地震作用下周期比對伸縮縫碰撞響應(yīng)影響分析

姜楠

摘 要：針對地震作用下大跨徑斜拉橋碰撞響應(yīng)特點(diǎn)，基于主引橋周期比不一致而表現(xiàn)出的動(dòng)力特性差異，建立大跨斜拉橋三維有限元數(shù)值模型，采用非線性時(shí)程法分析主橋與引橋碰撞對全橋結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響。研究結(jié)果表明：不同周期比的相鄰梁體，在地震動(dòng)作用下產(chǎn)生的碰撞效應(yīng)不同。引橋單邊碰撞對橋梁結(jié)構(gòu)的碰撞反應(yīng)影響差別很大，與地震波的輸入方向相關(guān)，但碰撞對相鄰周期比大于0.6的斜拉橋與引橋的碰撞效應(yīng)影響幅度比較小。

關(guān)鍵詞：地震 梁橋 伸縮縫 碰撞響應(yīng) 地震波

中圖分類號(hào)：U442.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2018）03（a）-0000-00

橋梁結(jié)構(gòu)的碰撞問題作為影響橋梁結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)和抗震性能的一個(gè)重要因素[1-2]，究其原因可認(rèn)為是橋墩及基礎(chǔ)平面撓曲振動(dòng)在墩頂?shù)奈灰瞥^梁間伸縮縫寬度造成。而地震能量在土-橋傳遞過程受介質(zhì)差異會(huì)造成橋梁地震響應(yīng)特征值的不同，具體表現(xiàn)為周期比和梁墩剛度等不一致而表現(xiàn)出的動(dòng)力特性差異。王軍文等[1]對相鄰梁體的周期比、基本周期大小、相鄰聯(lián)的質(zhì)量比、伸縮縫間隙大小以及墩柱的彈塑性等因素進(jìn)行了分析，但僅對于結(jié)構(gòu)形式較簡單的梁橋分析，沒有考慮大跨徑斜拉橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對碰撞響應(yīng)的影響。鄧玉林等[5]提出主引橋極易發(fā)生碰撞，碰撞不僅會(huì)產(chǎn)生很大的撞擊，而且使引橋地震力需求、引橋梁端位移以及引橋梁體搭接長度需求有較大增長，但沒有考慮主引橋周期比這一影響地震碰撞反應(yīng)的主要因素。針對以上情況，本文主要分析地震作用下伸縮縫處碰撞響應(yīng)對大跨徑斜拉橋地震反應(yīng)的影響規(guī)律。

1 計(jì)算模型

計(jì)算模型中主橋?yàn)殡p塔面漂浮體系斜拉橋，其跨徑布置為45+67+416+67+45m，引橋?yàn)?×40m等截面預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)。建立由橋面、隔離減震支座和墩身組成的結(jié)構(gòu)動(dòng)力簡化模型。將每聯(lián)都簡化為單自由度振子，伸縮縫間隙均為gp。

為了模擬相鄰聯(lián)非同向振動(dòng)導(dǎo)致伸縮處的碰撞， 采用接觸單元模擬伸縮縫。碰撞剛度取較短主梁縱向剛度，恢復(fù)系數(shù) 取為1.0。接觸單元的非線性力—位移關(guān)系為：

式中，d為伸縮縫初始間隙，xs為伸縮縫處相鄰聯(lián)梁體的相對位移， 為接觸剛度。系統(tǒng)受到同樣的地震加速度，忽略沿橋梁縱向的地震動(dòng)空間變化。混凝土結(jié)構(gòu)的阻尼比取5%。三維有限元分析模型如圖1所示。

2 地震波輸入

本文選取表1的6條地震波作為縱向地震輸入荷載工況，橫向地震荷載取縱向地震荷載的0.85，豎向地震荷載取縱向地震荷載的0.65，并將每條地震波的加速度峰值調(diào)整到0.2g。

3 碰撞對結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響

記Mp和Mn分別為考慮碰撞與不考慮碰撞時(shí)的彎矩，Dp和Dn為考慮碰撞與不考慮碰撞時(shí)的位移峰值。圖2為左塔頂位移峰值比。從圖2可以看出：左引橋單邊碰撞使得塔頂位移增大，在T1/T2=0.3（引橋與主橋嚴(yán)重不同向振動(dòng)）時(shí)，使得左塔頂位移峰值達(dá)到最大值，增大幅度為84.2%，在T1/T2﹥0.4逐漸趨于穩(wěn)定

圖3為主橋左塔塔根彎矩峰值比。從圖3可以看出：左引橋單邊碰撞使得左塔根和右塔根處彎矩均增大；在周期比為0.9時(shí)對左塔根處的彎矩增大比較大，增大幅度為17.6%

圖4為主橋主梁碰撞端位移峰值比，從圖4中可以看出：左引橋單邊碰撞使得主橋左端、跨中和右端位移均增大，在T1/T2=0.5時(shí)達(dá)到最大，分別增大39.1%、35.2%和38.7%，隨著周期比的增大，碰撞效應(yīng)有所減弱并逐漸趨于穩(wěn)定。

4 結(jié)論

（1）單邊碰撞對橋梁結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)影響與地震波輸入方向有關(guān)系，地震波先經(jīng)過的橋跨結(jié)構(gòu)所引發(fā)的碰撞效應(yīng)更明顯。

（2）單邊碰撞情況下，在周期比T1/T2﹥0.6時(shí)，隨著周期比的增大，碰撞對橋梁結(jié)構(gòu)的位移以及主橋橋塔塔根處彎矩的影響逐漸減小并趨于穩(wěn)定。

（3）在進(jìn)行橋梁抗震設(shè)計(jì)時(shí)，引橋與斜拉橋的周期比大于0.6為宜。

參考文獻(xiàn)

[1] 王軍文，李建中，范立礎(chǔ).連續(xù)梁橋縱向地震碰撞反應(yīng)參數(shù)研究[J].中國公路學(xué)報(bào)，2005，18（4）：42-47.

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[4] 鄧育林，彭天波，李建中.強(qiáng)震作用下大跨斜拉橋伸縮縫處碰撞效應(yīng)的影響研究[J].振動(dòng)與沖擊，2011，30（6）：26-35.

[5] 高玉峰.考慮碰撞效應(yīng)的橋梁非線性地震反應(yīng)特性研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2007.