伸縮縫間距對高墩連續剛構橋碰撞效應的影響

摘要：以西南山區某一高墩連續剛構橋梁為例，利用OpenSees建立全橋有限元模型，利用接觸單元法建立橋跨空間結構碰撞計算模型， 探討了伸縮縫間距對算例橋梁碰撞的和地震響應的影響。結果表明：伸縮縫間距會對高墩連續剛構橋的位移、墩底彎矩、碰撞力和碰撞次數產生顯著影響;隨著伸縮縫間距越大，梁端的相對位移增大，梁端加速度變化無明顯規律，碰撞力和碰撞次數均會降低。

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.

關鍵詞：地震作用;連續剛構;碰撞效應;非線性時程法

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

中圖分類號：U448.23? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）22-0159-04

0? 引言

我國西南地區是地震多發區，而地震發生時，橋梁結構處主梁-橋臺的碰撞的現象不容忽視，這引起了國內外學者對于橋梁碰撞的廣泛研究，比如2008年我國四川省汶川地震中不少橋梁由于主梁移位過大發生了碰撞，過于嚴重甚至會導致落梁[1]，1995年日本Hanshin高速公路的橋梁地震中產生較大的主梁位移，從而導致主梁在伸縮縫處發生了碰撞[2]，位于西南山區高烈度區的某高墩連續剛構橋梁，其自振周期較大，體系較柔，地震效應可能更加顯著，本文以某高烈度山區高墩連續剛構橋梁為例，采取接觸單元法，探討了伸縮縫間距對高墩連續剛構橋梁主梁位移、墩底彎矩、橋臺和主梁間的碰撞力和碰撞次數的影響。

1? 橋梁有限元模型

利用OpenSees建立的全橋有限元模型中，地震動荷載作用下，梁體通常處于彈性狀態，因此文中未考慮梁體的非線性損傷，采用彈性梁單元（Elastic Beam Column Element）模擬主梁;墩體采用基于柔度法的纖維單元（Nonlinear Beam Column Element）模擬;橋墩底部采用集中土彈簧模擬;橋臺固結簡化處理，縱向活動盆式支座采用理想彈塑性材料（Steel01）模擬，取值可以從《公路橋梁抗震設計細則》[3]查詢。

由于Hertz-damp模型并不好在實際中應用，算例采用Hertz-damp簡化模型來模擬主梁-橋臺之間的碰撞效應。所以采用Muthukumar[4]提出的簡Hertz-damp模型，簡化后的碰撞力和位移曲線如圖1所示。

Hertz-damp理論模型如下所示：

式中，Kh為碰撞模型彈簧剛度系數，ch為阻尼系數，uj和ui分別為相鄰結構的相對位移，gp為相鄰結構的初始間隙，n為Hertz系數，典型值取3/2。

假設兩個模型的碰撞力峰值Fm相等，可以得出簡化模型的等效剛度為：

Kh為 Hertz-damp理論模型碰撞剛度，其值可為碰撞結構的軸向剛度（EA/L）[5，6];δm為碰撞發生時兩接觸面的最大穿透位移。等效剛度Keff還可以用Kt1和Kt2確定：

簡化模型的曲線面積AS可以用初始剛度Kt1，應變硬化剛度Kt2、屈服位移δy以及最大入侵位移δm表示：

假設簡化模型所圍成的面積AS和碰撞過程中的能量消散ΔE相等，其中ΔE可近似表示為：

e為與接觸材料相關的恢復系數，屈服位移δy與最大入侵位移δm的關系可以表達為：

式中，a為屈服參數，典型取值為0.1。通過式（2）～式（6），簡化模型的剛度參數可以寫成如下形式：

根據式（1）～式（6），文中各特征參數取值：碰撞剛度Kh=EA/L=1.619×106kN/m3/2;Hertz系數為3/2;回歸系數e=0.65;最大侵入位移δm=25.4mm;屈服系數a=0.1;屈服位移δy=2.54mm;Keff=2.58×105kN/m;初始剛度Kt1=8.5×105kN/m;應變強化Kt2=1.9×105kN/m。

2? 天然地震波輸入

本文采用非線性時程分析方法對算例橋梁進行分析，選取了符合橋址條件的三條地震波作為模型的地震波輸入，3條天然地震波的具體信息如表1，本文將3條地震動的峰值加速度都調到0.4g。本文全橋的阻尼模型采用瑞利阻尼，取值為0.05。地震動輸入方向只考慮縱向輸入。

3? 伸縮縫間對橋梁地震響應及碰撞效應結果的影響

梁端伸縮縫分別取5cm、8cm、11cm、14cm、17cm、20cm來分析伸縮縫間距對橋梁地震響應和碰撞效應的影響。

從圖2～圖6可以看出：伸縮縫間距由5cm增加到20cm這個過程，伸縮縫間距增大導致了主梁位移空間增大，所以左側梁端相對位移在增大;1#墩墩底的彎矩峰值隨著主梁位移的增加也在增大，在3條地震波作用下分別從280311kN·m、210446kN·m、198908kN·m增加到287547kN·m、315976kN·m、237283kN·m，分別增大了2%、33%、16%，這也反映了地震動的不同對結構地震響應影響是比較大的。梁端加速度變化無明顯規律;這說明梁端加速度對伸縮縫間距并不敏感。在伸縮縫間距從5cm增加到20cm這個過程，橋梁碰撞次數逐漸減少，在三條地震波作用下分別從9次、10次、13次減少到7次、3次、2次，同時碰撞力的峰值也是逐步變小，分別降低了35%、12%、30%。

由圖7～圖12可以看出，伸縮縫從5cm增加到20cm，碰撞力逐漸變小，碰撞過程持續時間基本無變化，不超過1s，且沒有改變最大碰撞力的發生時間，在實際工程中除了要滿足橋梁溫度效應的伸縮縫間距外，還應合理考慮地震發生時伸縮縫間距對主梁和橋臺的碰撞的影響，以免造成梁端混凝土的剝落和破損以及對橋臺背墻的不利影響。

4? 結論

利用OpenSees建立全橋的有限元模型并且進行非線性時程分析，可以得到以下結論：

①在地震動作用下，伸縮縫距離的增長從而導致了主梁的相對位移增大，且梁端加速度變化無明顯規律，這說明梁端加速度對伸縮縫間距變化并不敏感。發生在主梁和橋臺間的碰撞力和碰撞次數逐步下降，某種程度上這對防止橋梁構件損壞是有利的。

②本文采用考慮更為全面的Hertz-damp簡化模型進行分析，分析了連續剛構橋伸縮縫間距對主梁位移、橋墩彎矩、碰撞次數以及碰撞力大小的影響，這可以為相似類型橋梁的分析給與一定參考。

③為了減少橋梁碰撞所可能造成的損壞，考慮到行車舒適感，一味通過增大伸縮縫間距并不可取，可以通過相應減隔振措施來減輕橋梁碰撞可能導致的不利后果。

參考文獻：

[1]李喬，趙世春.汶川大地震工程震害分析[M].成都：西南交通大學出版社，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，公路橋梁抗震設計設計細則[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.

作者簡介：劉桂權（1967-），男，湖南株洲人，本科，中級職稱，研究方向為公路橋梁與隧道。