自锚式悬索桥地震碰撞影响因素研究周婷婷1马道宏2

自锚式悬索桥地震碰撞影响因素研究周婷婷1马道宏2

周婷婷1马道宏2

（1.东营职业学院，山东东营257091；2.东营市自然资源局垦利分局，山东东营257500）

摘要：以一座典型的自锚式悬索桥为例，对地震作用下主桥与引桥之间碰撞效应的影响因素进行了深入研究。首先结合实际工程选取了合适的碰撞模型、支座参数、接触单元类型以及桩-土作用模型并根据桥址场地类型与结构自振周期选取了三条地震波并根据规范进行合理条幅；然后建立自锚式悬索桥及其引桥的有限元模型进行动力时程分析；最后根据分析结果得到了引桥与锚固跨墩高、碰撞单元刚度以及碰撞单元间距三种因素对碰撞力的影响效应。

关键词：自锚式悬索桥；碰撞效应；动力时程分析；地震波

1绪论

对于漂浮式体系桥梁，由于自身结构的特性，其在地震作用下的梁端会发生很大的位移，梁端位移过大会造成主桥与相邻引桥的碰撞，从而引起整个结构丧失整体性与稳定性。例如，在台湾集集地震中，有近三十座桥梁由于伸缩缝受到碰撞而损害[1]。近年来自锚式悬索桥在市政道路工程中得到广泛采用，因自身结构体系的原因，其抗震问题也有别于一般地锚式悬索桥，因此也越来越得到国内外学者的重视。在地震作用下，自锚式悬索桥主桥与引桥之间的碰撞效应该引起足够重视[2]。

本文通过对自锚式悬索桥伸缩缝处相邻梁体碰撞效应进行深入研究，分别得到墩高、连接单元刚度以及梁体间距三种因素对碰撞效应的影响，可以为同类桥梁与其引桥的抗震设计提供理论参考意义。

2主引桥碰撞理论与分析参数

地震作用下桥梁发生碰撞，是由于地震波产生的剪切作用传递到桩基，从而引起上部结构纵向振动导致。对于上部结构而言，在整个桥梁碰撞过程中，主梁运动速度相对于梁体中应力波传播速度，属于低速运动。定义碰撞发生时为初始时间t0=0。为便于分析碰撞主体对主引桥碰撞响应规律的影响，主引桥的碰撞问题简化为直杆共轴碰撞模型，主动碰撞杆件一端正面垂直撞击平整弹性杆件问题，发生碰撞时初始质点速度较大的碰撞体称为碰撞主体，速度较小的碰撞体则成为靶体。考虑邻梁伸缩缝处的碰撞阻尼系数，利用碰撞弹簧刚度概念，简化碰撞模型。

2.1支座参数计算

盖梁与支座节点之间采用主从约束方式模拟，主桥与引桥均采用刚度与方向各异的球形支座模拟，并且选用一般连接单元中的滞后系统模型。滞后系统是由拥有单轴塑性特性的六个独立的弹簧所构成，该系统用于建立考虑滞后效应消能装置的模型，其力学模型如图2.2所示[3]。

图2.2滞后系统恢复力模型

2.2接触单元的选择

对于梁体碰撞研究，更多研究者则趋向于接触单元方法，其方法主要是在碰撞体之间设置一个碰撞发生时即被激活的接触单元。最常用的接触单元一般是由一个弹簧单元和一个阻尼单元组成，其中弹簧单元提供刚度以防止碰撞体的互相侵入，而阻尼单元用来表示碰撞过程中的能量耗散[4]。

本文建立全桥结构动力分析模型时，采用线弹性力-位移关系表示碰撞弹簧，不考虑碰撞过程中的能量损失。根据以往的研究成果，主、引桥梁体间碰撞弹簧刚度取引桥梁体的轴向刚度的0.55倍，经计算，碰撞弹簧刚度k采用2×106kN/m。

2.3桩土作用

对于即桩土效应的影响，其核心为确定地基与基础系统间的动力阻抗问题。在上部结构，采用弹簧或者阻尼器安置于桥梁上部结构相应位置来考虑其对结构能量的耗散，从而形成地基—基础—上部结构形式的的动力系统。

本文桩-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m值来计算，本文取35000kN/m4，群桩之间因土的振动而导致的相互影响亦不考虑[5]。

3动力分析模型的建立与地震波输入

3.1动力分析模型的建立

本文以一座典型半漂浮体系自锚式悬索桥为例来研究其伸缩缝处主、引桥梁体之间的碰撞效应的影响因素敏感性。桥跨采用对称结构，跨径采用30+60+150+60+30m的布置形式，主跨与边跨为钢混结合梁，锚跨为预应力混凝土箱梁；引桥为连续梁形式，跨径为50m的预应力混凝土箱梁，将主桥与引桥隔离开，并通过间隙单元对主引桥结构进行耦合。

结构动力有限元分析模型如图3.1所示，假设地震过程中主塔、桥墩始终处于弹性，不考虑桥墩的塑性变形，即叠合梁、预应力混凝土箱梁、主塔以及桥墩均采用弹性的梁单元模拟；主缆和吊索采用仅受拉单元，考虑恒载的初始刚度影响；根据本文的研究对象，重点考虑的非线性因素有：①支座的模拟；②主、引桥间的碰撞模拟。表3.1给出本文所采用的各类支座的刚度。

图3.1结构动力计算模型

表3.1支座刚度计算表单位：kN/m

3.1地震波的选取与输入

根据桥址的场地类型与设防烈度选择并处理地震记录加速度时程曲线，桥梁位于7度地震区，按照8度设防，场地类别为Ⅱ类场地，水平方向设计地震动峰加速度为0.2g，地地震动反应谱特征周期为0.40s，结构阻尼比为0.02。本文进行时程法进行地震响应分析时，地震动按照规范选择与设计场地特征周期值相接近的地震波，为了与设计时的地震烈度相当，对选用的地震波加速度时程曲线应按适当的比例放大或者缩小。选取表3.2所示的三条地震波，并将每条地震波的加速度时程曲线进行调幅。

表3.2选取的地震波

4地震碰撞影响因素分析

4.1墩高的影响

由表4.1可以看出，随着墩高的增长伸缩缝处梁体的碰撞次数呈明显的下降趋势，而且当墩高超过18m后在三条地震波作用下均不发生碰撞效应。图4.1为在三条地震波作用下伸缩缝处梁体碰撞力在墩高影响下的变化情况，可以看出梁体间碰撞力随着墩高的增大在3-8米时曾上升趋势，当墩高在8-12m时梁体之间碰撞力达到峰值，在12m之后呈下降趋势。这是由于随着墩的高度增加其柔性也随之增大，在地震力作用下可以产生更大的位移以达到耗能作用。

表4.1不同地震波下碰撞发生次数

图4.1引桥与锚固跨墩高对伸缩缝处碰撞力的影响

4.2接触单元刚度的影响

为了分析间隙单元的碰撞刚度对桥梁碰撞的影响，本文采取的碰撞刚度值一个级数的变化形式，即从20kN/m到2.0×1010kN/m变化，此处采用引桥墩高为10m的模型，分别计算三条地震波响应结果。图4.2给出伸缩缝处碰撞力峰值随接触单元碰撞刚度的变化情况，可以看出伸缩缝处的碰撞力随着接触单元刚度取值的增大而增大，三条地震波作用下碰撞力的大小不相同，但变化趋势一致，当碰撞刚度k＞2.0×107kN/m时，碰撞力趋于稳定。可见，桥梁碰撞响应分析中关于接触单元碰撞刚度合理取值是一个复杂又很关键的问题，在桥梁设计中要进行针对性分析。

图4.2接触单元刚度对碰撞力的影响变化图

4.3碰撞单元间距的影响

图4.3给出碰撞单元碰撞力峰值随梁体间距变化情况，随着梁间间距的增大，不同地震波作用下的碰撞力变化呈相同趋势，均随着间距的增大而减小，当梁间间距大于0.25m时伸缩缝处不会发生碰撞，即伸缩缝处两相邻梁端相对位移不会大于0.25m。

图4.3碰撞力峰值随梁体间距变化情况

5结论

（1）随着引桥墩高的增加，引桥与主桥碰撞次数逐渐降低，当墩高达到18米时，在三条地震波作用下，均不发生碰撞，说明引桥墩高对此类桥梁地震碰撞的影响较大，在设计时应予以控制。

（2）随着接触单元刚度的增大，在一定范围内，主引桥碰撞力逐渐增大，当接触单元刚度大于2.0×106kN/m后，碰撞力趋于平稳，且主引桥桥墩墩底弯矩峰值也逐渐减小，说明当接触刚度在0-2.0×106kN/m时，对地震碰撞分析的敏感性较大，在设计分析时应对接触单元刚度合理取值。

（3）主引桥间距的增大，对碰撞力的影响较大，当间距达到0.3米时，碰撞力趋于零值；建议在此类桥梁设计时，对于伸缩缝的设置应进行具体分析。

参考文献

[1]高玉峰,蒲黔辉,李晓斌.梁式桥地震碰撞响应及防碰撞与落梁措施研究进展[J].地震工程与工程振动,2011,31(1),80-88．

[2]雷凡，邓育林，何雄君．纵向地震作用下大跨斜拉桥主引桥碰撞效应研究[J].公路，2012，09:61-65.

[3]谢旭.桥梁结构地震响应分析与抗震设计[M].北京:人民交通出版社,2006:57-58.

[4JTGD63-2007.公路桥涵地基及基础设计规范[S].北京:人民交通出版社,2007.

[5]CJJ166-2011.城市桥梁抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2011.