基于碰撞作用的大跨径斜拉桥地震响应分析

41卷

第

2

期

地 震研究

V(41，+0.2Apr.，2018

2018 年 4 月 JOURNALOFSEISMOLOGICALRESEARCH

基于碰撞作用的大跨径斜拉桥地震响应分析

武芳文，孟园英，纪全有，杨源源

(长

安大学公路学院，陕西西安

7100)

摘要：地震作用下，引桥与斜拉桥一旦发生碰撞，会增大斜拉桥的损伤风险。为了研究结构碰撞效应下大跨径斜 拉桥主桥和引桥的地震响应问题，以立结构动力计算模型，基于动力

1

座典型半漂浮大跨径斜拉桥为例，采用

M=< CY

大型有限元分析程序建

分析

分析。结果表明：考虑单边碰撞时，主引桥基本周期接近时，碰

撞力较小，单边碰撞会减小主桥梁端位移，增大引桥梁端和主塔塔顶位移，且单边碰撞效应大于双边碰撞，单边 碰撞更大地影响与其相连的引桥。关键词

\"

大跨径斜拉桥；碰撞效应；双边碰撞；单边碰撞

中图分类号

\"U442.5+5

文献标识码

：A

文章编号

：1000 -0666(2018)02 -0337 -05

(2005)对临联之间的碰撞效应进行了研究。

0引言

近年来大地震时有发生，很多桥梁结构遭受

对于地震作用下的碰撞研究，国 对简支梁桥或者小跨径连续梁桥的研究 针对大跨 目

拉桥与引桥的碰撞效

者针，而

，

研究较少，

了不同 并

损坏，这导致部分

，国碰撞效

，了较为

研究结果并 （张 将斜拉桥与

了灾后救援的难度。目

2012, 2013;薛成凤等，2017)。 左引桥单边碰撞、 桥梁结

碰撞

。

者对相邻梁体在伸缩缝 引桥简化为单边碰撞和双边碰撞模型，分

桥单边碰撞和双边碰撞对

研究。

在国外，Malhotra (1998)认为结构在受到碰 撞效应与不考虑碰撞 ，桥梁结 地震 ：会减小；Reginald和Susendar (2002)研究发现： 双边碰撞时，刚 刚 虑碰撞 之外，

大

结

移 刚度大

结

移会减小，大，其内力在考

分配；除变化 了分析。

：线 ，：1

整 大；郭和沈

了双边和单边碰撞

桥

主要

的

1理论模型建立

研究地震作用下大跨径斜拉桥与引桥之间碰 撞震波，

，

根据实桥资料，

期值相接

模拟

力模地

型，正选择与设计场地

Jankowski 等（1998，2000)和 Sang - Hyo 碰撞效 碰撞对桥跨结

(2000)对多跨简支梁桥由地震 伸缩缝处相邻梁 性

分析了

性边界与接触碰撞单元，再

在国内，王斌斌和叶爱君（2010)采结果表明，碰撞对引桥 红等（2002)分 地震 为碰撞

!

采用地震分析， 有限元运算与分析。

1座典型半 大跨 拉桥为例研究拉桥伸缩缝 主、 桥梁 地震

规律。

拉桥桥跨采用对称结构，主桥采用双塔

拉桥，跨

布置形式采用（45 +

67 +416 +67 +45)；，主跨为钢箱梁，边跨为预 应力混凝土箱梁，引桥为连续四跨，跨为40；

碰撞对结

研究，分析表明，双边碰撞发生时，

大，并发现碰撞

因素

和最大碰撞力。李中和范立础等

：2017 -11 -06.

科学基金

收稿日期

基金项目：国

—

考虑材料劣变与损伤积累的既有考虑主震后损伤积累对桥梁抗震性

土斜拉桥抗震分析（51408040)和陕西省自

分

析

（2017JM5110)联系资助

科学基金项目

—.

338地震研究41卷

的预应力混凝土箱梁。为了分析主桥与引桥的碰 撞对结

地震

，将主桥与引桥隔离开，主

桥与引桥通过支座处的桥墩和伸缩缝处的间隙单元耦合。桥跨结

总体布置如图1,

桩-土相互作用采用m法进行计算，等代土 弹簧刚度<按照土介质的+值来计算，对 计示为：

< =.=1厶！2. =l(abp)(mzxj

性，不考虑桥墩的塑性变形，即主塔和桥墩均采用 弹性的梁单元模拟；拉索采用仅受拉单元，并

Ernst公式对斜拉索的垂 修正，如图3所示。

抗

，根据桩基+法计 基 理，再结合

桩长、桩径的值，合理设置弹簧的刚度，< 可表

=abpmz (1 )

式中：a为土弹簧所取代的土层厚度；b-为桩柱计 宽度，

规范的有关规定取值：m为地基土比力分析模型时，采

弹性力-位移

例系数，本文取40 000 kN/m4。

表示碰撞弹簧，不考虑碰撞 中 量损

失，碰撞弹簧刚度<1取3. 0 X 108 k+m ( ，2013;王

，2004<，O;徐略勤，魏龙，

图3结构动力计算模型

Fig. 3 Calculation model of tlie structure dynamic

采用的地震记录加速度时程曲线应与场地抗震 设防

为0*

，桥梁位于M度地震区，

观度

设防，场地类别为n类场地，水平方向设计地震动峰

g

，地震 谱

期为0*0 s。

曲，对

2017)，碰撞单元如图2所示。

选

选取表1所示的3条地震波，其 线如图4所示。为了与设计

地震波 (2))调幅。调整

地震 表示为：

曲 例 (

a1(' =a('4 ^ma =a('4 @G4/>ma (2)

式中：@G4=Sm„/2.25;a1(〇、Imas分别为调整后 的加速度曲线和峰值；a('，原记录值。

图2

碰撞接触单元模型

分为相对应的

Fig. 2 Pounding model of tlie contact element

2

结构动力计算模型及地震波输入

本文采用Midas Civil有限元程序建立结构动力 分析模型，假设地震过程中主塔、桥

终处于弹

表1选取地震波的主要参数

Tab. 1 The main parameters of tlie selected seismic waves

序

12

地震名称

Chi-Chi 地震

台站

TCU045

震7.27. 87.0

PG//R0.3810. 9761.025

调幅系数1.4280.5280.502

2008汶川地震2013

地震

卧龙庐山

3

第2期武芳文等\"基于碰撞作用的大跨径斜拉桥地震响应分析339

(a) Chi Chi地震波 （b)汶川地震波 （c)雅安地震波

图4本文选取原始地震波加速度时程曲线

Fig. 4 The original eartliquake acceleration time - history curves in the study

3

碰撞作用下桥梁地震响应分析

地震作用下，当邻梁相对位移大于伸缩缝的 宽度时，碰撞即会在两相邻梁体之间发生，继而 产生很大的脉冲力，很有可能导致局部的破坏， 还有可能产生对桥墩和支座的破坏。

为了对比分析双边碰撞与单边碰撞对桥梁结

构的影响，本文考虑以下3种工况：工况1:考虑 双边碰撞；工况2:仅考虑左引桥与主桥碰撞情况 下的单边碰撞；工况3:仅考虑右引桥与主桥碰撞 情况下的单边碰撞。

为了更简明地表达碰撞对桥梁结构的影响， 引入位移峰值比：p/：n，剪力峰值比Up/Un，弯矩 峰值比Mp/Mn，其中p表示考虑单边碰撞时的效 应，n表示考虑双边碰撞时的效应。3*伸缩缝碰撞力的结果

-挪#只％*#筘 -8:°一' 會6a 只a4靶 a奪2缴A 2c

Chi-Chi地震波

汶川地虜波

图例

10 15 20

引桥墩卨/m

25 30 35

图5给出了单边碰撞相比双边碰撞下1#缝和2 #(处碰撞力峰值比及其对应的时程曲线图。图中

图5 工况2 (a)和工况3 (O)下单边碰撞相比

双边碰撞下碰撞力峰值比

可以看出，单边碰撞与双边碰撞时间基本一致， 不同地震波单边碰撞与双边碰撞在伸缩缝处的碰

撞力不大一致，Chi-Chi地震波在单边碰撞下伸缩 缝处的碰撞力均大于双边碰撞，汶川地震波和雅 安地震波在引桥墩高为20 m时，单边碰撞下碰撞 力均小于双边碰撞下，最小达到双边碰撞力的 0.47倍和0*2倍，即减小了 53%和28%，在引 桥墩高小于15 m和大于25 m时，单边碰撞下的 碰撞力大于双边碰撞下产生的碰撞力。对于不同 引桥墩高，双边碰撞与单边碰撞均要单独考虑， 碰撞效应不可忽视。

Fig. 5 The ratio of peak value of pounding force of

one sided pounding compared to two sided pounding under condition 1 (a) and condition 2 (O)

3*桥墩位移及内力响应

图6 ~7给出引桥固定墩墩底弯矩和墩顶位移 峰值比，从图中可以看出：碰撞对引桥固定墩墩 底弯矩和墩顶位移影响趋势一致，仅考虑左引桥 单边碰撞和双边碰撞对3#固定墩墩底弯矩和墩顶 位移影响比较大，在引桥墩高小于15 m时，碰撞 会增大，3#固定墩墩底弯矩和墩顶位移最大增大 72%，仅考虑右引桥单边碰撞和双边碰撞对6#固

340地震研究41卷

图6 3# (Figa)和6# (O)引桥固定墩墩底弯矩峰值比

. 6 Peak value of pounding force at tlie b(tom theof

fixed anchorage pier of 3# (a) and 6# (b)

图7 3# (Figa)和6# (b)引桥固定墩墩顶位移峰值比

. 7 thePeak anchorageratio of bending moment at the bottom of

fixed pier of 3# (a) and 6# (b)

定墩底弯矩和墩顶位移影响比较大，在引桥墩高 为5 m时，碰撞会减小6#固定墩底弯矩和墩顶位 移，双边碰撞比仅考虑右引桥单边碰撞影响大, 最大减小25%。

因此，在引桥墩高小于20 m时，双边碰撞和 仅考虑左引桥单边碰撞对3#固定墩的影响比较大, 且仅考虑左引桥单边碰撞对3#固定墩的影响大于 双边碰撞效应，双边碰撞和仅考虑右引桥单边碰 撞对6#固定墩的影响比较大。

4结论

本文以i座典型半漂浮大跨径斜拉桥为例，研

究在不同地震作用下，斜拉桥与引桥之间的碰撞 效应，结果表明：

(1)

不同地震波作用下结构的地震效应有所

不同，由于大跨径斜拉桥与两边引桥的结构形式

有很大差别，结构动力特性也有很大差别，两伸 缩缝的碰撞情况不仅受地震波频谱特性和结构动 力特性的影响，两边碰撞情况也相互影响。

(2)

仅考虑单边碰撞时，若引桥基本周期与

主桥基本周期接近时，单边碰撞会减小伸缩缝处 的碰撞力；碰撞更大的影响与其相连的引桥梁位 移值，且单边碰撞影响比双边碰撞大；双边碰撞 对引桥固定墩墩底剪力影响不大，单边碰撞对其 相连接引桥固定墩墩底弯矩和墩顶位移影响比较 大；从碰撞作用下结构的地震特性可以得出，采 用引桥周期与主桥周期较接近的邻联桥跨结构对 结构的抗震比较有利。

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Study of Pounding Analysis of Seismic Response for

Long - span Cable - stayed Bridge

WU Fangwen, MENG Yuanying, JIQuanyou, YANG Yuanyuan

(School of Highway，Chang-an University， Xi'an 7100， Shaanxi， China)

Abstract

The pounding damage at expansion joints of cable - stayed bridge during earthquakes would increase the risk of cable - stayed bridge. In order to study the pounding effects of adjacent girders at expansion joints on seismicresponses of main bridge and approach bridges，this research was focused on a cable - stayed bridge. Midas civil was adopted to establish structural dynamic calculation model. Combining with dynamic time history analysismethod，this research shows that considering the one sided pounding， the basic cycle of the main bridge and thebridge is close， the ment of the

collision force is

the

small， the main tower

displacement

of

the

main bridge the

one

will sided

bridge beam and

increase when considering

ded pounding5s effect is greater ttian the two sided pounding. The one sided pounding has a greater impact on the bridge connected to it.

Keywords: long - span cable - stayed bridges % pounding response % two sided pounding % one sided poun­

ding