縱向地震作用下非規(guī)則梁橋伸縮縫處的碰撞效應(yīng)

縱向地震作用下非規(guī)則梁橋伸縮縫處的碰撞效應(yīng)

縱向地震作用下的碰撞效應(yīng)在早期地震中，落基山脈被破壞。如在1989年美國的洛馬·普里埃塔(LomaPrieta)地震中,舊金山海灣橋的一片主梁落梁破壞,在1995年的日本阪神(Kobe)地震中,Nishinomiya-Ko橋引橋發(fā)生落梁倒塌。究其原因主要是由于伸縮縫處相鄰梁體的碰撞導(dǎo)致墩梁產(chǎn)生過大的相對位移造成的。在認(rèn)識到橋梁連接構(gòu)造處的碰撞是引起落梁破壞的主要原因之一以后,美國、日本等國的學(xué)者對地震作用下伸縮縫處相鄰梁體間的碰撞效應(yīng)進(jìn)行了大量的研究其中等研究發(fā)現(xiàn)碰撞會增大橋梁結(jié)構(gòu)的位移,Malhotra等和Priestley等發(fā)現(xiàn)碰撞減小橋梁結(jié)構(gòu)的位移。以上研究都是基于單邊碰撞得出的結(jié)論。對縱向地震作用下橋梁伸縮縫處雙邊碰撞效應(yīng)的研究卻很少,只有ReginaldDesRoches對雙邊碰撞效應(yīng)進(jìn)行了初步研究,發(fā)現(xiàn)雙邊碰撞減小較柔框架的位移,增大較剛框架的位移。目前國外雖然對地震作用下相鄰橋跨間單邊碰撞對位移的影響進(jìn)行了大量的研究,但就碰撞對橋梁位移的影響看法不一致,對雙邊碰撞效應(yīng)并沒有進(jìn)行系統(tǒng)的研究;而國內(nèi)對地震作用下橋梁伸縮縫處碰撞效應(yīng)的研究基本上還是空白。因此,有必要對雙邊碰撞效應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)的研究。由于碰撞問題非常復(fù)雜,其影響因素較多。相鄰橋跨的周期比、伸縮縫間隙大小、質(zhì)量比以及墩柱的彈塑性等對連續(xù)梁橋地震碰撞反應(yīng)都有影響,其中相鄰橋跨的周期比被認(rèn)為是影響連續(xù)梁橋地震碰撞反應(yīng)的主要因素,而且相鄰聯(lián)的振動周期相差越大,碰撞效應(yīng)越明顯。我國西部由于地形條件的限制,一般由多聯(lián)連續(xù)梁組成其中中聯(lián)為高墩區(qū)邊聯(lián)墩高相對較低,屬非規(guī)則橋梁。西部是我國的地震多發(fā)區(qū),發(fā)震頻繁且烈度高。因此,對于這種結(jié)構(gòu)布置的多聯(lián)連續(xù)梁橋,由于相鄰聯(lián)的振動周期相差較大,在縱向地震作用下伸縮縫處相鄰梁體的碰撞效應(yīng)尤為突出。因此,研究碰撞對非規(guī)則梁橋地震反應(yīng)的影響具有極為重要的現(xiàn)實意義。雖然研究發(fā)現(xiàn)橋梁在地震作用下的橫向振動也是引起落梁的重要原因之一,但這不在本文的研究范圍內(nèi)。為深入了解碰撞對非規(guī)則梁橋地震反應(yīng)的影響,本文根據(jù)我國梁式橋的特點,在建立考慮支座非線性的雙邊碰撞模型的基礎(chǔ)上,研究了伸縮縫處相鄰梁體的碰撞對非規(guī)則梁橋地震反應(yīng)的影響,并分析比較了雙邊碰撞與單邊碰撞對橋梁結(jié)構(gòu)位移的影響。1動力特性分析以圖1所示的三聯(lián)連續(xù)梁橋為例,對縱向地震作用下連續(xù)梁橋伸縮縫處相鄰梁體的碰撞對位移的影響進(jìn)行研究。在分析時,忽略沿橋梁縱向的地震動空間變化,只考慮地震動一致激勵作用。為了分析伸縮縫處的碰撞對橋梁結(jié)構(gòu)縱向地震反應(yīng)的影響,將相鄰聯(lián)隔離開,提煉如圖2所示的碰撞模型。將每聯(lián)(圖1曲線內(nèi)部分)都簡化為單自由度振子,伸縮縫處橋墩也簡化為單自由度振子,其中左、中聯(lián)和右聯(lián)的質(zhì)量分別記為m1、m2和m3,基本周期分別記為T1、T2和T3,阻尼分別記為c1、c2和c3,伸縮縫1的間隙記為ΔG1,伸縮縫2的間隙記為ΔG2;伸縮縫1和伸縮縫2處橋墩的周期分別記為Tp1和Tp2,阻尼分別記為cp1和cp2;各聯(lián)通過支座與伸縮縫處的橋墩耦聯(lián)起來(如圖2)。為分析比較雙邊碰撞與單邊碰撞對橋梁結(jié)構(gòu)位移的影響,本文考慮以下兩種工況:(1)工況一:以圖3所示的動力計算模型考慮單邊碰撞,該模型忽略左聯(lián)的影響,只考慮中、右聯(lián)之間的相互作用。(2)工況二:以圖2所示的簡化動力計算模型考慮雙邊碰撞,作者經(jīng)分析發(fā)現(xiàn):當(dāng)相鄰聯(lián)的基本周期比T1/T2=0.3時,相鄰聯(lián)嚴(yán)重不同向振動;T1/T2=0.7時,相鄰聯(lián)輕微不同向振動;T1/T2=0.5時,相鄰聯(lián)中等程度不同向振動。因此,在分析時考慮T1/T2=0.3、T1/T2=0.5和T1/T2=0.7三種情況。在進(jìn)行地震碰撞反應(yīng)分析時,采用美國加州大學(xué)編制的Drain-2DX程序。計算模型中的墩柱用彈性梁柱單元模擬,單元的質(zhì)量采用堆積集中質(zhì)量。伸縮縫處的滑板支座用具有雙線性恢復(fù)力模式的彈塑性連接單元模擬?；炷两Y(jié)構(gòu)的阻尼比取5%,進(jìn)行線性和非線性時程分析時,采用瑞利阻尼。為了模擬由于相鄰聯(lián)非同向振動可能導(dǎo)致伸縮縫處的碰撞,采用圖4所示的接觸單元模擬伸縮縫,其中接觸單元的非線性力-位移關(guān)系為:式中:ΔG為伸縮縫初始間隙,Δd為地震作用下伸縮縫處相鄰梁體的相對位移,k為接觸剛度,取梁體的軸向剛度。碰撞過程中的能量損失采用阻尼比表示,阻尼的大小與碰撞過程的恢復(fù)系數(shù)e有關(guān),對于完全彈性碰撞,恢復(fù)系數(shù)e=1;完全塑性碰撞,恢復(fù)系數(shù)e=0。對于混凝土材料e取0.65。根據(jù)恢復(fù)系數(shù),可得到阻尼的計算公式為:為了更好地分析伸縮縫間隙對碰撞效應(yīng)的影響,引入一個無量綱參數(shù)———間隙比rG。rG由下式定義:其中ΔG為伸縮縫的間隙大小,Δmax為不考慮碰撞時伸縮縫處兩相鄰梁體的最大相對位移。如果rG≥1.0,不發(fā)生碰撞;如果rG<1.0,將發(fā)生碰撞。2結(jié)構(gòu)剛度的確定分別采用圖2和圖3所示的動力計算模型,就雙邊碰撞和單邊碰撞對結(jié)構(gòu)位移的影響進(jìn)行較為深入的研究。分析時,假定墩柱處于彈性范圍內(nèi),左、中、右聯(lián)質(zhì)量相等,即m1=m2=m3=2200t,伸縮縫處墩頂滑板支座的初始剪切剛度kb=1.41×104kN/m,臨界摩擦力Fy=400kN,并假定中聯(lián)的基本周期大于左、右聯(lián)的基本周期,即T2>T1,T2>T3;取Tp1=Tp2=0.3T2,選取表1的8條地震波沿結(jié)構(gòu)縱向輸入,假設(shè)橋梁位于地震烈度9度區(qū),故將每條地震波的加速度峰值調(diào)整到0.4g。伸縮縫間隙大小對地震碰撞效應(yīng)的影響,作者在論文進(jìn)行了詳細(xì)研究,本文僅取rG1=rG2=0.5。2.1邊界條件特征周期圖5(a)、(b)、(c)分別為基本周期T2=0.9s、1.5s、3.0s時碰撞對中聯(lián)(長周期聯(lián))位移峰值比(定義為Dp/Dn)的影響,圖中Dp和Dn分別表示考慮碰撞效應(yīng)和不考慮碰撞效應(yīng)的位移峰值,縱坐標(biāo)均為8條波計算值的均值。由圖5可以看出:當(dāng)中聯(lián)的周期較短(接近于地震波的特征周期,如T2=0.9s)時,單邊碰撞和雙邊碰撞均使中聯(lián)的位移減小,雙邊碰撞對位移的減小幅度更大,且T1/T2和T3/T2越小,減小幅度越大;當(dāng)中聯(lián)的周期在中等周期范圍內(nèi)(如T2=1.5s)時,單邊碰撞基本上使中聯(lián)的位移減小;雙邊碰撞對中聯(lián)位移的影響比較復(fù)雜,在T1/T2=0.3時,雙邊碰撞使中聯(lián)位移減小,在T1/T2=0.7時,若0.6<T3/T2<0.8,雙邊碰撞使中聯(lián)位移增大;當(dāng)左、右聯(lián)的周期大于地震波的特征周期(如T2=3.0s)時,單邊和雙邊碰撞都使中聯(lián)的位移增大,當(dāng)兩側(cè)短周期聯(lián)與中間長周期聯(lián)均嚴(yán)重不同向振動(如T1/T2=T3/T2=0.3)時,雙邊碰撞對長周期聯(lián)位移的增大幅度小于單邊碰撞的增大幅度,當(dāng)一側(cè)短周期聯(lián)與中間長周期聯(lián)嚴(yán)重不同向振動(如T1/T2=0.3),而另一側(cè)短周期聯(lián)與中間長周期聯(lián)不同向振動程度不重(如T3/T2=0.5、0.6)時,雙邊碰撞對長周期聯(lián)位移的增大幅度大于單邊碰撞的增大幅度。2.2左、左聯(lián)對比圖6(a)、(b)、(c)分別給出了基本周期T2=0.9s、1.5s、3.0s時碰撞對右聯(lián)(短周期聯(lián))位移峰值比(定義為Dp/Dn)的影響,基本周期T2=0.9s、1.5s、3.0s時碰撞對左聯(lián)(短周期聯(lián))位移峰值比的影響分別如圖7(a)、(b)、(c)所示,圖中Dp和Dn分別表示考慮碰撞效應(yīng)和不考慮碰撞效應(yīng)的位移峰值,縱坐標(biāo)均為8條波計算值的均值。從圖6可以看出:當(dāng)中聯(lián)的周期較短(接近于地震波的特征周期,如T2=0.9s)時,單邊碰撞使右聯(lián)的位移增大;如果左聯(lián)與中聯(lián)不同向振動程度較重(如T1/T2=0.3、0.5),若T3/T2<0.4,雙邊碰撞對右聯(lián)位移的增大小于單邊碰撞而當(dāng)左聯(lián)與中聯(lián)輕微不同向振動(如T1/T2=0.7)時,若T3/T2<0.5,雙邊碰撞對右聯(lián)位移的增大幅度卻大于單邊碰撞;當(dāng)中聯(lián)的周期在中等周期范圍內(nèi)(如T2=1.5s)時,單邊碰撞基本上使右聯(lián)的位移輕微增大,雙邊碰撞基本上使右聯(lián)的位移輕微減小;當(dāng)左、右聯(lián)的周期大于地震波的特征周期(如T2=3.0s)時,單邊碰撞使右聯(lián)的位移減小,如果左聯(lián)與中聯(lián)不同向振動程度不重(如T1/T2=0.5、0.7),雙邊碰撞使右聯(lián)的位移輕微減小,而當(dāng)左聯(lián)與中聯(lián)嚴(yán)重不同向振動(如T1/T2=0.3)時,若T3/T2>0.6,雙邊碰撞使右聯(lián)的位移增大。由圖7可以看出:當(dāng)中聯(lián)的周期較短(接近于地震波的特征周期,如T2=0.9s)時,若T1/T2=0.3,雙邊碰撞使左聯(lián)的位移增大,若T1/T2=0.5、0.7,雙邊碰撞使左聯(lián)的位移減小;隨著中聯(lián)周期的延長(如T2=1.5s),雙邊碰撞對左聯(lián)位移增大、減小的幅度變小;當(dāng)左、右聯(lián)的周期大于地震波的特征周期(如T2=3.0s)時,雙邊碰撞基本上使左聯(lián)的位移減小,只在T1/T2=0.7,T3/T2=0.4時,雙邊碰撞使左聯(lián)位移增大。2.3邊界條件t/2基本周期T2=0.9s、1.5s、3.0s時碰撞對中、右聯(lián)相對位移峰值比(定義為圖中ΔDp/ΔDn)的影響分別如圖8(a)、(b)、(c)所示,碰撞對左、中聯(lián)相對位移峰值比的影響分別如圖9(a)、(b)、(c),圖中ΔDp和ΔDn分別表示考慮碰撞效應(yīng)和不考慮碰撞效應(yīng)的相對位移峰值,縱坐標(biāo)均為8條波計算值的均值。從圖8可以看出:當(dāng)中聯(lián)的基本周期較短(接近于地震波的特征周期,如T2=0.9s)時,單邊碰撞使中、右聯(lián)的相對位移減小;在T1/T2=0.3、0.5時,雙邊碰撞使中、右聯(lián)相對位移減小,且減小幅度比單邊碰撞時大,而在T1/T2=0.7,T3/T2=0.4時,雙邊碰撞使中、右聯(lián)的位移輕微增加;當(dāng)中聯(lián)的基本周期處于中等周期范圍內(nèi)(如T2=1.5s)時,單邊碰撞使中、右聯(lián)的相對位移減小,雙邊碰撞基本上使中、右聯(lián)的相對位移減小,而在T1/T2=0.7,T3/T2=0.3～0.4時,雙邊碰撞使中、右聯(lián)的相對位移增大;當(dāng)左、右聯(lián)的周期大于地震波的特征周期(如T2=3.0s)時,若T3/T2<0.6,單邊碰撞使中、右聯(lián)相對位移增大,若T3/T2>0.6,單邊碰撞使中、右聯(lián)相對位移輕微減小;雙邊碰撞在T1/T2=0.3時,使中、右聯(lián)相對位移減小,在T1/T2=0.5,T3/T2=0.3或T1/T2=0.7,T3/T2=0.3～0.4時使中右聯(lián)相對位移增大但增大幅度小于單邊碰撞。由圖9可以看出:當(dāng)中聯(lián)的周期較短(接近于地震波的特征周期,如T2=0.9s)時,雙邊碰撞使左、中聯(lián)相對位移減小,且T1/T2和T3/T2越小,使相對位移減小得越明顯;當(dāng)中聯(lián)的周期處于中等周期范圍(如T2=1.5s)時,雙邊碰撞基本上使左、中聯(lián)相對位移減小,但在T1/T2=0.3,T3/T2=0.6～0.8時,雙邊碰撞卻使左、中聯(lián)的相對位移輕微增大;當(dāng)左、右聯(lián)的周期大于地震波的特征周期(如T2=3.0s)時,如果左、中聯(lián)不同向振動程度不重(如T1/T2=0.5、0.7)時,雙邊碰撞使左、中聯(lián)相對位移減小,且T3/T2越小,減小幅度越大;而當(dāng)左、中聯(lián)嚴(yán)重不同向振動(如T1/T2=0.3)時,若T3/T2>0.4,雙邊碰撞使左、中聯(lián)的相對位移增大。3對比邊聯(lián)與邊聯(lián)的振動特性鑒于碰撞問題的復(fù)雜性,本文通過力學(xué)分析,將三聯(lián)多跨連續(xù)梁橋分別簡化為單邊碰撞和雙邊碰撞模型,分析比較了雙邊碰撞與單邊碰撞對橋梁結(jié)構(gòu)位移的影響。并從中得出以下結(jié)論:(1)就單邊碰撞而言,當(dāng)長周期聯(lián)的周期較短(接近地震波的特征周期)時,碰撞使短周期聯(lián)的位移增大,兩聯(lián)的相對位移減小;當(dāng)短周期聯(lián)的周期大于地震波的特征周期時,碰撞使長周期聯(lián)的位移增大,當(dāng)兩聯(lián)不同向振動程度較重時,碰撞使兩聯(lián)相對位移增大,當(dāng)兩聯(lián)不同向振動程度較輕時,碰撞使兩聯(lián)相對位移輕微減小。(2)對雙邊碰撞來說,如果一側(cè)的短周期聯(lián)與長周期聯(lián)嚴(yán)重不同向振動,另一側(cè)短周期聯(lián)與其輕微不同向振動,那么當(dāng)長周期聯(lián)的周期較短(接近地震波的特征周期)時,雙邊碰撞使與長周期聯(lián)嚴(yán)重不同向振動的短周期聯(lián)的位移增大,且增大幅度大于單邊碰撞,使與其輕微不同向振動的短周期聯(lián)的位移減小;當(dāng)短周期聯(lián)的周期大于地震波的特征周期時,雙邊碰撞使與長周期聯(lián)輕微不同向振動的短周期聯(lián)的位移增大,使與其嚴(yán)重不同向振動的短周期聯(lián)的位移輕微減小,使輕微不同向振動的兩聯(lián)相對位移減小,使嚴(yán)重不同向振動的兩聯(lián)相對位移增大,但增大幅度小于單邊碰撞。因此,為了防止碰撞使橋梁位移響應(yīng)增大,應(yīng)避免一側(cè)邊聯(lián)與中聯(lián)嚴(yán)重不同向振動,另一側(cè)邊聯(lián)與中聯(lián)輕微不同向振動的情形。(3