高墩剛構(gòu)橋與多跨引橋在地震作用的碰撞效應(yīng)分析

康圣雨 韓靜 杜林晉

現(xiàn)階段有關(guān)橋梁結(jié)構(gòu)碰撞效應(yīng)的研究很多，但針對(duì)大跨度連續(xù)剛構(gòu)與多跨簡支梁引橋的碰撞效應(yīng)研究較少?；诖?，文章以我國某山區(qū)的三跨連續(xù)剛構(gòu)典型大跨度橋?yàn)槔?，?duì)梁體發(fā)生碰撞的彈簧單元參數(shù)選取進(jìn)行分析，在一定范圍內(nèi)對(duì)彈簧剛度進(jìn)行變化取值，以確定最合適的彈簧剛度。通過分析引橋跨數(shù)的變化對(duì)梁體位移、梁體相對(duì)位移、碰撞力、墩頂位移和墩底彎矩的具體影響，獲取引橋個(gè)數(shù)的變化對(duì)碰撞效應(yīng)產(chǎn)生的規(guī)律。

地震效應(yīng); 碰撞; 彈簧剛度; 多跨引橋

U442.5+5?? A

[定稿日期]2021-08-30

[作者簡介]康圣雨（1990～），男，碩士，工程師，從事橋梁抗震加固設(shè)計(jì)工作。

根據(jù)以往學(xué)者的研究認(rèn)為，地震作用下相鄰跨的碰撞會(huì)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性能造成影響[1-3]?，F(xiàn)今，我國基于山區(qū)大跨橋梁的建設(shè)在面臨跨越各種障礙（江、河、溝谷等）時(shí)，有可能單邊引橋跨數(shù)較多，另一邊引橋跨數(shù)較少或者沒有，故正確選取主橋形式、跨度以及引橋跨數(shù)是相當(dāng)重要的。為了建立具有代表性的模型，本文考慮了多種情況，把模型模擬為單邊有引橋和雙邊有引橋的情況進(jìn)行對(duì)比分析研究。在多跨簡支梁的引橋跨數(shù)選擇恰當(dāng)時(shí)，既能保證主引橋在地震作用下的安全性同時(shí)，又能降低工程造價(jià)等優(yōu)點(diǎn)。

1 梁體碰撞模擬

很多相關(guān)學(xué)者分析研究了碰撞參數(shù)問題。在以前的文獻(xiàn)中[4]，有些學(xué)者將彈簧剛度取較大數(shù)值，從而引發(fā)數(shù)值計(jì)算的不穩(wěn)定的問題，最后計(jì)算得到的碰撞力大到不可想象[5]?？紤]到不能有過多的材料重疊，即施加彈簧單元后，碰撞時(shí)伸縮縫兩側(cè)節(jié)點(diǎn)的相對(duì)負(fù)位移是不能過多地超過縫的寬度，且后續(xù)的分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)彈簧剛度值大于梁體的軸向剛度時(shí)，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力反應(yīng)及位移變化不是很敏感，但同時(shí)考慮到在計(jì)算分析時(shí)彈簧剛度值不能太大，否則會(huì)引起數(shù)值上的不收斂，取k=2×108 kN/m進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)結(jié)果出現(xiàn)離散。

為了選取最為合理的彈簧單元?jiǎng)偠戎?，防止橋梁結(jié)構(gòu)的完全對(duì)稱，以引橋?yàn)檠芯繉?duì)象進(jìn)行分析，避免了左、右伸縮縫動(dòng)力響應(yīng)的相同。模型中作了適當(dāng)簡化[6]，即不考慮基礎(chǔ)以下樁基礎(chǔ)影響，直接在墩底作固結(jié)處理，并模擬了剛性橋臺(tái)。主、引橋連接處伸縮縫原始間距取為0.1 m。共取值8種剛度值作為研究：無碰撞、2×105 kN/m、4×105 kN/m、6×105 kN/m、8×105 kN/m、1×106 kN/m、2×106 kN/m、4×106 kN/m。

當(dāng)彈簧單元的剛度值發(fā)生變化時(shí)，會(huì)直接影響伸縮縫處梁體的相對(duì)位移的變化[7-8]，為探究各工況下碰撞響應(yīng)數(shù)據(jù)的變化情況，得到了如圖1所示結(jié)果。當(dāng)彈簧單元的剛度值變大時(shí)，伸縮縫處梁體相對(duì)位移會(huì)逐漸減小，并越來越接近于伸縮縫初始間隙。當(dāng)彈簧單元的剛度值與梁體的軸向剛度值接近時(shí)，得到的伸縮縫處梁體相對(duì)位移值依然會(huì)超出初始間距值，超出的數(shù)值反映了伸縮縫處梁端節(jié)點(diǎn)互相侵入的位移值[9]。圖2反映出碰撞力隨著彈簧剛度的增加而增大，當(dāng)彈簧剛度接近主梁的軸向剛度后，碰撞力值變化較平緩。圖3可以看出墩底彎矩值隨著彈簧剛度的不斷增加都呈現(xiàn)出先遞減后趨于平穩(wěn)的變化趨勢。

通過對(duì)各工況下橋梁結(jié)構(gòu)各響應(yīng)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，可以發(fā)現(xiàn)彈簧單元的剛度的取值或多或少對(duì)結(jié)構(gòu)體系的位移和內(nèi)力產(chǎn)生影響。在考慮碰撞時(shí)的主梁伸縮縫處梁體間的相對(duì)位移一般都比未考慮碰撞時(shí)的位移小很多。隨著彈簧單元?jiǎng)偠戎档闹饾u增加，伸縮縫在彈簧單元的剛度約束下，相對(duì)位移為越來越接近主、引橋連接處伸縮縫原始間距0.1 m，且碰撞力的最大值也會(huì)相應(yīng)的增加?？紤]碰撞時(shí)的主橋固定墩底的彎矩值一般都比未考慮碰撞時(shí)的彎矩值小，且隨著彈簧單元?jiǎng)偠戎档闹饾u增加，彎矩值會(huì)逐漸減小最后趨于平穩(wěn)。在彈簧剛度大于梁體軸向剛度的情況下大部分變化量不敏感。最后，模型的計(jì)算彈簧剛度還是與梁的縱向剛度一樣，即k=2×106 kN/m。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

本文以山區(qū)某三跨連續(xù)剛構(gòu)典型大跨橋梁為工程背景，并在此基礎(chǔ)上通過引入引橋的方式來研究主橋和引橋在地震作用下的碰撞效應(yīng)。該橋梁結(jié)構(gòu)的主橋采用（73+135+73） m預(yù)應(yīng)力混凝土變截面單箱單室連續(xù)剛構(gòu)橋，橋面寬度為10 m，主橋橋墩采用雙薄壁墩形式，且高度為80 m。為了便于研究，本文模擬山區(qū)溝谷中橋梁，過渡墩墩高為46 m，采用實(shí)心矩形截面。引橋交界墩為雙主墩，雙主墩間距4.5 m，墩底均固接。本文所有模型都有模擬橋臺(tái)，取用超大剛度值模擬剛性橋臺(tái)。針對(duì)不同的工況和參數(shù)探討，引橋的跨數(shù)和墩高都有不同。全橋結(jié)構(gòu)示意見圖4。

本文選取線性彈簧單元方法進(jìn)行分析模擬，該彈簧單元是由一個(gè)連接彈簧構(gòu)成的，當(dāng)N1和N2兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間相迎時(shí)的相對(duì)位移大于間隙單元的初始間隙值時(shí)，碰撞彈簧的剛度就激活發(fā)生作用。

2.2 引橋個(gè)數(shù)變化對(duì)碰撞效應(yīng)的影響

在實(shí)際工程中，地震作用下橋梁結(jié)構(gòu)的碰撞效應(yīng)會(huì)受到與其接觸的引橋結(jié)構(gòu)的影響，且引橋跨數(shù)的不同也會(huì)在一定程度上影響主梁的碰撞效應(yīng)，基于此，本文將對(duì)同一剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行不同引橋跨數(shù)下的碰撞效應(yīng)分析。分析的主要內(nèi)容包括不同引橋跨數(shù)下梁體縱向位移峰值對(duì)比情況、伸縮縫處梁端相對(duì)位移時(shí)程曲線、橋墩墩頂位移和墩底內(nèi)力響應(yīng)結(jié)果對(duì)比以及伸縮縫處典型的碰撞力時(shí)程曲線，通過上述相關(guān)對(duì)比結(jié)果以得到引橋跨數(shù)的變化對(duì)主梁碰撞效應(yīng)的具體影響情況。10種引橋布置情況如表1所示。

2.2.1 梁端位移結(jié)果分析

通過表2分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)單邊有引橋時(shí)，隨著引橋跨數(shù)的增加，梁體位移也會(huì)增加;從1跨變?yōu)?跨，位移增加量達(dá)到最大為6 cm;而當(dāng)從2跨增加到3跨時(shí)，位移增加量為3 cm，減少了一半;3跨變?yōu)?跨以及4跨變?yōu)?跨時(shí)，位移增加量基本在0～1 cm之間。當(dāng)雙邊都有引橋時(shí)，引橋跨數(shù)的增加，梁體左、右縫的位移值都呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢;從1跨引橋變?yōu)?跨引橋時(shí)，左、右縫位移變量最大，達(dá)到了4 mm，其他情況下位移變量都在0～2 mm之間;可見，雙邊引橋時(shí)，引橋跨數(shù)對(duì)梁體位移量的影響很小。在對(duì)比單、雙邊兩種情況下引橋跨數(shù)增加位移量的變化情況可知：梁體位移量呈現(xiàn)方向的變化趨勢，單邊引橋跨數(shù)的增加會(huì)導(dǎo)致梁體位移量增加;雙邊引橋跨數(shù)的增加會(huì)導(dǎo)致梁體位移量的減少。單邊引橋梁體位移的改變并不符合常理，這由于模型都模擬了剛性橋臺(tái)。當(dāng)單邊一跨時(shí)，剛性橋臺(tái)發(fā)揮較強(qiáng)作用，約束了梁體縱向位移，而當(dāng)跨數(shù)的逐漸增加，剛性橋臺(tái)作用慢慢消失，縱向約束逐漸減小，縱向位移出現(xiàn)增加趨勢。

2.2.2 梁體縱向相對(duì)位移結(jié)果分析

通過表3分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)單邊有引橋時(shí)，隨著引橋跨數(shù)的增加，梁體相對(duì)位移逐漸減小，但都在10 cm左右，變化幅度為1 cm以內(nèi)。當(dāng)雙邊都有引橋時(shí)：引橋跨數(shù)的增加，梁體左、右兩端相對(duì)位移處于十分穩(wěn)定的狀態(tài)，都在10 cm左右，變化幅度在1 mm左右。在對(duì)比單、雙邊兩種情況下引橋跨數(shù)增加梁體兩端相對(duì)位移量的變化情況可知：彈簧單元發(fā)揮作用，相對(duì)位移均在10 cm左右，且雙邊引橋相對(duì)單邊引橋而言，更為穩(wěn)定。

2.2.3 伸縮縫處碰撞力結(jié)果分析

通過對(duì)表4分析發(fā)現(xiàn)，單邊引橋情況下，引橋跨數(shù)的增加，伸縮縫碰撞力會(huì)逐漸減小。引橋跨數(shù)由1增至2時(shí)，碰撞力減小了8 660 kN。引橋跨數(shù)由2增至3時(shí)，碰撞力減小了15 092 kN。當(dāng)引橋跨數(shù)由3增至4以及4增至5時(shí)，碰撞力有微微的減小。

在雙邊引橋情況下，引橋跨數(shù)的增加，伸縮縫碰撞力會(huì)逐漸減小，且左伸縮縫碰撞力減小的幅度大于右伸縮縫碰撞力減小的幅度。引橋跨數(shù)由1增至5時(shí)，左伸縮縫碰撞力減小了3 475 kN，右伸縮縫碰撞力減小了114 kN。僅考慮伸縮縫處碰撞力大小時(shí)，雙邊引橋也比單邊引橋有利。有些特殊情況，只能修建單邊引橋時(shí)，3跨引橋是性價(jià)比最高的跨數(shù)。

3 結(jié)論

本文通過對(duì)同一剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行不同引橋跨數(shù)下的碰撞效應(yīng)分析，綜合考慮有限元模型的準(zhǔn)確性和合理性，建立了正確的梁體碰撞模型，主要分析了不同引橋跨數(shù)下梁體縱向位移峰值對(duì)比情況、以及伸縮縫處典型的碰撞力時(shí)程曲線，根據(jù)上述相關(guān)對(duì)比結(jié)果得到的主要結(jié)論如下：

（1）彈簧單元的剛度取值會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)體系的位移和內(nèi)力產(chǎn)生一定的影響，隨著剛度值的增加，碰撞處相對(duì)位移會(huì)逐漸減小，碰撞力的最大值會(huì)相應(yīng)地增大;當(dāng)彈簧剛度大于梁體軸向剛度時(shí)，結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）隨著單邊引橋跨數(shù)的增加，梁體的相對(duì)位移基本不受影響;當(dāng)單邊一跨時(shí)，剛性橋臺(tái)發(fā)揮較強(qiáng)作用，約束了梁體縱向位移，而當(dāng)跨數(shù)的逐漸增加，剛性橋臺(tái)作用慢慢消失，縱向約束逐漸減小，縱向位移出現(xiàn)增加趨勢。

（3）隨著雙邊引橋跨數(shù)的增加，梁體相對(duì)位移、橋墩墩頂位移以及橋墩墩底正彎矩的變化量都很小，只有伸縮縫處的碰撞力呈現(xiàn)逐漸減小的變化趨勢。

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