考慮碰撞效應(yīng)的深水連續(xù)剛構(gòu)橋地震響應(yīng)分析

作者簡(jiǎn)介：

睢海濤（1987—），碩士，高級(jí)工程師，主要從事道路橋梁施工技術(shù)科研與教學(xué)工作。

摘要：文章利用OpenSees軟件對(duì)某連續(xù)剛構(gòu)橋建立了有限元空間模型，分析動(dòng)水作用下伸縮縫間的碰撞效應(yīng)對(duì)連續(xù)剛構(gòu)橋梁地震響應(yīng)的影響。結(jié)果表明：動(dòng)水作用下，主橋4#墩和5#墩的曲率發(fā)展顯著增長(zhǎng)，碰撞效應(yīng)能夠抑制墩底曲率的發(fā)展；動(dòng)水作用促使全橋橋墩墩底剪力有所增加，考慮碰撞時(shí)引橋墩底剪力增長(zhǎng)顯著，動(dòng)水作用對(duì)伸縮縫處的碰撞力和碰撞次數(shù)影響有限。

關(guān)鍵詞：非線性時(shí)程分析；動(dòng)水作用；碰撞效應(yīng)；連續(xù)剛構(gòu)橋

中圖分類號(hào)：U448.23文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 29 098 4

0 引言

我國(guó)西南部地區(qū)地勢(shì)險(xiǎn)峻，多深谷河流，連續(xù)剛構(gòu)橋因施工方便、受力性能優(yōu)、跨越能力強(qiáng)，被大量運(yùn)用在此類地區(qū)。由于西南部地區(qū)位于我國(guó)地震高發(fā)區(qū)域，地震會(huì)對(duì)橋梁的安全服役造成隱患。在地震作用下，跨越江河或者水庫(kù)的橋梁橋墩或基礎(chǔ)的振動(dòng)會(huì)使周圍水域產(chǎn)生振動(dòng)，從而影響結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)［1-2］。許多學(xué)者對(duì)深水橋梁動(dòng)力響應(yīng)做了相應(yīng)研究，江輝等［3］探討了深水橋墩在波浪、海流作用下改變相應(yīng)參數(shù)來研究橋墩地震響應(yīng)的變化。鄭成成等［4］等研究了動(dòng)水作用對(duì)大跨度懸索橋阻尼器減震效果的影響。馬婧等［5］對(duì)一座拉索減隔震支座的深水橋梁進(jìn)行研究，并與摩擦擺支座隔振體系做了對(duì)比分析。

目前，針對(duì)考慮橋梁梁體及梁臺(tái)間碰撞的深水橋梁研究較少。為此，本文選取了西南地區(qū)某跨河高墩連續(xù)剛構(gòu)橋工程實(shí)例為研究對(duì)象，考慮梁-梁、梁-橋臺(tái)碰撞和動(dòng)水作用兩者耦合的情況，通過OpenSees軟件建立不同的橋梁結(jié)構(gòu)分析模型，探討動(dòng)水作用和梁-梁、梁-橋臺(tái)碰撞對(duì)此類橋梁地震響應(yīng)的影響。

1 工程概況及有限元模型的建立

本算例為剛構(gòu)-連續(xù)梁橋組合體系，實(shí)橋主跨為總跨190 m的連續(xù)剛構(gòu)橋，引橋?yàn)?×25 m的連續(xù)梁橋。主橋墩及過渡墩截面形式為空心矩形截面，橋墩淹沒水中，最大淹沒深度為25 m，引橋采用實(shí)心圓形雙柱墩，橋墩編號(hào)詳見圖1。在OpenSees軟件建模中，主梁模擬采用彈性梁柱單元，墩柱采取了纖維截面來模擬，基于此充分考慮橋墩非線性特性。盆式支座的模擬則用理想彈塑性材料，參數(shù)取值根據(jù)橋梁抗規(guī)［6］查詢。梁-梁和梁-臺(tái)間的碰撞效應(yīng)采用簡(jiǎn)化后且具有更好適用性的雙線性的赫茲-阻尼［7］模型來模擬橋梁結(jié)構(gòu)可能發(fā)生的碰撞行為。

2 天然地震波選擇

本文通過橋梁抗規(guī)生成算例橋梁的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜來選取天然地震波［8-9］，如表1所示為所選取的7條地震波詳細(xì)信息，加載方向?yàn)闃蛄核较颉?duì)序號(hào)為1～7的地震波進(jìn)行調(diào)幅至0.4 g，阻尼模型采用阻尼比取值為5%的Rayleigh阻尼。

3 動(dòng)水作用的模擬

地震作用下考慮動(dòng)水效應(yīng)多采用附加質(zhì)量法，計(jì)算地震荷載作用下動(dòng)水附加質(zhì)量的方法很多，但各有其優(yōu)缺點(diǎn)。本文根據(jù)算例橋梁橋的墩構(gòu)造形式，使用了楊萬(wàn)理［9］基于線性輻射波浪法結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)簡(jiǎn)化后擬合出來的矩形墩及圓形墩截面的附加質(zhì)量公式，具體公式如下：

4 橋梁的地震響應(yīng)結(jié)果分析

4.1 橋墩非線性地震響應(yīng)

根據(jù)上述所選地震波，選擇序號(hào)為1#～7#的實(shí)震記錄，為考慮水深對(duì)橋梁地震響應(yīng)的變化，在有碰撞和無(wú)碰撞兩種情況下，水深變化區(qū)間取0～60 m，每級(jí)增加10 m。為了清晰反映出水深及梁-梁、梁-橋臺(tái)碰撞對(duì)橋梁地震響應(yīng)的影響，本文引入了無(wú)量綱參數(shù)-動(dòng)力放大系數(shù)，具體含義可見下式，即：

動(dòng)力放大系數(shù)=

考慮碰撞效應(yīng)與動(dòng)水作用下橋墩響應(yīng)絕對(duì)最值無(wú)碰撞及無(wú)水時(shí)橋墩響應(yīng)絕對(duì)最值

動(dòng)水作用下橋墩響應(yīng)絕對(duì)最值無(wú)碰撞及無(wú)水時(shí)橋墩響應(yīng)絕對(duì)最值

（3）

本文采用動(dòng)力放大系數(shù)來表征動(dòng)水作用和梁-梁、梁-橋臺(tái)碰撞兩者對(duì)橋梁地震響應(yīng)的影響。為避免地震波的頻譜特性導(dǎo)致的離散性，采用7條地震波的響應(yīng)均值來計(jì)算橋墩響應(yīng)參數(shù)。

如下頁(yè)圖2～5所示為7條地震波作用下各橋墩動(dòng)力響應(yīng)均值的動(dòng)力放大系數(shù)結(jié)果。除去3#過渡墩墩底彎矩略微增加外，其他橋墩墩底彎矩變化并不明顯。另外，3#過渡墩的墩頂位移有了些許增加，其他墩在考慮橋臺(tái)限位的情況下位移都明顯減小。動(dòng)水作用顯著增加了主橋4#和5#墩的曲率，曲率放大系數(shù)分別為4.69和3.42，明顯增加了墩底塑性鉸的發(fā)展且提高橋墩的損傷程度，具體變化程度詳見下頁(yè)圖6和圖7。在考慮橋臺(tái)處的碰撞現(xiàn)象后，由于墩頂位移的限制，墩底曲率的增加逐漸緩和，碰撞現(xiàn)象對(duì)于主橋橋墩底的塑性鉸的發(fā)展起到抑制作用。

全橋橋墩墩底剪力在無(wú)碰撞情況下，水深的增加對(duì)主橋橋墩剪力起到了一定程度的放大作用，60 m水深時(shí)3#～5#墩的動(dòng)力放大系數(shù)分別為1.40、1.32和1.21，但對(duì)于引橋橋墩影響卻并不明顯。在考慮動(dòng)水作用和碰撞的情況下，1#～5#墩墩底剪力放大系數(shù)分別為1.31、1.97、1.47、1.54和1.46，碰撞和動(dòng)水作用下都增加了墩底剪力的發(fā)展，因主引橋間的碰撞導(dǎo)致引橋2#墩的剪力增加最為明顯，具體變化情況見下頁(yè)圖8。從圖8可以看到，2#墩底剪力的增大時(shí)刻和碰撞力的發(fā)生時(shí)間有著良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，梁間碰撞使得引橋墩底剪力增長(zhǎng)顯著，這可能對(duì)引橋橋墩抗剪安全造成威脅。

4.2 各伸縮縫處動(dòng)力響應(yīng)分析

從圖9、圖10可以得知，按7條地震波的平均值結(jié)果來看，3#縫處的碰撞力最大，2#縫的碰撞力次之，1#縫的碰撞力最小。在動(dòng)水作用下，其碰撞力峰值和碰撞次數(shù)變化并不明顯，動(dòng)水作用對(duì)碰撞過程中產(chǎn)生的碰撞力和碰撞次數(shù)基本無(wú)影響，其主要取決于橋梁結(jié)構(gòu)本身的固有動(dòng)力特性以及地震波頻譜特性。

5 結(jié)語(yǔ)

本文應(yīng)用OpenSees軟件對(duì)橋梁工程實(shí)例進(jìn)行有限元建模，探討了地震荷載作用下動(dòng)水作用和梁-梁、梁-橋臺(tái)碰撞對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響，得出以下結(jié)論：

（1）動(dòng)水作用對(duì)于主橋4#墩和5#墩的曲率發(fā)展影響顯著。水深由0 m增加60 m時(shí)，曲率放大倍數(shù)分別為4.69和3.42，但考慮橋臺(tái)的限位后，墩底曲率的發(fā)展受到抑制，曲率放大倍數(shù)顯著下降。

（2）考慮梁-梁、梁-橋臺(tái)碰撞時(shí)，3#過渡墩墩底彎矩略微增加，其他橋墩墩底彎矩變化并不明顯。3#過渡墩墩頂位移有了些許增加，其他墩在考慮橋臺(tái)限位的情況下位移都明顯減小。

（3）動(dòng)水作用對(duì)引橋橋墩剪力增加情況影響不明顯，但對(duì)主橋橋墩而言都有一定的放大作用。梁間碰撞使得引橋墩底剪力增長(zhǎng)顯著，這可能對(duì)引橋橋墩抗剪安全造成威脅。

（4）動(dòng)水作用對(duì)伸縮縫處的碰撞力和碰撞次數(shù)影響有限，其主要取決于橋梁結(jié)構(gòu)本身的固有動(dòng)力特性以及地震波頻譜特性。

參考文獻(xiàn)

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