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桥隧相连超高墩连续梁桥纵向弹性地震响应特性研究

陈盈 张乐 张文学 田雨毫




摘要:为研究桥隧相连超高墩连续梁桥的纵向弹性地震响应特性,以某山区桥隧相连三跨连续梁桥为背景,建立碰撞分析模型,研究其纵向弹性地震响应特性,并与常规连续梁桥纵向弹性地震响应进行对比;分析了场地类型、墩高、伸缩缝间隙、滑动支座摩擦系数等因素对桥隧相连超高墩连续梁桥纵向弹性地震响应特性的影响,讨论了伸缩缝处设置橡胶缓冲装置的减震效果。研究表明:与带引桥超高墩连续梁桥相比,碰撞效应对桥隧相连超高墩连续梁桥的纵向弹性地震响应的影响更加显著;桥隧相连超高墩连续梁桥随着墩高的增加固定墩弯矩响应沿墩高出现多个极值点,固定墩墩顶剪力响应明显增加,甚至超过墩底剪力。场地类型和伸缩缝间隙均对桥隧相连超高墩连续梁桥纵向弹性地震响应有较大影响;增大滑动支座摩擦系数对超高墩连续梁桥墩底内力响应基本无影响;在伸缩缝处设置橡胶缓冲装置可以明显降低其地震响应。

关键词:纵向地震响应;桥隧相连;连续梁桥;超高墩;碰撞

中图分类号:U442.5+5文献标志码:A 文章编号:1004-4523(2020)05-1024-11

DOI:10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2020.05.017

引言

对历次地震中的震损桥梁研究得出,碰撞是导致连续梁桥损伤甚至倒塌的重要原因。目前,已有许多学者对碰撞问题进行了理论分析。Praveen等认为可采用直杆共轴碰撞理论分析相邻梁体的碰撞,并建立了阻尼比、恢复系数及邻梁长度比等参数的关系。王东升等认为邻梁碰撞介于刚体碰撞和直杆共轴碰撞之问,建立了两种碰撞模型,并分析了邻梁长度比、阻尼比等对地震响应的影响,得出碰撞弹簧刚度约为0.5倍的较短主梁轴向刚度。王军文等比较了连续梁桥单边碰撞和双边碰撞地震响应的不同,认为主桥与引桥的周期比也是影响地震响应的主要因素。李忠献等通过对两跨简支隔震桥梁模型的振动台试验,分析了邻梁问隙、质量比、隔震支座类型对碰撞响应的影响。张文学等认为斜拉桥与引桥的碰撞响应除了与斜拉桥的重心高度、引桥形式等结构因素有关外,场地类型也是重要的影响因素,同时在伸缩缝处设置阻尼器可以有效控制主桥的地震响应。

目前关于普通墩连续梁桥地震碰撞理论及影响因素的研究较为成熟,其研究对象多为连续梁桥主桥与引桥之问的碰撞响应。随着中国西南地区交通基础设施建设的推进,将建造大量的山区桥隧相连超高墩连续梁桥,且处于地震高烈度区,但关于桥隧相连超高墩连续梁桥地震响应特性及损伤模式的研究还很少见到相关文献。因此有必要对桥隧相连超高墩连续梁桥的地震响应特性及设计注意事项等进行系统研究。

1有限元模型建立

1.1碰撞单元选取

目前桥梁结构分析中对碰撞的模拟一般采用接触单元法,可采用Kelvin模型。如图1所示,Kelvin模型由阻尼器并联弹簧形成,再通过串联的方式与问隙耦合。

1.2模型介绍

以某山区(80+120+80)m三跨超高墩连续梁桥为研究对象,其主梁为单箱单室预应力混凝土变截面箱梁,主梁根部梁高7.3m,跨中部梁高3m,箱梁高度按1.8次抛物线变化;箱梁顶板宽13.25m,底板宽7m。主墩采用变截面矩形空心墩,1#和2#墩墩高均为120m,1#墩为固定墩,2#墩为活动墩,利用XTRACT软件求出1#和2#墩的墩底屈服弯矩Ms=1.1x 106kN·m,总体布置如图2所示。为研究超高墩连续梁桥的碰撞特性,采用ANSYS有限元软件建立3种分析模型,如图3所示。模型一为不考虑碰撞效应的超高墩连续梁桥模型,模型二為超高墩连续梁桥与桥台碰撞模型,模型三为超高墩连续梁桥与引桥碰撞模型。3种模型中主梁与墩均采用线性单元BEAM3模拟,主梁与墩台问的支座通过耦合节点自由度来模拟,即滑动支座通过耦合梁底与墩顶的竖向自由度模拟,固定支座通过耦合其竖向、横向两个方向的自由度来模拟。由于山体的质量远大于桥梁的质量,模型二中梁与桥台的碰撞可以简化为梁与固定点的碰撞。模型三中引桥采用先简支后连续装配式预应力混凝土T形连续梁桥,固定墩为高度18m的矩形空心墩,截面如图3(c)所示。接触单元皆采用COMBIN40单元,其中GAP的取值为伸缩缝问隙的大小,可滑动弹簧K1取值为0,弹簧K2取接触刚度k的500倍以上。

1.3地震波

选取山区常见的工,Ⅱ类场地地震波作为纵向地震动输人,如表1所示。将加速度峰值均调整为0.4g,分析场地类型、墩高、伸缩缝问隙等因素对主桥地震响应的影响。加速度反应谱如图4所示。

2不同超高墩连续梁桥纵向弹性地震响应对比

为研究不同模型超高墩连续梁桥的地震响应特性,以Ⅱ类场地中的El-centro波作为纵向地震波输入,对墩高H=120m,伸缩缝问隙为10cm的3种模型进行地震响应分析,计算结果如图5和6所示。由此可知:

(1)在纵向地震波作用下,不同模型超高墩连续梁桥的地震响应差异较大。总体来说,对于超高墩连续梁桥,不考虑碰撞效应的模型一和考虑与引桥碰撞的模型三的地震响应相差较小。而与桥台碰撞的模型二桥墩的内力响应与模型一和模型三的桥墩内力响应相差较大:1)模型二墩上部和墩底处弯矩响应明显增大;2)由于模型二在地震响应过程中存在较大的碰撞力,致使桥墩顶部存在较大的剪力响应。

(2)模型二和模型三虽然都考虑了碰撞效应,但由于模型二中桥台的刚度明显大于模型三中引桥桥墩刚度,在地震作用下桥台位移响应很小,使得模型二的碰撞力明显大于模型三;同时碰撞次数相比于模型三也有所减少。

(3)由于超高墩自身质量和高阶振型的贡献,使得桥墩剪力和弯矩响应峰值并不是从墩底到墩顶线性规律减小的,而是在墩身的某个位置出现第2个极值响应点。

(4)在模型一、模型二和模型三中,固定墩墩底的弯矩均小于其屈服弯矩Ms,这说明在E1-Centro波(PGA=0.40g)作用下,固定墩处于弹性范围内。

3参数影响分析

3.1场地类型的影响

为研究场地类型对山区桥隧相连超高墩连续梁桥地震响应的影响,以墩高H=120m,伸缩缝问隙为10cm的模型二、模型三进行分析,采用表1中所列典型地震波作为纵向地震波输入,计算结果如图7所示。由此可知:

(1)在I类场地下模型二的墩底弯矩略小于模型三墩底弯矩,墩底剪力与模型三墩底剪力基本相同,但墩顶剪力却明显大于模型三的墩顶剪力。在Ⅱ类场地下模型二的墩底弯矩明显大于模型三墩底弯矩,墩底剪力略大于模型三的墩底剪力,但墩顶剪力明显大于模型三的墩顶剪力。

(2)在Ⅱ类场地下模型三的墩顶剪力明显小于墩底剪力,模型二的墩顶剪力却明显大于墩底剪力。这主要是因为在Ⅱ类场地下模型二的伸缩缝碰撞力明显大于模型三,致使模型二的墩顶剪力响应明显增加。

(3)在Ⅱ类场地下模型二和模型三的地震响应与I类场地相比均明显增加,但模型二的墩顶剪力响应和墩底弯矩响应的增加幅度明显大于模型三。

3.2墩高的影响

为研究墩高对山区桥隧相连超高墩连续梁桥地震响应的影响,取固定墩墩高H=40-160m,伸缩缝问隙为10cm的模型二、模型三进行分析,以表1中所列工,Ⅱ类场地土中SUPERSTITION波、E1-Centro波作为纵向地震波输入,计算结果如图8-11所示。由此可知:

(1)对于模型三,在SUP波和ELC波作用下主橋与引桥的伸缩缝问隙对墩底剪力和墩顶剪力的影响均不明显;但在SUP波作用下,伸缩缝问隙对模型三的桥墩弯矩响应有一定影响。对于模型二,主桥与桥台之问的伸缩缝问隙对墩底剪力影响较小,但对墩顶剪力影响较大;伸缩缝问隙对模型二和模型三的墩身弯矩响应有一定影响。

(2)伸缩缝问隙对模型二和模型三的碰撞力响应均有影响,且对模型二的影响程度明显大于对模型三的影响。在墩高和伸缩缝问隙相同的情况下,模型二的碰撞力响应明显大于模型三。

3.4滑动支座摩擦系数的影响

为研究滑动支座摩擦系数对山区桥隧相连超高墩连续梁桥地震碰撞响应的影响,采用接触对(由接触面和目标面组成)模拟滑动支座的摩擦系数,如图15所示。其中,结点1和结点2之问建立刚臂,使用单元CONTAl71建立接触面;结点3和结点4之问建立刚臂,使用TARGEl69建立目标面。然后使梁底与接触面耦合,墩顶与目标面耦合,通过设置接触对的摩擦系数来模拟滑动支座的摩擦系数。

分别取支座摩擦系数为2%,4%,6%,8%,墩高H=120m,伸缩缝问隙为10cm的模型二、模型三进行分析,以表1中所列工,Ⅱ类场地土中SUPER-STITION波、E1-Centro波作为纵向地震波输人,计算结果如图16-18所示。由此可知:

(1)对于模型二来说,增大滑动支座摩擦系数对墩底弯矩和墩底剪力基本无影响,但对墩顶剪力和主梁碰撞力影响较大。在工类场地下,随着滑动支座摩擦系数的增大,墩顶剪力和主梁碰撞力逐渐增大;而在Ⅱ类场地下,随着滑动支座摩擦系数的增大,主梁碰撞力基本呈下降趋势。

(2)对于模型三来说,滑动支座的摩擦系数基本对桥墩的内力响应无影响,但须注意在工类场地下随着滑动支座摩擦系数的增大,主梁碰撞力会逐渐增大。4橡胶缓冲装置减震效果分析

为研究橡胶缓冲装置对山区桥隧相连超高墩连续梁桥地震响应的影响,分别取刚度比为ε=0.01,0.1,0.2,0.4,0.6,0.8进行分析。以表1所列Ⅱ类场地土中E1-Centro波作为纵向地震波输人,对墩高H=120m,伸缩缝问隙为10cm的模型二、模型三进行分析。橡胶缓冲装置的减震效果如图19所示,由此可知:

(1)在伸缩缝处设置橡胶缓冲装置可以有效降低模型二和模型三的地震响应,且在刚度比相同的情况下模型二固定墩的减震效果优于模型三的减震效果。

(2)橡胶缓冲装置的刚度比ε<0.2时,模型二的减震率随着刚度比s的增加而增大;当ε>0.4后,模型二减震率逐渐下降。综合分析,对于模型二取缓冲装置刚度比ε=0.2-0.4较为合理。

(3)对于模型三,在伸缩缝处设置橡胶缓冲装置虽然可以降低墩底弯矩和剪力响应,但减震效果有限,墩底弯矩减震率基本在3%左右,墩顶剪力减震率在13%左右,墩底剪力基本无减震效果。

5结论

(1)与带引桥超高墩连续梁桥相比,碰撞效应不仅增大了桥隧相连超高墩连续梁桥桥墩上部的地震响应,还改变了桥墩剪力响应的竖向分布规律,使其剪力最大值出现在墩顶位置处而非墩底位置。因此,设计时应重视墩顶的抗震能力验算。

(2)墩高和场地类型对桥隧相连超高墩连续梁桥地震响应有较大影响。随着墩高的增加,固定墩剪力和弯矩响应并不是沿墩高呈线性规律降低,墩身弯矩响应可能出现多个极值点,墩底往上2、3位置弯矩明显增大,固定端最大剪力响应甚至会出现在墩顶位置。

(3)伸缩缝问隙对桥隧相连超高墩连续梁桥地震响应的影响相对较大,随着伸缩缝问隙的增大墩顶剪力基本呈下降趋势,而墩底弯矩响应影响因素复杂,不仅与伸缩缝问隙有关,而且还与场地类型相关,在工类场地下随着伸缩缝问隙的增大,墩底弯矩呈上升趋势,在Ⅱ类场地下随着伸缩缝问隙的增大,墩底弯矩呈先下降后不变的趋势;而伸缩缝问隙对墩底剪力影响较小。

(4)增大滑动支座摩擦系数对桥隧相连超高墩连续梁桥墩底内力响应基本无影响,但对墩顶剪力和主梁碰撞力影响较大。在工类场地下,随着滑动支座摩擦系数的增大,墩顶剪力和主梁碰撞力逐渐增大;而在Ⅱ类场地下,随着滑动支座摩擦系数的增大,主梁碰撞力基本呈下降趋势。

(5)在伸缩缝处合理设置橡胶缓冲装置可以大幅度降低桥隧相连超高墩连续梁桥的地震响应,起到较好的减震效果,综合分析设计时取缓冲装置刚度比ε=0.2-0.4较为合理。

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