斜度对公路简支斜交梁桥碰撞效应的影响

刘发水

(福州市公路局 福建福州 350002)



斜度对公路简支斜交梁桥碰撞效应的影响

刘发水

(福州市公路局 福建福州 350002)

以单跨简支公路斜交梁桥为研究对象，以改进的单梁法与改进的桥台模拟方式建立单跨公路简支斜交梁桥有限元分析模型。探讨了单跨简支公路斜交简支梁桥斜度变化对主梁与桥台间碰撞效应的影响。研究结果表明：仅考虑纵向碰撞时，随着斜度的增大，横向位移先增大再减小，梁体最大转角呈现先增大后减小的变化规律；而双向碰撞时，斜度对梁体横向位移的影响很小；随着斜度的增大纵向位移逐渐减小，当斜度为60°时相比直桥纵向位移减小约50%，桥台最大反力与挡块最大反力没有一定的规律性，不同的地震动差异较大。

斜交梁桥；碰撞效应；斜度；有限元模拟

0 引言

至20世纪70年代美国圣费尔南多地震中斜交角度为60°Foothill Boulevard立交桥出现严重震害后，陆续开展了针对公路斜交梁桥地震反应特点尤其是因碰撞引起的结构破坏研究。有研究表明，斜交梁桥之所以会出现比直线梁桥更为严重的震害，其根本原因在于在地震作用下斜交梁桥的主梁在发生纵横向位移的同时伴有梁体的平面转动，该平面转动的一个主要诱因即为主梁与相邻结构物之间的碰撞[1]。截止目前，针对斜交梁桥碰撞效应对结构地震反应的影响进行了初步探讨[2-8]，但时至今日，在2008年汶川地震，2010年治理地震中，仍可见不同斜度的公路斜交梁桥在地震作用下因碰撞而引发的严重震害。由此可知，虽然公路斜交梁桥因上部结构碰撞对地震震害有所影响方面有了初步的认识，但针对碰撞效应对结构地震反应的影响程度尚未得到明确。

因此，本文以单跨公路简支斜交梁桥为研究对象，利用改进的桥台及主梁模拟方式，针对公路斜交梁桥在地震作用下的碰撞效应分析进行研究探讨。

1 数值分析模型的建立及输入地震动的确定

1.1 数值分析模型的建立

本文利用OpenSees有限元分析程序建立了单跨公路简支斜交梁桥的实桥模型，模型如图1所示。该模型跨径25m、桥宽8.6m、梁高2m，采用改进单梁模型[9]即端横梁刚度为实际端横梁刚度的2倍；主梁质量采用单梁与两端各分担一半的方式进行分配予以模拟，如图1所示。

数值分析模型中桥台采用改进的模拟方式进行模拟，具体方式如下：

(1)桥台台背碰撞单元用OpenSees中的impact material材料，恢复力模型如图2所示；

(2)采用truss单元代替传统的零长度单元，增加纵向碰撞单元来同时考虑两端与刚性桥台之间的碰撞与摩擦力作用，模型如图3所示。

支座形式为板式橡胶支座，采用弹簧予以模拟；桥台与主梁之间采用非线性滑移单元连接，主梁和横向挡块之间设置碰撞单元。

1.2 碰撞单元的模拟

本文采用Susendar Muthukumar[10]提出的Hertz-damp模型来模拟碰撞。其模拟方式采用双折线形式，具体模型如图2所示。

碰撞中能量损失为：

(1)

式中，kh为主梁刚度，取值为EA/L；n取1.5；e定义为恢复系数，取值范围为0.6～0.8；δm为碰撞过程容许的最大的穿透位移，Keff为有效刚度；各参数取值为：

(2)

δy=aδm

(3)

(4)

(5)

各参数取值见表1所示。

表1 碰撞单元参数以及对应取值

1.3 防撞挡块的模拟

模型中横向挡块采用纤维梁单元模型建立。碰撞采用和改进桥台模型中相同的碰撞单元即利用碰撞材料impactmaterial与truss单元模拟梁体与桥台间的横向挡块并考虑挡块的破坏。

据此，本文建立的数值分析模型如图4所示。

1.4 地震动输入的确定

本文选择四类场地各3条地震动记录作为输入地震动。具体选取地震动情况见表2。并且按照1∶1∶0.65沿桥梁三向同时输入。

表2 选用的地震动记录

2 斜度影响分析

斜度是斜交梁桥区别直线桥最重要的结构参数特征。本文分析了在四类场地波作用下单跨斜交简支斜交梁桥主梁的纵向最大位移、横向最大位移、主梁最大转角、主梁分别与桥台与挡块之间的最大碰撞力等结构地震反应随斜度变化的规律，分析结果见图5～图9。斜度变化区间为0°～60°。

2.1 主梁横向位移

图5绘出了不同场地条件下主梁横向位移随斜度变化的规律。

由图5可知：是否设置横向挡块对主梁横向位移的影响较大。不考虑横向挡块时梁体横向最大位移可以达600mm，而考虑横向挡块时梁体横向位移基本在50mm左右，横向挡块在限制梁体横向位移起到积极的作用；仅考虑纵向碰撞时，除Ⅱ-1地震动外，在其它地震动作用下主梁横向位移均呈现相似变化趋势,即随着斜度的增大，横向位移先增大再减小，当斜度为15°时达到最大值；而双向碰撞时，斜度的变化对主梁横向位移的影响较小。

2.2 主梁纵向位移

图6分析了在不同碰撞情况下斜度对单跨简支斜交梁桥主梁纵向位移随斜度的变化规律。

由图6可知，在四类场地作用下，横向挡块对主梁纵向位移的影响规律基本一致，并且随着斜度的增大纵向位移逐渐减小，当斜度为60°时，相比直桥，纵向位移减小约50%。

2.3 主梁转角位移

图7给出了4种场地条件下梁体最大转角随斜度变化的规律。

由图7可知，不考虑横向挡块时，随着斜度的增大，梁体最大转角呈现先增大后减小的变化规律，且当斜度为15°时梁体转角最大；与考虑横向挡块的情况相比，不考虑横向约束情况下梁体转角平均值增大约50%～200%，可见横向挡块对单跨斜交梁桥旋转具有重要影响，能起到很好的横向限位作用，不考虑它的作用将严重高估梁体的旋转效应。

2.4 桥台碰撞力

图8分析了四类场地条件下单跨斜交梁桥桥台最大返利随斜度变化的规律。

从图8可以看出，伴随斜度的增大，桥台最大反力曲线没有一定的规律性，不同的地震动差异较大。

2.5 挡块碰撞力

图9分析了单跨斜交梁桥桥台挡块反力随斜度变化规律。从图9可以看出，伴随斜度增大桥台挡块反力曲线没有一定的规律性，不同的地震动差异较大。

3 结论

(1)仅考虑纵向碰撞时，几乎所有地震动作用下都有相似的趋势。随着斜度增大，横向位移先增大再减小，而双向碰撞时，斜度对梁体横向位移影响很小。

(2)有无横向挡块时主梁纵向位移值基本一致，并且随着斜度的增大纵向位移逐渐减小，当斜度为60°时相比直桥纵向位移减小约50%。

(3) 仅考虑纵向碰撞时，随着斜度增大，梁体最大转角呈现先增大后减小的变化规律。

(4)伴随斜度增大，桥台最大反力与挡块最大反力没有一定的规律性，不同的地震动差异较大。

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Influence of skewness to collision effect of simple-supported highway skewed bridges

LIUFashui

(Highway bureau of Fuzhou City,Fuzhou 350002)

This paper focus on the collision effect of skewed bridges under the earthquake motion. The single span simply-supported highway skewed bridge was taken as the research objective. The impact of skewness on collision was discussed by FEA based on the modified simulation methods of beam and abutment. The results show that displacement of lateral and maximum rotary angle of girder are increase first and then decrease with the increasing of skewness. However,it has little impact on lateral displacement when the motion was input in two directions,and the longitudinal displacement is declined and reached the largest value of 50% at the skewed degree is 60,otherwise,there are less obviously regularity of the max force for abutment and baffle plate.

Skewed bridges; Collision effect; Skewness; Finite elelment analysis

刘发水(1966.3- )，男，高级工程师。

E-mail:mumuxiaozi@qq.com

2016-08-31

U4

A

1004-6135(2016)11-0065-05

基金编号：福建省交通运输科技发展项目(201231)