伸缩缝间隙对斜拉桥地震响应的影响研究

伸缩缝间隙对斜拉桥地震响应的影响研究

0伸缩缝的研究传统的桥梁滑动误差通常是为了满足桥梁上部结构的纵向温度变形而设计的，但倾斜误差和导向桥的动态特性通常是非常不同的。在垂直地震的作用下，主桥和引桥附近的梁体之间可能会发生碰撞和响应，导致变形和倾斜梁体破坏。如日本阪神地震中西宫港大桥与主桥相邻引桥发生落梁和汶川地震引起了紫坪铺水库大桥引桥落梁。因此对于大跨度斜拉桥伸缩缝的设计不仅要考虑温度变形的需求,而且还应考虑地震响应的影响。国外国学者对减轻伸缩缝处相邻梁体间的碰撞、限制相邻梁体及墩梁间相对位移的方法与措施进行了一些研究。虽然国内外目前对斜拉桥的抗震问题进行了大量的研究,但关于伸缩缝间隙对斜拉桥与引桥之间碰撞响应和斜拉桥关键截面内力及纵向位移响应的研究还不够系统和深入。为此以九江斜拉桥为对象,分析了伸缩缝间隙对斜拉桥与引桥之间碰撞响应的影响规律,研究了伸缩缝间隙对斜拉桥关键截面内力和纵向位移的影响,并与设置纵向阻尼器时的响应进行了对比,得出了一些有意义的结论。1引桥与引桥之间的约束副九江斜拉桥主桥为(70+75+84+818+233.5+124.5)m双塔钢箱梁斜拉桥,引桥为5×50m等截面预应力混凝土连续箱梁结构。利用空间梁单元模拟主梁、主塔和墩柱,其中主梁采用单梁式力学模型,斜拉索采用空间桁架单元,采用Ernst公式修正拉索弹性模量。引桥离主桥较近的中墩为固定墩,其余为纵桥向滑动、横桥向固定,分析时取结构的阻尼比为5%。为模拟主桥与引桥之间的碰撞效应,在伸缩缝处采用如图1所示的接触单元。接触单元的非线性力——位移关系为:f={k(d0+xs)d0+xs<00d0+xs≥0‚(1)式中,d0为伸缩缝初始间隙;xs为伸缩缝处相邻梁体的相对位移;k为接触刚度,根据相关文献的研究成果,并考虑到本分析模型中引桥长度达250m,因此分析k取0.5倍引桥箱梁轴向刚度。碰撞过程中的能量损失采用阻尼器模拟,其阻尼的大小与碰撞过程的恢复系数e有关,本分析中取e=0.65,根据恢复系数e和式(2)、(3)计算阻尼器参数,ξ=-lne√π2+(lne)2,(2)c=2ξ√k(m1⋅m2m1+m2),(3)式中m1和m2分别为伸缩缝相邻梁体的质量。分析时采用九江大桥100a4%(E2)超越概率的3条人工地震波作为水平地震输入荷载,竖向地震荷载取水平地震荷载的2/3。2情况2:某市某市为分析伸缩缝间隙对斜拉桥碰撞的影响,以下分别取伸缩缝间隙为40、80、100、120cm进行分析,并与斜拉桥纵向设置阻尼器(阻尼系数C=8000,阻尼指数ξ=0.3)后的碰撞情况进行了对比,因篇幅所限文中只对右侧伸缩缝碰撞响应情况进行了分析,具体分析情况如图2所示。(1)随着伸缩缝间隙的减小,伸缩缝位置发生碰撞的次数随之明显增加。当伸缩缝间隙为120cm时,在给定的地震动输入条件下没有发生碰撞响应。同时伸缩缝间隙对碰撞力的大小也有较大影响,但影响规律并非随伸缩缝间隙的增加碰撞力随之单调降低。(2)不同的地震动输入对斜拉桥与引桥之间的碰撞也有较大的影响,在相同的伸缩缝间隙情况下,不同地震波作用下碰撞发生的次数和最大碰撞力都存在较大的差异。结构在地震作用下的碰撞响应不仅与结构自身的特性有关,而且受地震动特性影响较大,因此具体工程应进行具体分析。(3)纵向设置阻尼器后可以明显降低斜拉桥的碰撞响应,当伸缩缝间隙为40cm和80cm情况下,设置纵向阻尼器后,虽然左右引桥依然发生了碰撞响应,但碰撞力幅值明显降低,降低幅度达40%以上。而当伸缩缝间隙为100cm时,设置了纵向阻尼器后,左右伸缩缝均未发生碰撞。3伸缩缝间隙的影响为分析伸缩缝间隙对斜拉桥与引桥关键截面内力响应和斜拉桥主梁梁端纵向位移响应的影响,分别对伸缩缝间隙为40、60、80、100、120cm情况下,引桥固定墩墩底弯矩响应、主塔塔底弯矩响应及斜拉桥主梁梁端纵向位移响应进行了分析,并与斜拉桥设置纵向阻尼器时的情况进行了对比(参数同上),分析结果如图3～6所示。(1)由图3可知,伸缩缝间隙对引桥固定墩墩底弯矩响应有较大的影响,但其影响不具有规律性,并非伸缩缝间隙设置越大,引桥固定墩墩底的弯矩响应越小。(2)由图4、5和6可知,伸缩缝间隙的大小对斜拉桥塔底弯矩响应和梁端纵向位移响应均有所影响,整体上呈现出随伸缩缝间隙的增加,斜拉桥主塔塔底弯矩响应和梁端纵向位移响应随之有所增加。(3)在不同伸缩缝间隙情况下,设置纵向阻尼器均能有效地降低斜拉桥主塔塔底弯矩响应和梁端纵向位移响应,是一种较为有效的斜拉桥减震措施。在本分析中设置阻尼器后斜拉桥主塔塔底弯矩响应降低30%以上,而梁端纵向位移降低40%以上。(4)设置纵向阻尼器后,伸缩缝间隙对斜拉桥主塔塔底弯矩地震响应和主梁纵向位移地震响应的影响程度比没设置纵向阻尼器时明显降低,因此设置纵向阻尼器可以降低伸缩缝间隙对斜拉桥地震响应影响的敏感程度。4缩缝间隙优化以九江斜拉桥为依托工程,分析了伸缩缝间隙对斜拉桥地震响应的影响,并与设置纵向阻尼器时进行了对比,通过以上分析可知:(1)伸缩缝间隙不仅对伸缩缝处的碰撞响应发生的几率有较大影响,而且对碰撞力大小、引桥固定墩墩底弯矩、斜拉桥塔底弯矩及梁端纵向位移响应也有一定影响