碰撞对山区高墩桥弹塑性动力响应的影响

碰撞对山区高墩桥弹塑性动力响应的影响

梁英杰

河南省路桥建设集团有限公司河南商丘476000

摘要：近年来，我国的桥梁建设越来越多，为了研究碰撞对山区高墩桥动力响应的影响，以某一大跨度高墩桥体系为原型，充分考虑了碰撞过程中的刚度变化、能量耗散以及桥墩的非线性行为。在此基础上，利用所选的天然地震波和人工地震波对比分析了碰撞效应对山区高墩桥弹塑性动力响应的影响。在确定山区高墩桥体系相邻结构周期比时，既要考虑相邻结构动力特性差异对碰撞概率的影响，还应考虑其对碰撞效应的影响;高墩桥的梁-桥台碰撞主要受地震动作用大小的影响，地震动的强度和相邻结构动力特性的差异均会对梁-梁碰撞产生影响，在对高墩桥进行减撞防撞设计时，应针对不同的碰撞位置采取不同的措施。

关键词：桥梁工程;高墩桥;弹塑性分析;碰撞;场地条件

引言

高墩桥的主桥部分需要跨越河谷深沟，一般采用墩高较高的连续刚构体系或者连续梁体系，引桥部分一般采用墩高较矮的连续梁体系或者简支梁体系。因此，与常规的多联连续梁桥或者连续刚构桥相比，高墩桥最为显著的特点为墩高相差悬殊，属于不规则桥梁，且其抗震设计已经超出中国现行桥梁抗震规范的适用范围。

1桥梁模型及动力特性

1.1有限元模型建立

引桥为三跨变截面预应力混凝土连续梁桥(跨径组合为33m+56m+33m)，主梁截面均为单箱单室箱形截面，顶板宽为12m，底板宽为8m，且梁高从跨中到支点处按二次抛物线变化。全桥共设5个桥墩，其中:1、2号墩为变截面空心矩形薄壁墩，墩高分别为75m和103m;3、4号墩为变截面空心圆角矩形薄壁墩，墩高分别为56m和75m，且3号墩为主桥和引桥的共用墩;5号墩为变截面实心圆角矩形重力式桥墩，墩高为19m。具体桥型布置见图1。

参照上述原型桥，以OpenSees作为分析平台分别建立了两种典型高墩桥体系的三维弹塑性动力分析模型，即连续刚构-连续梁桥体系(rigidbridge-continuousbridge，R-C)和连续梁桥-连续梁桥体系(continuousbridge-continuousbridge，C-C)，有限元模型如图2所示。

图2中:ft为混凝土抗拉强度;Et为混凝土抗拉软化模量;fpc为混凝土28d抗压强度;E0为混凝土初始弹性模量;εc0为混凝土达到抗拉强度时的应变;fpcU为混凝土残余强度;εU为混凝土残余强度对应的应变;λ为残余应变处的卸载斜拉与初始斜率的比值;σ和ε分别为钢筋的应力和应变;σy和εy分别为钢筋的屈服应力和应变;σ*和ε*分别为归一化的钢筋应力和应变;ζ1和ζ2为控制弹性段向塑性段过渡的参数;δm为最大入侵位移;gp为初始间隙;Fm为最大入侵位移所对应的碰撞力;Kt1和Kt2分别为初始刚度和应变硬化刚度;Keff为等效刚度;F和Fmax分别为支座滑动摩擦力和临界滑动摩擦力;D和Dy分别为支座位移和支座屈服位移。高墩桥的主梁采用基于位移的梁柱单元结合弹性截面属性来模拟，并采用给单元两节点赋予不同截面属性的方法来考虑主梁截面高度沿纵向的变化。桥墩采用基于力的梁柱单元结合纤维截面属性来模拟地震中可能出现的非线性行为。简化模型的参数主要包括Kt1，Kt2以及δy，这些主要参数都需要通过对Hertz-damp理论模型进行等效来确定。

1.2桥梁结构动力特性

本文主要研究在纵向地震激励下碰撞对桥梁结构动力响应的影响。桥梁结构纵向的模态信息如表2所示。从表2中可以看出，R-C体系中主桥和引桥的频率比为0。69，C-C体系中主桥和引桥的频率比为0。58，这说明高墩桥体系中相邻结构的动力特性相差较大，在地震激励下容易产生非一致振动。

2地震波激励与工况设置

为了考虑地震动的随机性，同一场地条件分别选取了3条人工合成地震波和3条天然地震记录。对于所选地震动与目标反应谱的匹配程度，采用均方误差MSE来衡量，其基于地震记录的加速度谱与目标谱在感兴趣的周期范围内所对应的加速度谱值来计算，并且越小的MSE值表明所选地震动与目标谱有更好的匹配。

3结果分析

3.1不同场地条件下碰撞对高墩桥动力响应的影响碰撞效应会对两种

结构体系中的桥墩位移产生较为明显的影响，场地条件越差，碰撞效应对其的影响就越明显。从表5也可以看出:对于R-C结构体系和C-C结构体系，1号墩相对位移的最大改变率分别为6。36%与－8。77%;2号墩相对位移的最大改变率分别为6。86%和3。94%;3号墩相对位移的最大改变率

分别为2。12%和－3。89%;4号墩相对位移的最大改变率分别为－10。50%和－12。81%;5号墩相对位移的最大改变率分别为－2。86%和－2。53%。对于墩梁固结的桥墩(R-C结构体系中的1号墩、2号墩)，碰撞效应会较为明显的增大其相对位移，最大改变率为6。86%。对墩顶设置固定支座的桥墩(R-C结构体系中的4号墩以及C-C体系中的1号墩、4号墩)，碰撞效应会较为明显的降低其相对位移，最大改变率为－12。81%。对墩顶设置活动支座的桥墩(R-C结构系统中的3号墩、5号墩以及C-C体系中的2号墩、3号墩、5号墩)，碰撞效应不会对其产生较为明显的影响。产生这些现象的原因可以解释为:对墩梁固结以及墩底设置固定支座的桥墩，碰撞力可以通过这些连接传递至桥墩，因而会对桥墩的变形产生较为明显的影响;对墩顶设置活动支座的桥墩，无论碰撞力的大小，作用于墩顶位置的水平力均不会超过活动支座的滑动摩擦力，因此，碰撞力对此类桥墩的变形影响较小。

3.2碰撞对不同结构体系高墩桥影响的差异碰撞效应较大

当主梁与桥台发生碰撞时，由于碰撞的限制作用使指向桥台方向的主桥桥墩位移Dp要明显小于D，但在碰撞力和地震动的联合作用下，相反方向的桥墩位移可能会增大。如果下一次碰撞(梁与梁碰撞)发生在桥墩位移Dp小于D时，碰撞将会阻碍Dp继续增大，表现为碰撞作用降低了桥墩的位移。如果下一次碰撞发生在Dp大于D时，虽然碰撞依然会限制桥墩位移继续增大，但此时桥墩位移Dp已经超过D，其表现为碰撞作用增大了桥墩位移。这是因为碰撞会限制结构当前方向的变形，但同时可能联合地震作用增大相反方向的结构变形，此时碰撞对结构峰值位移的影响主要取决于第2次碰撞发生的时间。由于C-C结构体系中相邻结构的动力特性差异更大，其发生梁-梁碰撞的概率要明显大于R-C结构体系，使碰撞的限制作用更容易在桥墩位移Dp小于D时发生，从而导致在考虑碰撞效应后，R-C结构体系的响应表现为增大而C-C结构体系的响应表现为减小。

结语

综上所述，在充分考虑碰撞的刚度变化、能量耗散以及桥墩非线性行为的基础上，以两类典型的高墩桥结构体系为例，研究了碰撞对高墩桥动力响应的影响。与不考虑碰撞的情形相比较，碰撞会对高墩桥结构的弹塑性动力响应产生较为明显的影响。在抗震设计中应充分考虑碰撞效应带来的影响，否则会错误的估计结构的响应。在进行高墩桥的减撞防撞设计时应考虑桥墩与主梁的连接方式对碰撞效应的影响，从而对支座的类型及布置形式进行优化。

参考文献

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