连梁装置对斜拉桥与引桥之间碰撞响应的减震效果研究

连梁装置对斜拉桥与引桥之间碰撞响应的减震效果研究

国内外专家和科学家对斜拉桥的抗寒性进行了大量研究，取得了丰富的研究成果，但斜拉桥与评价桥之间的碰撞问题和碰撞预防措施的研究相对较少。斜拉桥与桥的动力特性通常存在较大差异。在垂直地震的作用下，有可能发生非同向振动，这可能会导致主桥和介绍桥附近梁的碰撞和响应，导致变形裂缝和倾斜。例如，日本西宫港大桥和主桥之间的周边桥和川水库之间的周边桥的周边地区。美国、日本和其他国家的科学家对减少扩张缝中相邻梁之间的碰撞，限制相邻梁之间和墩壁之间的相对位移方法和措施进行了研究。国内科学家很少研究这一点，因此很少有研究斜拉桥和索引桥之间的碰撞响应和碰撞预防措施。目前的抗疲劳设计规定没有明确规定。因此，有必要系统研究主桥与引桥之间的碰撞响应，分析主桥与引桥之间的冲突反应的相关参数，以便在主桥与引桥之间的碰撞反应中的影响规律。因此，本文以九江大桥为对象，分析了弹性连梁装置对斜拉桥与评价桥之间碰撞反应的影响规律。1连梁装置的结构模型以某九江大桥为分析对象,主桥为70+75+84+818+233.5+124.5m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,伸缩缝采用D1600型.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,考虑拉索垂度效应和恒载作用对结构刚度的影响,采用Ernst公式修正拉索弹性模量.引桥中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.分析时结构的阻尼比取5%,为了减小伸缩缝处相邻梁体间的相对位移,降低主桥与引桥之间的碰撞响应,在伸缩缝处设置图1所示的连梁装置,伸缩缝采用如图2所示的接触单元和拉伸间隙单元模拟.其中,拉伸间隙单元的非线性力-变形关系为F={kr(Δs−S)0Δs−S≥0Δs−S<0(1)F={kr(Δs-S)Δs-S≥00Δs-S<0(1)式中:S为限位装置的初始间隙(见图2,S=s1+s2);Δs为地震作用下伸缩缝处相邻梁体的相对远离位移;kr为连梁装置的刚度,kr=βKm,β为受拉连梁装置与墩柱间的刚度比,简称连梁装置的刚度比,Km=K1K2/(K1+K2),K1、K2分别为左、右联的等效水平抗推刚度.接触单元的非线性力-位移关系为f={kp(ΔG+xs)0ΔG+xs<0ΔG+xs≥0(2)f={kp(ΔG+xs)ΔG+xs<00ΔG+xs≥0(2)式中:ΔG为伸缩缝初始间隙,根据工程具体情况,计算中取伸缩缝的初始间隙为80cm;xs为伸缩缝处相邻梁体的相对位移;kp为接触刚度,根据具体伸缩缝结构选取kp=6.5GN/m.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,分析中取e=0.65,根据e和式(3)计算阻尼器参数,式(3)中m1和m2分别为伸缩缝相邻梁体的质量.ξ=−lneπ2+(lne)2√,c=2ξk(m1m2m1+m2)−−−−−−−−√(3)ξ=-lneπ2+(lne)2,c=2ξk(m1m2m1+m2)(3)在分析中选取了碰撞响应比较明显的Ⅱ、Ⅲ类场地实测地震波作为地震动输入荷载,具体地震波选取如表1所示.2伸缩缝处梁体间约束力首先取连梁装置的刚度为60MN/m;伸缩缝间隙为160cm;考虑伸缩缝两端主梁能自由收缩,取连梁限位装置的初始间隙为0.6m.输入表1地震波,采用非线性时程法计算结构的地震响应,比较设置与不设置连梁装置时主桥和引桥的地震响应.不同下塔柱高度/总塔高,斜拉桥设置与不设置受拉连梁装置时,伸缩缝处相邻梁体的碰撞力峰值比值如图3所示;引桥固定墩墩底最大弯矩比值和剪力比值如图4和5所示;两侧伸缩缝处最大相对位移比值如图6所示.图3~6中比值均为6条波作用下的平均值.图3~18中,设考虑限位装置与未考虑限位装置时的地震响应量之比为λ,具体所测的地震响应量见每幅图的图题,如弯矩、位移、碰撞力等.1)从图3可以看出,伸缩缝处相邻梁体间设置了受拉连梁装置后,两侧伸缩缝处的碰撞力峰值均明显减小,其中,左侧伸缩缝处的碰撞力峰值最大减小了50%,右侧伸缩缝处的碰撞力峰值最大减小了28%.由此可见,伸缩缝处相邻梁体间设置受拉连梁装置可以有效地减小相邻梁体之间的碰撞力,对伸缩缝能起到保护作用.2)从图4和图5可以看出,伸缩缝处相邻梁体间设置了受拉连梁装置后,对两侧引桥固定墩墩底最大弯矩与剪力有所影响,但影响幅度不大,在±10%之内.3)从图6可以看出,伸缩缝处相邻梁体间设置了受拉连梁装置后,两侧伸缩处最大相对位移显著降低.其中,左侧伸缩缝处相对位移最大减小了52%,右侧伸缩缝处相对位移最大也减小了27%.因此,伸缩缝处相邻梁体间设置受拉连梁装置,可以显著减小伸缩缝处相邻梁体地震相对位移需求,从而可以有效地保护伸缩缝,避免引桥梁体落梁.4)斜拉桥下塔柱高度/总塔高的变化对连梁装置改善斜拉桥地震碰撞响应有所影响,随着下塔柱高度/总塔高的增加,设置与不设置连梁装置时伸缩缝处碰撞力的比值和梁端相对位移的比值降低.斜拉桥下塔柱高度/总塔高对设置与不设置连梁装置时引桥固定墩内力响应的比值有所影响,但影响不具有规律性.3参数的影响为进一步研究受拉连梁装置结构参数对斜拉桥碰撞的影响,以下通过改变受拉连梁装置的主要参数,分析不同参数对对斜拉桥碰撞的影响规律.3.1初始间隙的影响首先分别取拉连梁装置的初始间隙ΔG为0.2、0.4、0.6m,刚度仍采用60MN/m进行分析.输入表1中的地震波,采用非线性时程法计算斜拉桥的地震碰撞响应,分析初始间隙对斜拉桥地震碰撞响应的影响规律.不同重心高度斜拉桥,受拉连梁装置初始间隙变化对左右伸缩缝处碰撞力最大值的影响如图7和图8所示;对两侧伸缩缝处相对位移最大值的影响如图9和图10所示;对引桥固定墩墩底最大弯矩影响如图11和12所示.图3~6中比值为6条波作用下的平均值.1初始间隙的影响①受拉连梁装置的初始间隙在一定范围内变化,两侧伸缩缝处的碰撞力峰值均有明显减小,可见,初始间隙在一定范围内选取均可以有效地减小相邻梁体之间的碰撞力,对伸缩缝起到保护的作用;②随着初始间隙的增大,两侧伸缩缝处的碰撞力峰值变化趋势不同,但总体上随着连梁装置初始间隙的减小,两侧梁体碰撞力有所降低;③斜拉桥重心高度对设置受拉连梁装置后两侧梁体碰撞力的影响比较大,但不具有规律性.2初始间隙的影响①受拉连梁装置的初始间隙在一定范围内变化,两侧伸缩缝处相对位移最大值均有明显减小,可见,初始间隙在一定范围内选取均可以有效地减小相邻梁体之间的相对位移,对伸缩缝起到保护的作用;②随着初始间隙的减小,两侧伸缩缝处的相对位移最大值单调减小,可见,当初始间隙取值较小时,对减小两侧伸缩缝处的相对位移更为有效.3梁装置初始间隙的影响①受拉连梁装置的初始间隙在一定范围内变化,两侧引桥固定墩墩底弯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受拉连梁装置对两侧引桥固定墩墩底弯矩最大地震需求影响的变化趋势不同,但增大幅度随着初始间隙的增大总体上呈降低趋势;③当初始间隙取值为0.6m时,两侧碰撞力峰值增大幅度较小且较为均衡.以上分析表明,受拉连梁装置的初始间隙变化对相邻梁体间相对位移、碰撞力峰值以及引桥固定墩地震需求影响较大,但对引桥梁体位移影响较小;综合以上分析结果,受拉连梁装置的初始间隙在0.4~0.6m取值比较合适.3.2结构的地震响应特性为分析受拉连梁装置刚度的影响,分别取刚度为30、60、120MN/m,初始间隙取0.6m进行分析,输入表1地震波,采用非线性时程法计算结构的地震响应,通过比较设置与不设置连梁装置时主桥、引桥结构地震响应的大小来分析受拉连梁装置刚度对结构的影响规律.不同重心高度斜拉桥受拉连梁装置的刚度变化对左右伸缩缝处碰撞力最大值的影响如图13和14所示;对引桥固定墩墩底弯矩最大地震需求的影响如图15和16所示;对两侧伸缩处相对位移最大值比值的影响如图17和18所示.图13~18中数据均为6条波作用下的平均值.1拉连梁刚度对碰撞力的影响①受拉连梁装置刚度在一定范围内变化,两侧伸缩缝处的碰撞力峰值均有明显减小,可见,受拉连梁装置刚度在一定范围内选取均可以有效地减小相邻梁体之间的碰撞力,对伸缩缝起到保护的作用;②左右侧碰撞力峰值随受拉连梁装置刚度的变化趋势不同,其中,当刚度取值60MN/m时,两侧碰撞力峰值减小幅度较大且较为均衡;③斜拉桥重心高度对不同刚度连梁装置减小碰撞力的效果有较大影响,但不具有规律性.2需求增长的比例①受拉连梁装置刚度在一定范围内变化,两侧引桥固定墩墩底弯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左右引桥固定墩墩底弯矩最大地震需求随受拉连梁装置刚度的变化趋势不同,其中,当刚度取值60MN/m时,两侧引桥固定墩墩底弯矩最大地震需求增大幅度较小且较为均衡.3受拉连梁装置刚度①受拉连梁装置刚度在一定范围内变化,两侧伸缩缝处的相对位移最大值均有明显减小,可见,受拉连梁装置刚度在一定范围内选取均可以有效地减小相邻梁体之间的相对位移,对伸缩缝起到保护的作用;②随着受拉连梁装置刚度的增大,两侧伸缩处相对位移最大值均有所减小,可见,当受拉连梁装置刚度取值较大时,对减小两侧伸缩缝处的相对位移更为有效.4拉连梁装置的刚度变化对引