橋梁碰撞問(wèn)題的研究現(xiàn)狀
2017-06-05
0 引言
橋梁的地震沖撞行為主要發(fā)生在橋梁的縱向主梁之間或主梁與橋臺(tái)胸墻之間,沖撞行為有可能造成的后果主要有:主梁梁端開(kāi)裂、橋臺(tái)胸墻局部混凝土脫落、伸縮縫破壞、下部支座螺栓剪斷,更嚴(yán)重的情況是造成主梁相對(duì)位移過(guò)大,導(dǎo)致落梁。近年來(lái)針對(duì)橋梁地震碰撞破壞現(xiàn)象、機(jī)理及預(yù)防措施,國(guó)內(nèi)外展開(kāi)了多方面的研究,但是針對(duì)目前我國(guó)西部地區(qū)大量興建的結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜的不規(guī)則高墩橋還較少,因此研究碰撞效應(yīng)對(duì)于豐富此類橋梁抗震設(shè)計(jì)和減輕橋梁碰撞破壞有著重要的工程實(shí)用意義。
1 橋梁碰撞問(wèn)題的研究現(xiàn)狀
目前有關(guān)相鄰結(jié)構(gòu)之間地震碰撞臨界間隙的研究大多集中于建筑結(jié)構(gòu)差異譜法(SPD)能對(duì)線彈性結(jié)構(gòu)的地震碰撞臨界間隙作出合理的預(yù)測(cè);隨后,將這種方法推廣于非線性結(jié)構(gòu);Lin運(yùn)用隨機(jī)振動(dòng)理論對(duì)毗鄰建筑物地震碰撞臨界間隙進(jìn)行了系統(tǒng)研究,建立了確定地震碰撞臨界間隙的理論公式并進(jìn)行了可靠度分析。與建筑物的碰撞研究形成鮮明對(duì)比的是,有關(guān)橋梁碰撞的地震記錄很少,對(duì)橋梁碰撞機(jī)理、理論和方法的研究尚待深入,許多研究工作正處于起步階段。早期的絕大多數(shù)解析工作為了使問(wèn)題簡(jiǎn)化常采用單自由度振子來(lái)求得定性的結(jié)果,主要目的是獲得碰撞作用下對(duì)結(jié)構(gòu)宏觀行為的理解,并發(fā)展簡(jiǎn)化的處理碰撞問(wèn)題的方法。Maragakis等研究了梁體與橋臺(tái)間的碰撞對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響,研究發(fā)現(xiàn)影響碰撞效應(yīng)的參數(shù)有橋臺(tái)處的伸縮縫間隙,梁體與橋臺(tái)的質(zhì)量比、橋臺(tái)的剛度以及恢復(fù)系數(shù),碰撞對(duì)柔性橋臺(tái)的影響尤為顯著[1];有人采用三維多自由度體系對(duì)隔震高架橋梁伸縮縫處相鄰梁體間由于行波效應(yīng)引起的碰撞效應(yīng)和減小碰撞反應(yīng)的措施進(jìn)行研究,主要分析了伸縮縫縫隙間距大小對(duì)碰撞力和橋墩彎矩、剪力、位移的影響;針對(duì)兩直桿桿端的共線碰撞問(wèn)題主要采用振動(dòng)理論進(jìn)行整個(gè)碰撞過(guò)程的分析,對(duì)碰撞過(guò)程的力學(xué)機(jī)理、能量損失及碰撞時(shí)間進(jìn)行了研究,并在此基礎(chǔ)上采用恢復(fù)系數(shù)法對(duì)橋梁伸縮縫處相鄰梁體之間的碰撞效應(yīng)進(jìn)行了研究;Hong Hao等假定地震波為平穩(wěn)的隨機(jī)振動(dòng),應(yīng)用Clough-Penzien譜密度模型及Luco和Wong的理論模型推導(dǎo)出的相干函數(shù)來(lái)考慮地震動(dòng)的空間變化,以七跨簡(jiǎn)支梁來(lái)模擬無(wú)限長(zhǎng)橋,分析地震動(dòng)空間變化對(duì)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響[2];為了合理地考慮碰撞對(duì)相對(duì)位移的影響,提出了考慮碰撞影響的相對(duì)位移反應(yīng)譜,應(yīng)用接觸單元法分析了間隙比、周期比、質(zhì)量比、譜速度和相對(duì)速度、地震震級(jí)和震中距等參數(shù)對(duì)相鄰橋跨最大相對(duì)位移的影響;
2 橋梁碰撞問(wèn)題的分析方法
2.1 恢復(fù)系數(shù)法[3]?；謴?fù)系數(shù)法是一種傳統(tǒng)的方法,它通過(guò)動(dòng)量守恒定律來(lái)分析兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)的碰撞,根據(jù)兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)接觸前的狀態(tài)來(lái)判斷碰撞后的速度,運(yùn)用恢復(fù)系數(shù)和動(dòng)摩擦系數(shù)模擬彈性或塑性碰撞以及接觸面的光滑性。
恢復(fù)系數(shù)法可以處理兩個(gè)剛體間的碰撞問(wèn)題,它具有物理概念清楚、算法簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn),但恢復(fù)系數(shù)和碰撞接觸時(shí)間要事先給定,不適用于碰撞時(shí)間持續(xù)較長(zhǎng)的情況且不適合有限元分析是其缺點(diǎn)。
2.2 接觸單元法[4-9]。接觸單元法是用兩個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的接觸單元來(lái)模擬結(jié)構(gòu)上兩相鄰節(jié)點(diǎn)間的碰撞。接觸單元由彈簧和阻尼器組成,用彈簧模擬接觸單元的剛度,用阻尼器模擬碰撞過(guò)程中能量的耗散。接觸單元法可以處理結(jié)構(gòu)上兩指定節(jié)點(diǎn)間碰撞,它的物理概念清楚、算法簡(jiǎn)單,目前主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)榻ㄖ锖蜆蛄航Y(jié)構(gòu)的碰撞分析。
(1)線形彈簧模型。線性彈簧模型是最簡(jiǎn)單的接觸單元模型,僅由一個(gè)連接彈簧所組成,此種接觸單元模型沒(méi)有考慮碰撞過(guò)程中能量的損失。
(2)Kelvin模型。Kelvin模型由一個(gè)連接彈簧和一個(gè)阻尼器并聯(lián)而成,此種模型能夠考慮碰撞過(guò)程中能量的損失。
(3)Hertz模型。Hertz模型與線性彈簧模型相類似,但連接彈簧是非線性的,這種接觸單元模型也沒(méi)有考慮碰撞過(guò)程中能量的損失。
(4)Hertz-damp模型。Hertz-damp模型是對(duì)Hertz模型的改進(jìn),通過(guò)與Hertz模型的接觸彈簧并聯(lián)一個(gè)非線性阻尼器來(lái)描述碰撞中能量的耗散。
(5)三維接觸-摩擦模型。地震碰撞發(fā)生時(shí),相鄰跨橋梁的接觸面上存在摩擦現(xiàn)象,上述四種接觸單元模型均未能考慮,據(jù)此計(jì)算的地震碰撞反應(yīng)有一定的誤差?；邳c(diǎn)面接觸理論且考慮邊界滲透的三維接觸-摩擦模型。
3 結(jié)語(yǔ)
目前國(guó)外學(xué)者對(duì)地震作用下的橋梁碰撞問(wèn)題的研究一般僅限于截面單一、墩高一致且形狀較規(guī)則的梁式橋,且對(duì)雙邊碰撞效應(yīng)研究較少,而國(guó)內(nèi)對(duì)高墩橋梁間碰撞的研究也處于起步階段,因此有必要對(duì)高墩橋的碰撞機(jī)理和效應(yīng)進(jìn)行深入的研究。
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