伸缩缝间距对高墩连续刚构桥碰撞效应的影响

摘要：以西南山区某一高墩连续刚构桥梁为例，利用OpenSees建立全桥有限元模型，利用接触单元法建立桥跨空间结构碰撞计算模型， 探讨了伸缩缝间距对算例桥梁碰撞的和地震响应的影响。结果表明：伸缩缝间距会对高墩连续刚构桥的位移、墩底弯矩、碰撞力和碰撞次数产生显著影响;随着伸缩缝间距越大，梁端的相对位移增大，梁端加速度变化无明显规律，碰撞力和碰撞次数均会降低。

Abstract： Taking a high-pier continuous rigid-frame bridge in the southwest mountainous area as an example， the finite element model of the full bridge was established by using OpenSees， the collision calculation model of the spatial structure of the bridge was established by using the contact element method， and the effect of expansion joint spacing on the bridge collision and seismic response in the example was discussed. The results show that the expansion joint spacing will have a significant impact on the displacement， bending moment， impact force and number of collisions of the high-pier continuous rigid frame bridge; as the expansion joint spacing increases， the relative displacement of the beam end increases， there is no obvious rule of the beam end acceleration changes， and the collision force and the number of collisions will be reduced.

關键词：地震作用;连续刚构;碰撞效应;非线性时程法

Key words： earthquake action;continuous rigid frame;collision effect;nonlinear time history method

中图分类号：U448.23                                    文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）22-0159-04

0  引言

我国西南地区是地震多发区，而地震发生时，桥梁结构处主梁-桥台的碰撞的现象不容忽视，这引起了国内外学者对于桥梁碰撞的广泛研究，比如2008年我国四川省汶川地震中不少桥梁由于主梁移位过大发生了碰撞，过于严重甚至会导致落梁[1]，1995年日本Hanshin高速公路的桥梁地震中产生较大的主梁位移，从而导致主梁在伸缩缝处发生了碰撞[2]，位于西南山区高烈度区的某高墩连续刚构桥梁，其自振周期较大，体系较柔，地震效应可能更加显著，本文以某高烈度山区高墩连续刚构桥梁为例，采取接触单元法，探讨了伸缩缝间距对高墩连续刚构桥梁主梁位移、墩底弯矩、桥台和主梁间的碰撞力和碰撞次数的影响。

1  桥梁有限元模型

利用OpenSees建立的全桥有限元模型中，地震动荷载作用下，梁体通常处于弹性状态，因此文中未考虑梁体的非线性损伤，采用弹性梁单元（Elastic Beam Column Element）模拟主梁;墩体采用基于柔度法的纤维单元（Nonlinear Beam Column Element）模拟;桥墩底部采用集中土弹簧模拟;桥台固结简化处理，纵向活动盆式支座采用理想弹塑性材料（Steel01）模拟，取值可以从《公路桥梁抗震设计细则》[3]查询。

由于Hertz-damp模型并不好在实际中应用，算例采用Hertz-damp简化模型来模拟主梁-桥台之间的碰撞效应。所以采用Muthukumar[4]提出的简Hertz-damp模型，简化后的碰撞力和位移曲线如图1所示。

Hertz-damp理论模型如下所示：

式中，Kh为碰撞模型弹簧刚度系数，ch为阻尼系数，uj和ui分别为相邻结构的相对位移，gp为相邻结构的初始间隙，n为Hertz系数，典型值取3/2。

假设两个模型的碰撞力峰值Fm相等，可以得出简化模型的等效刚度为：

Kh为 Hertz-damp理论模型碰撞刚度，其值可为碰撞结构的轴向刚度（EA/L）[5，6];δm为碰撞发生时两接触面的最大穿透位移。等效刚度Keff还可以用Kt1和Kt2确定：

简化模型的曲线面积AS可以用初始刚度Kt1，应变硬化刚度Kt2、屈服位移δy以及最大入侵位移δm表示：

假设简化模型所围成的面积AS和碰撞过程中的能量消散ΔE相等，其中ΔE可近似表示为：

e为与接触材料相关的恢复系数，屈服位移δy与最大入侵位移δm的关系可以表达为：

式中，a为屈服参数，典型取值为0.1。通过式（2）～式（6），简化模型的刚度参数可以写成如下形式：

根据式（1）～式（6），文中各特征参数取值：碰撞刚度Kh=EA/L=1.619×106kN/m3/2;Hertz系数为3/2;回归系数e=0.65;最大侵入位移δm=25.4mm;屈服系数a=0.1;屈服位移δy=2.54mm;Keff=2.58×105kN/m;初始刚度Kt1=8.5×105kN/m;应变强化Kt2=1.9×105kN/m。

2  天然地震波输入

本文采用非线性时程分析方法对算例桥梁进行分析，选取了符合桥址条件的三条地震波作为模型的地震波输入，3条天然地震波的具体信息如表1，本文将3条地震动的峰值加速度都调到0.4g。本文全桥的阻尼模型采用瑞利阻尼，取值为0.05。地震动输入方向只考虑纵向输入。

3  伸缩缝间对桥梁地震响应及碰撞效应结果的影响

梁端伸缩缝分别取5cm、8cm、11cm、14cm、17cm、20cm来分析伸缩缝间距对桥梁地震响应和碰撞效应的影响。

从图2～图6可以看出：伸缩缝间距由5cm增加到20cm这个过程，伸缩缝间距增大导致了主梁位移空间增大，所以左侧梁端相对位移在增大;1#墩墩底的弯矩峰值随着主梁位移的增加也在增大，在3条地震波作用下分别从280311kN·m、210446kN·m、198908kN·m增加到287547kN·m、315976kN·m、237283kN·m，分别增大了2%、33%、16%，这也反映了地震动的不同对结构地震响应影响是比较大的。梁端加速度变化无明显规律;这说明梁端加速度对伸缩缝间距并不敏感。在伸缩缝间距从5cm增加到20cm这个过程，桥梁碰撞次数逐渐减少，在三条地震波作用下分别从9次、10次、13次减少到7次、3次、2次，同时碰撞力的峰值也是逐步变小，分别降低了35%、12%、30%。

由图7～图12可以看出，伸缩缝从5cm增加到20cm，碰撞力逐渐变小，碰撞过程持续时间基本无变化，不超过1s，且没有改变最大碰撞力的发生时间，在实际工程中除了要满足桥梁温度效应的伸缩缝间距外，还应合理考虑地震发生时伸缩缝间距对主梁和桥台的碰撞的影响，以免造成梁端混凝土的剥落和破损以及对桥台背墙的不利影响。

4  结论

利用OpenSees建立全橋的有限元模型并且进行非线性时程分析，可以得到以下结论：

①在地震动作用下，伸缩缝距离的增长从而导致了主梁的相对位移增大，且梁端加速度变化无明显规律，这说明梁端加速度对伸缩缝间距变化并不敏感。发生在主梁和桥台间的碰撞力和碰撞次数逐步下降，某种程度上这对防止桥梁构件损坏是有利的。

②本文采用考虑更为全面的Hertz-damp简化模型进行分析，分析了连续刚构桥伸缩缝间距对主梁位移、桥墩弯矩、碰撞次数以及碰撞力大小的影响，这可以为相似类型桥梁的分析给与一定参考。

③为了减少桥梁碰撞所可能造成的损坏，考虑到行车舒适感，一味通过增大伸缩缝间距并不可取，可以通过相应减隔振措施来减轻桥梁碰撞可能导致的不利后果。

参考文献：

[1]李乔，赵世春.汶川大地震工程震害分析[M].成都：西南交通大学出版社，2008.

[2]Earthquake Engineering ResearchInstitute（EERI）. TheHygo-ken Nanbu Earthquake of January 17， 1995-reliminary Reconnaissance Report[R]. Oakland， CA：EERI，1995.

[3]JTG/T B02-01-2008，公路桥梁抗震设计设计细则[S].2008.

[4]Muthukumar S. A Contact Element Approach with Hysteresis Damping for the Analysis and Design of Pounding in Bridges[J]. Georgia Institute of Technology， 2003.

[5]Maison B F， Kasai K. Analysis for type of structural pounding[J]. Journal of Engineering Mechanics-ASCE.1990， 116（4）： 957-977.

[6]Maison B F， Kasai K. Dynamics of pounding when 2 buildings collide[J]. Earthquake Engineering and Structural Dynamics. 1992， 21（9）： 771-786.

作者简介：刘桂权（1967-），男，湖南株洲人，本科，中级职称，研究方向为公路桥梁与隧道。