地震作用下周期比對伸縮縫碰撞響應影響分析

姜楠

摘 要：針對地震作用下大跨徑斜拉橋碰撞響應特點，基于主引橋周期比不一致而表現出的動力特性差異，建立大跨斜拉橋三維有限元數值模型，采用非線性時程法分析主橋與引橋碰撞對全橋結構地震反應的影響。研究結果表明：不同周期比的相鄰梁體，在地震動作用下產生的碰撞效應不同。引橋單邊碰撞對橋梁結構的碰撞反應影響差別很大，與地震波的輸入方向相關，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影響幅度比較小。

關鍵詞：地震 梁橋 伸縮縫 碰撞響應 地震波

中圖分類號：U442.5 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2018）03（a）-0000-00

橋梁結構的碰撞問題作為影響橋梁結構地震反應和抗震性能的一個重要因素[1-2]，究其原因可認為是橋墩及基礎平面撓曲振動在墩頂的位移超過梁間伸縮縫寬度造成。而地震能量在土-橋傳遞過程受介質差異會造成橋梁地震響應特征值的不同，具體表現為周期比和梁墩剛度等不一致而表現出的動力特性差異。王軍文等[1]對相鄰梁體的周期比、基本周期大小、相鄰聯的質量比、伸縮縫間隙大小以及墩柱的彈塑性等因素進行了分析，但僅對于結構形式較簡單的梁橋分析，沒有考慮大跨徑斜拉橋結構特點對碰撞響應的影響。鄧玉林等[5]提出主引橋極易發生碰撞，碰撞不僅會產生很大的撞擊，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對大跨徑斜拉橋地震反應的影響規律。

1 計算模型

計算模型中主橋為雙塔面漂浮體系斜拉橋，其跨徑布置為45+67+416+67+45m，引橋為4×40m等截面預應力混凝土箱梁結構。建立由橋面、隔離減震支座和墩身組成的結構動力簡化模型。將每聯都簡化為單自由度振子，伸縮縫間隙均為gp。

為了模擬相鄰聯非同向振動導致伸縮處的碰撞， 采用接觸單元模擬伸縮縫。碰撞剛度取較短主梁縱向剛度，恢復系數 取為1.0。接觸單元的非線性力—位移關系為：

式中，d為伸縮縫初始間隙，xs為伸縮縫處相鄰聯梁體的相對位移， 為接觸剛度。系統受到同樣的地震加速度，忽略沿橋梁縱向的地震動空間變化。混凝土結構的阻尼比取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整到0.2g。

3 碰撞對結構地震反應的影響

記Mp和Mn分別為考慮碰撞與不考慮碰撞時的彎矩，Dp和Dn為考慮碰撞與不考慮碰撞時的位移峰值。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（引橋與主橋嚴重不同向振動）時，使得左塔頂位移峰值達到最大值，增大幅度為84.2%，在T1/T2﹥0.4逐漸趨于穩定

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時達到最大，分別增大39.1%、35.2%和38.7%，隨著周期比的增大，碰撞效應有所減弱并逐漸趨于穩定。

4 結論

（1）單邊碰撞對橋梁結構的地震反應影響與地震波輸入方向有關系，地震波先經過的橋跨結構所引發的碰撞效應更明顯。

（2）單邊碰撞情況下，在周期比T1/T2﹥0.6時，隨著周期比的增大，碰撞對橋梁結構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定。

（3）在進行橋梁抗震設計時，引橋與斜拉橋的周期比大于0.6為宜。

參考文獻

[1] 王軍文，李建中，范立礎.連續梁橋縱向地震碰撞反應參數研究[J].中國公路學報，2005，18（4）：42-47.

[2] 周光偉，李建中，陳昌萍，等.行波輸入下連續梁橋縱向墩梁相對位移碰撞效應分析[J].世界地震工程.2012，28，（4）：51-57.

[3] 陳學喜，朱晞，高學奎.地震作用下橋梁梁體間的碰撞響應分析[J].中國鐵道科學，2005，26（6）：75-79.

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

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