連梁裝置對(duì)斜拉橋與引橋之間碰撞響應(yīng)的減震效果研究

連梁裝置對(duì)斜拉橋與引橋之間碰撞響應(yīng)的減震效果研究

國(guó)內(nèi)外專家和科學(xué)家對(duì)斜拉橋的抗寒性進(jìn)行了大量研究，取得了豐富的研究成果，但斜拉橋與評(píng)價(jià)橋之間的碰撞問(wèn)題和碰撞預(yù)防措施的研究相對(duì)較少。斜拉橋與橋的動(dòng)力特性通常存在較大差異。在垂直地震的作用下，有可能發(fā)生非同向振動(dòng)，這可能會(huì)導(dǎo)致主橋和介紹橋附近梁的碰撞和響應(yīng)，導(dǎo)致變形裂縫和傾斜。例如，日本西宮港大橋和主橋之間的周邊橋和川水庫(kù)之間的周邊橋的周邊地區(qū)。美國(guó)、日本和其他國(guó)家的科學(xué)家對(duì)減少擴(kuò)張縫中相鄰梁之間的碰撞，限制相鄰梁之間和墩壁之間的相對(duì)位移方法和措施進(jìn)行了研究。國(guó)內(nèi)科學(xué)家很少研究這一點(diǎn)，因此很少有研究斜拉橋和索引橋之間的碰撞響應(yīng)和碰撞預(yù)防措施。目前的抗疲勞設(shè)計(jì)規(guī)定沒(méi)有明確規(guī)定。因此，有必要系統(tǒng)研究主橋與引橋之間的碰撞響應(yīng)，分析主橋與引橋之間的沖突反應(yīng)的相關(guān)參數(shù)，以便在主橋與引橋之間的碰撞反應(yīng)中的影響規(guī)律。因此，本文以九江大橋?yàn)閷?duì)象，分析了彈性連梁裝置對(duì)斜拉橋與評(píng)價(jià)橋之間碰撞反應(yīng)的影響規(guī)律。1連梁裝置的結(jié)構(gòu)模型以某九江大橋?yàn)榉治鰧?duì)象,主橋?yàn)?0+75+84+818+233.5+124.5m雙塔鋼箱梁斜拉橋,引橋?yàn)?×50m等截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu),伸縮縫采用D1600型.利用空間梁?jiǎn)卧M主梁、主塔和墩柱,其中,主梁采用單梁式力學(xué)模型,斜拉索采用空間桁架單元,考慮拉索垂度效應(yīng)和恒載作用對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響,采用Ernst公式修正拉索彈性模量.引橋中離主橋較近的中墩為固定墩,其余為縱橋向滑動(dòng)、橫橋向固定.分析時(shí)結(jié)構(gòu)的阻尼比取5%,為了減小伸縮縫處相鄰梁體間的相對(duì)位移,降低主橋與引橋之間的碰撞響應(yīng),在伸縮縫處設(shè)置圖1所示的連梁裝置,伸縮縫采用如圖2所示的接觸單元和拉伸間隙單元模擬.其中,拉伸間隙單元的非線性力-變形關(guān)系為F={kr(Δs?S)0Δs?S≥0Δs?S<0(1)F={kr(Δs-S)Δs-S≥00Δs-S<0(1)式中:S為限位裝置的初始間隙(見(jiàn)圖2,S=s1+s2);Δs為地震作用下伸縮縫處相鄰梁體的相對(duì)遠(yuǎn)離位移;kr為連梁裝置的剛度,kr=βKm,β為受拉連梁裝置與墩柱間的剛度比,簡(jiǎn)稱連梁裝置的剛度比,Km=K1K2/(K1+K2),K1、K2分別為左、右聯(lián)的等效水平抗推剛度.接觸單元的非線性力-位移關(guān)系為f={kp(ΔG+xs)0ΔG+xs<0ΔG+xs≥0(2)f={kp(ΔG+xs)ΔG+xs<00ΔG+xs≥0(2)式中:ΔG為伸縮縫初始間隙,根據(jù)工程具體情況,計(jì)算中取伸縮縫的初始間隙為80cm;xs為伸縮縫處相鄰梁體的相對(duì)位移;kp為接觸剛度,根據(jù)具體伸縮縫結(jié)構(gòu)選取kp=6.5GN/m.碰撞過(guò)程中的能量損失采用阻尼器模擬,其阻尼的大小與碰撞過(guò)程的恢復(fù)系數(shù)e有關(guān),分析中取e=0.65,根據(jù)e和式(3)計(jì)算阻尼器參數(shù),式(3)中m1和m2分別為伸縮縫相鄰梁體的質(zhì)量.ξ=?lneπ2+(lne)2√,c=2ξk(m1m2m1+m2)????????√(3)ξ=-lneπ2+(lne)2,c=2ξk(m1m2m1+m2)(3)在分析中選取了碰撞響應(yīng)比較明顯的Ⅱ、Ⅲ類場(chǎng)地實(shí)測(cè)地震波作為地震動(dòng)輸入荷載,具體地震波選取如表1所示.2伸縮縫處梁體間約束力首先取連梁裝置的剛度為60MN/m;伸縮縫間隙為160cm;考慮伸縮縫兩端主梁能自由收縮,取連梁限位裝置的初始間隙為0.6m.輸入表1地震波,采用非線性時(shí)程法計(jì)算結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng),比較設(shè)置與不設(shè)置連梁裝置時(shí)主橋和引橋的地震響應(yīng).不同下塔柱高度/總塔高,斜拉橋設(shè)置與不設(shè)置受拉連梁裝置時(shí),伸縮縫處相鄰梁體的碰撞力峰值比值如圖3所示;引橋固定墩墩底最大彎矩比值和剪力比值如圖4和5所示;兩側(cè)伸縮縫處最大相對(duì)位移比值如圖6所示.圖3~6中比值均為6條波作用下的平均值.圖3~18中,設(shè)考慮限位裝置與未考慮限位裝置時(shí)的地震響應(yīng)量之比為λ,具體所測(cè)的地震響應(yīng)量見(jiàn)每幅圖的圖題,如彎矩、位移、碰撞力等.1)從圖3可以看出,伸縮縫處相鄰梁體間設(shè)置了受拉連梁裝置后,兩側(cè)伸縮縫處的碰撞力峰值均明顯減小,其中,左側(cè)伸縮縫處的碰撞力峰值最大減小了50%,右側(cè)伸縮縫處的碰撞力峰值最大減小了28%.由此可見(jiàn),伸縮縫處相鄰梁體間設(shè)置受拉連梁裝置可以有效地減小相鄰梁體之間的碰撞力,對(duì)伸縮縫能起到保護(hù)作用.2)從圖4和圖5可以看出,伸縮縫處相鄰梁體間設(shè)置了受拉連梁裝置后,對(duì)兩側(cè)引橋固定墩墩底最大彎矩與剪力有所影響,但影響幅度不大,在±10%之內(nèi).3)從圖6可以看出,伸縮縫處相鄰梁體間設(shè)置了受拉連梁裝置后,兩側(cè)伸縮處最大相對(duì)位移顯著降低.其中,左側(cè)伸縮縫處相對(duì)位移最大減小了52%,右側(cè)伸縮縫處相對(duì)位移最大也減小了27%.因此,伸縮縫處相鄰梁體間設(shè)置受拉連梁裝置,可以顯著減小伸縮縫處相鄰梁體地震相對(duì)位移需求,從而可以有效地保護(hù)伸縮縫,避免引橋梁體落梁.4)斜拉橋下塔柱高度/總塔高的變化對(duì)連梁裝置改善斜拉橋地震碰撞響應(yīng)有所影響,隨著下塔柱高度/總塔高的增加,設(shè)置與不設(shè)置連梁裝置時(shí)伸縮縫處碰撞力的比值和梁端相對(duì)位移的比值降低.斜拉橋下塔柱高度/總塔高對(duì)設(shè)置與不設(shè)置連梁裝置時(shí)引橋固定墩內(nèi)力響應(yīng)的比值有所影響,但影響不具有規(guī)律性.3參數(shù)的影響為進(jìn)一步研究受拉連梁裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)斜拉橋碰撞的影響,以下通過(guò)改變受拉連梁裝置的主要參數(shù),分析不同參數(shù)對(duì)對(duì)斜拉橋碰撞的影響規(guī)律.3.1初始間隙的影響首先分別取拉連梁裝置的初始間隙ΔG為0.2、0.4、0.6m,剛度仍采用60MN/m進(jìn)行分析.輸入表1中的地震波,采用非線性時(shí)程法計(jì)算斜拉橋的地震碰撞響應(yīng),分析初始間隙對(duì)斜拉橋地震碰撞響應(yīng)的影響規(guī)律.不同重心高度斜拉橋,受拉連梁裝置初始間隙變化對(duì)左右伸縮縫處碰撞力最大值的影響如圖7和圖8所示;對(duì)兩側(cè)伸縮縫處相對(duì)位移最大值的影響如圖9和圖10所示;對(duì)引橋固定墩墩底最大彎矩影響如圖11和12所示.圖3~6中比值為6條波作用下的平均值.1初始間隙的影響①受拉連梁裝置的初始間隙在一定范圍內(nèi)變化,兩側(cè)伸縮縫處的碰撞力峰值均有明顯減小,可見(jiàn),初始間隙在一定范圍內(nèi)選取均可以有效地減小相鄰梁體之間的碰撞力,對(duì)伸縮縫起到保護(hù)的作用;②隨著初始間隙的增大,兩側(cè)伸縮縫處的碰撞力峰值變化趨勢(shì)不同,但總體上隨著連梁裝置初始間隙的減小,兩側(cè)梁體碰撞力有所降低;③斜拉橋重心高度對(duì)設(shè)置受拉連梁裝置后兩側(cè)梁體碰撞力的影響比較大,但不具有規(guī)律性.2初始間隙的影響①受拉連梁裝置的初始間隙在一定范圍內(nèi)變化,兩側(cè)伸縮縫處相對(duì)位移最大值均有明顯減小,可見(jiàn),初始間隙在一定范圍內(nèi)選取均可以有效地減小相鄰梁體之間的相對(duì)位移,對(duì)伸縮縫起到保護(hù)的作用;②隨著初始間隙的減小,兩側(cè)伸縮縫處的相對(duì)位移最大值單調(diào)減小,可見(jiàn),當(dāng)初始間隙取值較小時(shí),對(duì)減小兩側(cè)伸縮縫處的相對(duì)位移更為有效.3梁裝置初始間隙的影響①受拉連梁裝置的初始間隙在一定范圍內(nèi)變化,兩側(cè)引橋固定墩墩底彎矩最大地震需求均有不同程度的增大,但增大的幅度并不大;②受拉連梁裝置對(duì)兩側(cè)引橋固定墩墩底彎矩最大地震需求影響的變化趨勢(shì)不同,但增大幅度隨著初始間隙的增大總體上呈降低趨勢(shì);③當(dāng)初始間隙取值為0.6m時(shí),兩側(cè)碰撞力峰值增大幅度較小且較為均衡.以上分析表明,受拉連梁裝置的初始間隙變化對(duì)相鄰梁體間相對(duì)位移、碰撞力峰值以及引橋固定墩地震需求影響較大,但對(duì)引橋梁體位移影響較小;綜合以上分析結(jié)果,受拉連梁裝置的初始間隙在0.4~0.6m取值比較合適.3.2結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)特性為分析受拉連梁裝置剛度的影響,分別取剛度為30、60、120MN/m,初始間隙取0.6m進(jìn)行分析,輸入表1地震波,采用非線性時(shí)程法計(jì)算結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng),通過(guò)比較設(shè)置與不設(shè)置連梁裝置時(shí)主橋、引橋結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的大小來(lái)分析受拉連梁裝置剛度對(duì)結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律.不同重心高度斜拉橋受拉連梁裝置的剛度變化對(duì)左右伸縮縫處碰撞力最大值的影響如圖13和14所示;對(duì)引橋固定墩墩底彎矩最大地震需求的影響如圖15和16所示;對(duì)兩側(cè)伸縮處相對(duì)位移最大值比值的影響如圖17和18所示.圖13~18中數(shù)據(jù)均為6條波作用下的平均值.1拉連梁剛度對(duì)碰撞力的影響①受拉連梁裝置剛度在一定范圍內(nèi)變化,兩側(cè)伸縮縫處的碰撞力峰值均有明顯減小,可見(jiàn),受拉連梁裝置剛度在一定范圍內(nèi)選取均可以有效地減小相鄰梁體之間的碰撞力,對(duì)伸縮縫起到保護(hù)的作用;②左右側(cè)碰撞力峰值隨受拉連梁裝置剛度的變化趨勢(shì)不同,其中,當(dāng)剛度取值60MN/m時(shí),兩側(cè)碰撞力峰值減小幅度較大且較為均衡;③斜拉橋重心高度對(duì)不同剛度連梁裝置減小碰撞力的效果有較大影響,但不具有規(guī)律性.2需求增長(zhǎng)的比例①受拉連梁裝置剛度在一定范圍內(nèi)變化,兩側(cè)引橋固定墩墩底彎矩最大地震需求均有不同程度增大,但增大的幅度并不大;②左右引橋固定墩墩底彎矩最大地震需求隨受拉連梁裝置剛度的變化趨勢(shì)不同,其中,當(dāng)剛度取值60MN/m時(shí),兩側(cè)引橋固定墩墩底彎矩最大地震需求增大幅度較小且較為均衡.3受拉連梁裝置剛度①受拉連梁裝置剛度在一定范圍內(nèi)變化,兩側(cè)伸縮縫處的相對(duì)位移最大值均有明顯減小,可見(jiàn),受拉連梁裝置剛度在一定范圍內(nèi)選取均可以有效地減小相鄰梁體之間的相對(duì)位移,對(duì)伸縮縫起到保護(hù)的作用;②隨著受拉連梁裝置剛度的增大,兩側(cè)伸縮處相對(duì)位移最大值均有所減小,可見(jiàn),當(dāng)受拉連梁裝置剛度取值較大時(shí),對(duì)減小兩側(cè)伸縮縫處的相對(duì)位移更為有效.4拉連梁裝置的剛度變化對(duì)引