大跨度连续刚构桥地震碰撞效应研究

2016-11-24张茂会郑必灿陈丽军

城市道桥与防洪 2016年3期

关键词：刚构桥梁端桥墩

张茂会，郑必灿，陈丽军

(1.武汉市政工程设计研究院有限责任公司，湖北武汉430023；2.武汉光谷联合集团有限公司，湖北武汉 430073)

大跨度连续刚构桥地震碰撞效应研究

张茂会1，郑必灿2，陈丽军1

(1.武汉市政工程设计研究院有限责任公司，湖北武汉430023；2.武汉光谷联合集团有限公司，湖北武汉 430073)

针对地震作用下的桥梁结构伸缩缝处的碰撞现象，基于刚体碰撞分析理论，采用间隙单元模拟碰撞作用，建立了大跨度连续刚构桥在安评波作用下的有限元模型，分析表明：该桥在地震作用下，桥墩的塑性变形降低了结构内力反应，但增大了结构位移，增强了碰撞效应；桥梁碰撞力相当大，最大达到原结构的10.9倍，易导致梁端混凝土受压破坏；该文分析方法可为同类型分析提供参考。

刚构桥；碰撞；非线性时程分析；间隙单元；地震反应

0　引言

近年来，高墩大跨刚构桥得到了迅猛的发展，跨度屡创新高，与其他桥型类似，抗震也是大跨刚构桥无法回避的问题，尤其在强烈地震作用下，由于碰撞引起的结构破坏十分常见。地震作用下的桥梁碰撞是一个相当复杂的空间接触问题，本文在既有的研究基础上，基于刚体碰撞分析理论，采用间隙单元模拟碰撞效应，建立空间分析模型研究了大跨度连续刚构桥在地震作用下的碰撞效应，分析结果和方法可为同类工程提供参考。

1　碰撞单元模型

桥梁产生碰撞的直接原因在于相邻结构间的相对位移反应超过了伸缩缝的允许间隙，本模型中采用间隙单元模拟梁端碰撞，间隙单元在每个自由度上均有弹簧和间隙串联而成，见图1。

图1　碰撞单元模型

当N1和N2两个节点间缩小的相对位移的绝对值超过了间隙单元的初始间隙时，该方向的刚度就开始发生作用，弹簧力与变形的关系如下：

式中：k为间隙单元中弹簧的刚度；o为初始间隙；d为坐标系中弹簧的变形。

2　桥梁碰撞分析模型

2.1有限元模型

本文模型在主梁端部设置间隙单元模拟碰撞效应，每个间隙单元的刚度取为3.60×108N/m，初始间隙取为21 cm；同时考虑到由于本桥在地震作用引起的桥墩弯矩主要分布在桥墩的底部和墩顶与主梁的连接处附近，故这两处都有可能进入塑性状态，因此本文将在墩顶、底范围均布置一定长度的纤维截面模拟的塑性铰，桥梁结构的有限元模型见图2。

图2　有限元模型

2.2地震时程

根据桥址所处位置，中国地震局地壳应力研究所为该特大连续刚构桥地震分析拟合了三条场地地面加速度时程数据，本文仅以一条安评地震波为例进行分析，考察其顺桥向地震作用下的碰撞效应，地震波见图3。

3　桥梁的地震碰撞反应[1-10]

3.1模型中采用线性和非线性桥墩时的碰撞反应

采用安评波，将间隙单元的间隙设置为21 cm，分别对桥墩按照线性考虑和桥墩按照纤维单元模型进行非线性动力时程分析,分析结果见表1。

图3　地面加速度时程曲线

表1　桥墩内力值

各个桥墩的不同反应导致了桥梁上部结构碰撞反应的差异，本文仅列出间隙单元1的碰撞力时程考察桥墩塑性变形对结构的影响效果，见图4。

图4　间隙单元1碰撞力时程

由表1中的结果对比可知，在安评波作用下，当桥墩采用非线性纤维模型模拟塑性铰时，各桥墩的弯矩和剪力最大值均较线性模型有所减小，这表明，在地震作用下，部分桥墩截面进去塑性变形阶段，材料的已不再是线性的本构关系；同时结构的塑性铰变形有一定的耗能作用，使结构受力发生重分布，故非线性模型下的桥墩弯矩和剪力峰值均比线性模型中减小。由图4可知，在非线性模型中，主梁左端间隙单元1发生3次碰撞，最大碰撞力为7 143 kN，而在线性模型中，主梁左端间隙单元1仅发生1次碰撞，最大碰撞力为6 881 kN，可见非线性模型中结构的碰撞次数、碰撞程度均较线性模型中有所增加，这表明塑性铰的变形虽然降低了桥墩的内力峰值，但是增加了结构变形，增强了该桥的碰撞效应。

3.2碰撞对桥梁结构的影响

前文分析表明，采用普通的线性单元模拟桥墩，桥墩的内力值偏大，而采用纤维模型的非线性模型，可以较真实的模拟桥墩的实际受力情况，其碰撞分析的结果也更为准确，故本文采用安评波，分别按照不加入碰撞单元和将碰撞单元的初始间隙设置为21 cm两种情况对桥梁模型进行非线性动力时程分析，对比研究梁端有无碰撞时的结构各部分的反应。由于篇幅所限，仅列出主梁梁端单元和1#桥墩的地震反应情况，见图5。

将图5中的数据整理，见表2。

由图5及表2分析可以得出，主梁左右梁端均发生了3次碰撞，每次碰撞持续的时间均较短，由于碰撞作用，左梁端轴力由655 kN增大为7 115 kN，右梁端轴力由826 kN增大为7 831 kN，表明碰撞作用使得梁端轴力迅速明显增大，左右两端由于碰撞造成的最大轴力分别是不考虑碰撞时轴力的10.9倍和9.5倍，易导致梁端部混凝土发生受压破坏。同时发现，1#桥墩墩顶的弯矩、剪力、位移峰值均变化较小，表明碰撞对本桥桥墩产生的影响不是很大。