得比直线梁桥要更加复杂。论文采用非线性时程分析方法对具有不同斜交角的连续梁桥进行分析，探讨了结构地震响应随交角变化关系。结果表明：不考虑碰撞效应会明显低估连续梁桥抗震性能，在斜交连续梁桥设计时应考虑碰撞效应的影响；斜交角的大小会显著影响桥梁结构地震响应，但不与斜交角成线性关系。

斜交连续梁桥；时程分析；抗震性能；碰撞

年美国圣佛南多地震中，多座斜交连续梁桥发生了严重破坏，斜交桥抗震性能逐渐引起重视［1］；随后1994年美国北岭地震中，GavinCanyon跨线立交（斜交连续梁桥）发生了落梁；2008年汶川地震桥梁震害统计表明，无论是全桥失效、严重破坏还是中等破坏，斜交桥的破坏率明显较直线桥要高，如彻底关大桥发生了严重损伤［2］。鉴于斜交桥梁存在较高地震易损性，需对斜交桥进行非线性时程分析，探讨斜交桥梁地震响应规律。

本文以一实际三跨斜交连续梁桥为例，考虑结构材料非线性，并在桥墩潜在塑性铰区采用集中塑性铰来模拟桥墩进入塑性阶段的转动特性。通过改变斜交角（0°、15°、30°、45°和60°）来分析斜交连续梁桥抗震性能变化趋势，并得到相关结论，可为斜交桥梁抗震设计提供参考意见。

2　有限元分析模型

2.1工程背景及模型建立

本文分析桥梁选自甘肃省内某高速公路上一座三跨斜交连续梁桥，跨径布置为3×25m，斜交角为30°。主梁由4片小箱梁组成，梁高1.4m，桥面总宽18.6m，采用C50混凝土。下部结构采用三柱式桥墩，墩高5.4m，桥墩直径为1.3m，混凝土采用C30，纵筋配筋率为1.2%，纵筋采用HRB335，箍筋形式为螺旋箍筋。全桥支座采用普通板式橡胶支座，型号为GYZ400×84。墩台基础均为群桩基础，为简化计算，此处直接将墩底固结，不考虑桩土相互作用。桥址场地为Ⅱ类，地震设防烈度为Ⅷ度，基本地震动加速度峰值0.2g。

采用Sap2000有限元软件建立斜交连续梁桥分析模型，此处采用梁格法进行建模。其中主梁采用线弹性梁单元模拟，而地震作用下的桥墩可能进入弹塑性阶段，因此采用PMM纤维铰来模拟桥墩的非线性转动。由于支座可能会发生滑动，采用理想弹塑性模型来模拟支座的滑动特性。同时，为考虑桥梁的碰撞效应，在桥台处纵向和横向及桥墩处横向均设置碰撞单元。桥梁有限元分析模型如图1所示。

图1　有限元分析模型

2.2支座模型

地震作用下，桥梁主梁与支座会发生相对位移，在计算模型中，板式橡胶支座采用非线性连接弹簧来模拟，通过定义的摩擦模型建立力-变形关系［3］，论文中采用库伦摩擦模型，其临界滑动力Fcr与竖向力N之间的关系如式（1）。任一时刻支座受力状态可通过图2来判断，支座滞回模型如图3所示。

式中：μ为摩擦面的摩擦系数，具体取值可以参考文献［4］；N为支座竖向力。

图2　支座滑动判断准则

图3　支座滞回模型

2.3碰撞模型

碰撞是一个非常复杂的非线性问题［5～7］，通常采用碰撞单元来模拟（Sap2000中提供的GAP单元）。碰撞过程通常包括两种状态：当碰撞单元相对位移小于初始间隙时，碰撞不发生；当碰撞单元相对位移大于初始间隙时，结构发生碰撞现象。图4为碰撞单元恢复力图：

图4　碰撞单元恢复力图

对于横桥向，主梁与横向抗震挡块的碰撞刚度值取5×106kN/m［8］，而桥台与主梁的碰撞刚度值取主梁的轴向刚度值。

3　结果分析

为分析碰撞作用对斜交连续梁桥抗震性能的影响，对每一斜交角下连续梁桥分别建立考虑碰撞作用与不考虑碰撞作用的两个有限元模型，并进行结果对比分析。

3.1墩底弯矩

图5为考虑碰撞与不考虑碰撞作用下，具有不同斜交角的斜交连续梁桥1#墩墩底纵桥向弯矩M33变化情况。显然，考虑碰撞作用的模型分析结果要比不考虑碰撞作用的模型计算结果要大。同时，由于斜交角的存在，两种计算模型下的墩底弯矩M33均随斜交角的增加而增大。不考虑碰撞作用的模型的墩底弯矩M33随斜交较增加明显，几乎成线性增加。而考虑碰撞作用的模型，在斜交角45°前，墩底弯矩M33增加较缓，在斜交角60°时，墩底弯矩M33显著增加。说明碰撞作用对斜交桥顺桥向地震响应有明显影响。

图5　1#墩底纵桥向弯矩M33

图6为考虑碰撞与不考虑碰撞作用下，具有不同斜交角的斜交连续梁桥1#墩墩底横桥向弯矩M22变化情况。与顺桥向墩底弯矩一样，考虑碰撞作用的模型分析结果要比不考虑碰撞作用的模型计算结果要大。但两种模型下，墩底横桥向弯矩M22并不随斜交角的增加而增大。对于考虑碰撞作用的模型，墩底横桥向弯矩M22先随斜交角增加有个下降的趋势，而在斜交角60°时有明显的增加。而不考虑碰撞作用的模型，墩底横桥向弯矩M22随斜交角有较小的浮动，变化范围在10%以内。说明碰撞作用对斜交桥横桥向地震响应有明显影响。

图6　1#墩底横桥向弯矩M22

综上所述，碰撞作用对斜交连续梁桥有较大影响，在进行斜交桥梁抗震设计及抗震性能评价时应考虑桥梁纵横桥向碰撞效应。

3.2主梁转角

支座的滑动会增大上部结构的位移，桥梁纵横桥向的碰撞虽然在一定程度上起到限制主梁位移的作用，但也会因为碰撞的发生，导致斜交桥主梁会发生转动。图7为考虑碰撞与不考虑碰撞作用下，主梁转动弧度随斜交角变化情况。可以看出，在不考虑碰撞作用时，斜交桥主梁位移主要表现为平动，存在较小的转动，当考虑碰撞作用后，主梁发生明显转动，且随着斜交角的增加，主梁的转角有明显增加，在斜交角大于30°以后，增加趋势变缓。