高震區(qū)大跨鋼-混結(jié)合梁斜拉橋縱向碰撞效應(yīng)研究*

何雄君 楊 陽 何 佳 張 晶 肖 祥

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1) 武漢 430063) (三峽大學(xué)土木與建筑學(xué)院2) 宜昌 443000)

高震區(qū)大跨鋼-混結(jié)合梁斜拉橋縱向碰撞效應(yīng)研究*

何雄君1)楊 陽1)何 佳2)張 晶1)肖 祥1)

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1)武漢 430063) (三峽大學(xué)土木與建筑學(xué)院2)宜昌 443000)

針對西部山區(qū)強震作用下斜拉橋主橋與引橋間可能發(fā)生的碰撞現(xiàn)象，以西固黃河大橋為工程背景，對地震作用下大跨高墩鋼-混結(jié)合梁斜拉橋主、引橋梁體之間的碰撞效應(yīng)進行分析，重點探討了碰撞效應(yīng)下主塔、橋墩、主梁與引橋等結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，并結(jié)合不同的塔-梁連接方式對橋梁縱向布置進行優(yōu)化設(shè)計.結(jié)果表明，強震作用下主橋和引橋相鄰梁之間易產(chǎn)生碰撞，碰撞效應(yīng)對橋塔內(nèi)力、主梁位移的影響不大，但對引橋橋墩內(nèi)力、梁體位移以及伸縮縫處的相對位移影響較大，引橋橋墩和梁體容易發(fā)生破壞；阻尼減震體系不僅可以減小主梁梁端位移，而且可以顯著減小主塔及其基礎(chǔ)地震響應(yīng)，是最合理的縱橋向抗震結(jié)構(gòu)體系.

大跨斜拉橋；鋼-混結(jié)合梁；強震作用；碰撞效應(yīng)

0 引 言

我國西部地區(qū)地形和水文條件非常復(fù)雜，橋梁多為高墩結(jié)構(gòu).同時西部還屬于高烈度地震多發(fā)區(qū)域，而強震作用下引起的梁端大位移將導(dǎo)致相鄰梁間的碰撞，還可能產(chǎn)生落梁破壞.地震中由碰撞效應(yīng)引起的橋梁落梁或結(jié)構(gòu)破壞時常發(fā)生，如美國舊金山-奧克蘭海灣大橋、日本西宮港大橋及我國灤河橋均是因為地震引起的主橋與引橋之間的碰撞導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效破壞[1-6].

大量學(xué)者對橋梁相鄰梁間的碰撞效應(yīng)進行分析，Sayed等[7]對行波效應(yīng)下多跨連續(xù)梁橋相鄰梁間的碰撞進行了研究；Hong等[8]分析發(fā)現(xiàn)相鄰梁基頻近似時，地面運動產(chǎn)生的空間效應(yīng)是產(chǎn)生相對位移的重要影響因素；王軍文等[9-10]探討了地震作用下行波效應(yīng)對等墩高多跨連續(xù)梁橋碰撞反應(yīng)的影響并總結(jié)了一系列防落梁措施；鄧育林等[11]對斜拉橋模擬分析發(fā)現(xiàn)碰撞效應(yīng)會較大增長引橋地震力、梁端位移及伸縮縫處相對位移的需求值.目前對于高墩大跨鋼-混結(jié)合梁斜拉橋的抗震性能研究較少，但是鋼-混結(jié)合梁斜拉橋主橋與引橋之間動力特性差異較大，地震下縱向?qū)a(chǎn)生非同向振動,因此，高墩大跨鋼-混結(jié)合梁斜拉橋的縱向抗震性能研究，減少或者避免結(jié)構(gòu)落梁或破壞，對提升大跨橋梁結(jié)構(gòu)防災(zāi)減災(zāi)能力具有指導(dǎo)性作用.

為研究西部高震區(qū)高墩大跨鋼-混結(jié)合梁斜拉橋在地震作用下橋梁縱向體系的各項規(guī)律，以蘭州西固黃河大橋為工程背景，采用SAP2000有限元軟件建立大跨鋼-混結(jié)合梁斜拉橋空間有限元模型，探討了相鄰梁之間的碰撞效應(yīng)對大跨鋼-混結(jié)合梁斜拉橋地震響應(yīng)的影響以及減小碰撞效應(yīng)和梁體相對位移的措施.

1 橋梁概況及計算模型

1.1 橋梁構(gòu)造

西固黃河大橋為高震區(qū)高墩大跨鋼-混結(jié)合梁斜拉橋，全長1 003 m，其主橋橋面寬27.5 m，引橋橋面寬24.5 m，主橋跨徑及規(guī)模位于甘肅省第一位.橋跨布置為2×40 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁(南岸引橋)+(177 m+360 m+177 m)結(jié)合梁斜拉橋+5×40 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁(北岸引橋)，主塔釆用鋼筋混凝菱形塔，南塔塔高為151 m，北塔塔高為147 m，上塔柱高為84 m，南塔下塔柱高67 m，北塔下塔柱高63 m.

1.2 模型建立

本文利用SAP2000有限元軟件建立橋梁空間結(jié)構(gòu)的有限單元研究其抗震性能.以順橋向為x軸，橫橋向為y軸，豎向為z軸建立動力反應(yīng)分析模型，見圖1.

圖1 西固黃河大橋有限元模型

斜拉橋主梁、橋塔和墩柱選用空間梁單元模擬，整體選用魚骨式模型，拉索選用僅受拉的空間桁架單元.鑒于拉索的垂度效應(yīng)，利用Ernst公式對斜拉索彈性模量進行修正，主梁的節(jié)點與拉索錨固點選用主從關(guān)系來考慮恒載作用對結(jié)構(gòu)剛度的影響(P-Δ效應(yīng)).樁基采用在最大沖刷線處截斷并附加單點集中彈簧模型，該模型沖刷線以上的樁按實際情況用梁單元模擬，然后在每個樁截段加一個單點彈簧來考慮沖刷線下土對沖刷線以上樁的約束作用.彈簧為6×6的矩陣，土彈簧的剛度為沖刷線下埋置于土中的樁頂靜力剛度.

1.3 結(jié)構(gòu)動力特性

斜拉橋的橋梁跨度、塔梁連接方式、主梁的截面形狀與材料、斜拉索的縱橫向布置、橋塔的形狀和材料、以及輔助墩的數(shù)目與位置等，都會影響其動力特性.西固黃河大橋縱向采用了半漂浮體系，第一振型為縱飄振型，周期為4.78 s，由于橋梁的寬跨比較小，故一階對稱側(cè)彎振型出現(xiàn)的也比較早；橋梁第四階振型為塔柱側(cè)彎振型，頻率值為0.5 Hz.

1.4 地震波選擇

西固黃河大橋的基本地震動峰值加速度0.2g，場地條件Ⅱ類，特征周期Tg=0.4 s.考慮地震波的隨機性，采用規(guī)范反應(yīng)譜作地震動加速度反應(yīng)譜，取50年2%超越概率下的加速度反應(yīng)譜作為水平地震荷載，豎向地震荷載取水平地震荷載的65%.利用反應(yīng)譜轉(zhuǎn)人工波程序SIMQKE_GR將上述概率水準下的水平加速度反應(yīng)譜規(guī)范加速度反應(yīng)譜轉(zhuǎn)化為人工地震波，利用時程分析法進行大跨斜拉橋縱向抗震分析.

2 主橋-引橋間碰撞效應(yīng)

為準確模擬斜拉橋伸縮縫處相鄰梁之間的碰撞，在橋梁伸縮縫處設(shè)置接觸碰觸單元，見圖2.

圖2 碰撞單元

接觸碰撞單元采用Kelvin碰撞模型，即選擇由剛度為kk的線性彈簧和阻尼器ck并聯(lián)的碰撞模型對相鄰梁間的碰撞進行模擬，梁體間的接觸力表達式為

(1)

根據(jù)能量守恒定律，阻尼系數(shù)ck和恢復(fù)系數(shù)e間的關(guān)系表達式為

(2)

(3)

式中：m1和m2分別為兩剛體的質(zhì)量;kk取碰撞中較短梁的軸向剛度；初始間隙gp取不考慮碰撞效應(yīng)時橋梁相鄰梁之間的最大靠近位移(記作Δmax)的30%,50%,70%，對于混凝土間碰撞的恢復(fù)系數(shù)e取0.65.

3 主-引橋碰撞效應(yīng)分析

3.1 伸縮縫處的碰撞力響應(yīng)

圖3為在三條地震波縱向作用下，南端主、引橋伸縮處相鄰梁體間碰撞產(chǎn)生的碰撞力峰值比較.

圖3 橋梁伸縮縫處碰撞力響應(yīng)

由圖3可知，地震作用下伸縮縫處主橋與引橋相鄰梁體之間的碰撞將引起非常大的撞擊力.No.3地震波作用下，最大碰撞力達到22 MN，這種撞擊力不僅會造成碰撞接觸部分的局部損壞，并且將會增大主橋和引橋結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng).同時，在不同地震波作用下，撞擊力峰值響應(yīng)與初始間隙gp之間的變化關(guān)系也比較復(fù)雜，可見碰撞問題是一個比較復(fù)雜的非線性問題.

3.2 碰撞效應(yīng)對主塔反應(yīng)的影響

圖4為三條地震波縱向作用下，南北兩端主橋和引橋相鄰梁之間碰撞對橋塔地震響應(yīng)的影響，縱坐標相對比值為考慮和不考慮碰撞效應(yīng)下結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的比值.

圖4 主塔截面內(nèi)力比值

在No.3地震波作用下，gp=0.5Δmax時，南塔塔底截面剪力值增幅最大為21%，彎矩值增幅最大為15%；當gp=0.7Δmax時，北塔塔底截面剪力值增幅最大為13%，彎矩值增幅最大為14%.分析可知在不同地震波作用下，同一截面的不同內(nèi)力分量，碰撞效應(yīng)的影響不相同，且與初始間隙gp之間的變化關(guān)系也比較復(fù)雜.因此，盡管三條地震波的頻譜特性一致，但碰撞效應(yīng)卻有較大差異.

3.3 碰撞效應(yīng)對引橋橋墩地震反應(yīng)的影響

圖5為在三條地震波縱向作用下，南北兩端主橋與引橋相鄰梁之間碰撞效應(yīng)對橋墩地震響應(yīng)的影響，其中，南側(cè)引橋為1號橋墩，北側(cè)引橋為9號橋墩.

圖5 引橋橋墩內(nèi)力比值

當橋梁處于No.3地震波作用下，gp=0.5Δmax時，南側(cè)引橋橋墩剪力值增幅最大達到42%，彎矩值增幅最大達到52%，故碰撞效應(yīng)對引橋的影響十分顯著；北側(cè)引橋橋墩地震反應(yīng)處于減小趨勢，而南側(cè)引橋橋墩考慮碰撞效應(yīng)可能增大地震反應(yīng)，可能減小地震反應(yīng).同時在不同地震波以及初始間隙gp下，碰撞效應(yīng)對橋梁地震反應(yīng)也存在較大差異.因此，在引橋抗震設(shè)計過程中應(yīng)對引橋橋墩的抗震性能予以重視.

3.4 碰撞效應(yīng)對主、引橋梁端位移的影響

圖6為在三條地震波縱向作用下，南北兩端主、引橋相鄰梁體間碰撞對主橋和引橋梁兩端地震位移響應(yīng)的影響.

圖6 梁端位移比值

由圖6可知，碰撞效應(yīng)總體上減小主梁位移反應(yīng)，故碰撞效應(yīng)有利于主梁位移響應(yīng)；而碰撞效應(yīng)將會增大或者減小南側(cè)引橋梁端的位移響應(yīng)，基本減小北側(cè)引橋梁端響應(yīng).當橋梁處于No.3地震波作用下，gp=0.3Δmax時，南側(cè)引橋梁端增幅最大達到38%；gp=0.5Δmax時，南側(cè)引橋梁端增幅達到31%，因此碰撞效應(yīng)對引橋的影響十分顯著，應(yīng)該適當調(diào)整主橋和引橋之間的位移關(guān)系或在碰撞處安裝沖擊傳遞裝置.

3.5 碰撞效應(yīng)對相對位移的影響

圖7為在三條地震波縱向作用下，碰撞效應(yīng)對伸縮縫、主梁-過渡墩以及引梁-過渡墩處相對位移響應(yīng)的影響.

圖7 梁端相對位移比值

由圖7可知，在伸縮縫處的主梁主梁-引梁和主梁-過渡墩相對位移比值基本維持在1.0左右，因此，相鄰梁間的碰撞效應(yīng)對主、引梁和主梁與過渡墩間的相對位移影響不大，但是在No.1地震波作用下，南側(cè)引橋梁端相對位移有一定的增幅，因此對南側(cè)引橋主梁-引梁和主梁-過渡墩處地震響應(yīng)進行重視.由于結(jié)構(gòu)形式以及動力特性差異，引梁-過渡墩相對位移響應(yīng)非常明顯，其中北側(cè)伸縮縫處引梁-過渡墩相對位移均處于增大范圍，且最大增幅達到初始值的2.3倍左右；南側(cè)引梁-過渡墩相對位移與北側(cè)相比較為穩(wěn)定，但其最大增幅幾乎達到初始值的1.6倍.因此，碰撞效應(yīng)對引梁-過渡墩相對位移的影響十分顯著，應(yīng)當重視引梁的搭接長度設(shè)計.

4 縱向阻尼減震體系

以上分析表明，主梁的梁端縱向位移較大，易引起伸縮縫處主、引橋相鄰梁體間的碰撞且主塔、輔助墩以及過渡墩截面內(nèi)力有所增加，對結(jié)構(gòu)的縱向抗震非常不利.同時，蘭州西固大橋上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量比一般鋼箱梁大，且主梁在過渡墩、輔助墩頂部可自由縱向滑動，導(dǎo)致在縱向地震作用下，橋面系的地震慣性力大，主塔及其基礎(chǔ)的地震反應(yīng)較大.基于此，綜合考慮各項塔-梁連接方式，使結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)都處于較低水平，以尋求合理的縱向抗震結(jié)構(gòu)體系.

本文選取了半漂浮體系、漂浮體系、固定鉸支承、彈性約束以及縱向阻尼器這五種結(jié)構(gòu)體系進行分析.表1～4列出了地震作用下各體系的反應(yīng)與半飄浮體系的反應(yīng)比值.

表1 位移反應(yīng)比值

表2 伸縮縫相對位移反應(yīng)比值

表3 主塔內(nèi)力反應(yīng)比值

表4 塔底基礎(chǔ)反力比值

由表1～2可知，漂浮與半漂浮體系的主塔塔頂、主梁梁端位移以及伸縮縫處相鄰梁體間的相對位移最大，極易導(dǎo)致伸縮縫損壞以及主橋與引橋伸縮縫處相鄰梁體間碰撞，有可能增大主橋和引橋結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，不利于結(jié)構(gòu)的抗震安全.因此，應(yīng)采取措施減小主梁梁端的位移.彈性約束體系，即塔-梁之間彈性索連接可有效減小關(guān)鍵節(jié)點位移、相對位移響應(yīng)；固定鉸支承體系，由于塔梁縱向約束，可顯著減小關(guān)鍵節(jié)點位移、相對位移響應(yīng)；此外，阻尼減震體系，即塔-梁之間設(shè)置阻尼器對減小關(guān)鍵節(jié)點位移、相對位移響應(yīng)也十分有效.

由表3可知，不種結(jié)構(gòu)體系的地震反應(yīng)差別非常大.當采用固定鉸支承體系，下塔柱底截面剪力較大比半飄浮體系增大了60%以上；上塔柱底截面剪力減小了40%左右，但彎矩增大了60%左右，可見，固定鉸支承體系對主塔下塔柱的地震響應(yīng)不利.當采用彈性約束體系，南北塔下塔柱底截面剪力分別比半飄浮體系增大了24%和33%，上塔柱截面受力有利，故彈性約束體系對主塔下塔柱的地震響應(yīng)不利.阻尼減震體系可有效減小上塔柱和下塔柱的剪力和彎矩響應(yīng)，減小幅度均達到40%以上.因此，阻尼減震體系可以有效地減小主塔塔柱的地震響應(yīng).

由表4可知，采用固定鉸支承體系，塔柱基礎(chǔ)剪力和彎矩分別比半飄浮體系增大了16%和20%；采用彈性約束體系，對主塔基礎(chǔ)的影響不大；但采用阻尼減震體系，基礎(chǔ)響應(yīng)分別比半飄浮體系減小接近15%和50%.因此，阻尼減震體系可有效減小主塔基礎(chǔ)響應(yīng).

結(jié)果表明，蘭州西固黃河大橋縱橋向結(jié)構(gòu)抗震體系如采用飄浮、半飄浮體系，對主梁梁端位移控制不利；如采用彈性約束體系、固定鉸支承體系，可有效減小主梁位移，但對主塔及其基礎(chǔ)地震響應(yīng)不利；阻尼減震體系不僅可以減小主梁梁端位移，而且可以顯著減小主塔及基礎(chǔ)地震響應(yīng).因此，對于本大跨鋼-混結(jié)合梁斜拉橋，阻尼減震體系是最合理的縱橋向抗震結(jié)構(gòu)體系.

5 結(jié) 論

1) 大跨鋼-混結(jié)合梁橋主橋和引橋的結(jié)構(gòu)體系不一致，動力特性差異比較大.在強震作用下相鄰梁之間極易產(chǎn)生碰撞效應(yīng)，碰撞效應(yīng)將會導(dǎo)致極大的撞擊力，這類撞擊力不僅會造成碰撞接觸部分的破壞，并且將會增大橋梁的地震響應(yīng)，故在抗震設(shè)計時應(yīng)計入碰撞效應(yīng).

2) 碰撞效應(yīng)對主塔控制截面以及基礎(chǔ)地震響應(yīng)有一定影響，在不同地震波作用下和不同的初始間隙條件下，對主塔控制截面和引橋橋墩截面的內(nèi)力影響規(guī)律不相同，兩者均有一定的增幅，但由于引橋結(jié)構(gòu)形式與動力特性的差異，其橋墩截面剪力值增幅最大達到42%，彎矩值增幅最大達到52%，故碰撞效應(yīng)對引橋的影響十分顯著，對引橋橋墩的抗震性能需要予以重視.

3) 碰撞效應(yīng)總體上可以減小主梁位移，故碰撞效應(yīng)有利于主梁位移響應(yīng)，且對主梁伸縮縫處的相對位移影響不大；引梁-過渡墩相對位移響應(yīng)非常明顯，其中北側(cè)伸縮縫處引梁-過渡墩相對位移最大增幅達到初始值的2.3倍；南側(cè)伸縮縫處引梁-過渡墩最大增幅達到初始值的1.6倍左右.因此，碰撞效應(yīng)對引梁的位移以及相對位移的影響十分顯著，應(yīng)當重視引梁的搭接長度設(shè)計.

4) 對于本文的高墩大跨鋼-混結(jié)合梁斜拉橋，采用阻尼減震體系不僅可以顯著減小主梁梁端位移，而且可以減小主塔及其基礎(chǔ)地震響應(yīng).因此，阻尼減震體系是最合理的縱橋向抗震結(jié)構(gòu)體系.

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Study on Pounding Effects between Large-span Cable-stayed Bridge and Its Approach Bridge in High Seismic Zones

HE Xiongjun1)YANG Yang1)HE Jia2)ZHANG Jing1)XIAO Xiang1)

(SchoolofTransportation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430000,China)1)(CollegeofCivilEngineering&Architecture,ChinaThreeGorgesUniversity,Yichang443000)2)

Since the pounding will occur in the cable-stayed bridge and its approach bridge, the impact of collision between the main and approach girders of Xigu Yellow River Bridge is analyzed. The collision effect of towers, piers and beams are mainly discussed and the optimal design of bridge is made by the different connections between tower and beam. The results show that the pounding can significantly amplify the seismic forces acting on piers of approach span and there are little effects on the stress of tower and the displacement of beam. However, there are great influences on the pier, beam and joint of approach span which will easily cause the girder falling. The damping system can not only reduce the displacement of beam end, but also can significantly reduce the seismic response of the main tower and foundation.

large-span cable-stayed bridge; steel-concrete hybrid beam; strong earthquake; pounding effect

2017-06-09

*國家自然科學(xué)基金資助項目(51178361)、甘肅省交通運輸廳科技項目(2016-74)資助

U442.55

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.04.005

何雄君(1966—)：男，教授，主要研究領(lǐng)域為橋梁狀態(tài)分析評估、壽命預(yù)測與技術(shù)改造