高墩刚构桥与多跨引桥在地震作用的碰撞效应分析

康圣雨 韩静 杜林晋

现阶段有关桥梁结构碰撞效应的研究很多，但针对大跨度连续刚构与多跨简支梁引桥的碰撞效应研究较少。基于此，文章以我国某山区的三跨连续刚构典型大跨度桥为例，对梁体发生碰撞的弹簧单元参数选取进行分析，在一定范围内对弹簧刚度进行变化取值，以确定最合适的弹簧刚度。通过分析引桥跨数的变化对梁体位移、梁体相对位移、碰撞力、墩顶位移和墩底弯矩的具体影响，获取引桥个数的变化对碰撞效应产生的规律。

地震效应; 碰撞; 弹簧刚度; 多跨引桥

U442.5+5   A

[定稿日期]2021-08-30

[作者简介]康圣雨（1990～），男，硕士，工程师，从事桥梁抗震加固设计工作。

根据以往学者的研究认为，地震作用下相邻跨的碰撞会对桥梁结构的抗震性能造成影响[1-3]。现今，我国基于山区大跨桥梁的建设在面临跨越各种障碍（江、河、沟谷等）时，有可能单边引桥跨数较多，另一边引桥跨数较少或者没有，故正确选取主桥形式、跨度以及引桥跨数是相当重要的。为了建立具有代表性的模型，本文考虑了多种情况，把模型模拟为单边有引桥和双边有引桥的情况进行对比分析研究。在多跨简支梁的引桥跨数选择恰当时，既能保证主引桥在地震作用下的安全性同时，又能降低工程造价等优点。

1 梁体碰撞模拟

很多相关学者分析研究了碰撞参数问题。在以前的文献中[4]，有些学者将弹簧刚度取较大数值，从而引发数值计算的不稳定的问题，最后计算得到的碰撞力大到不可想象[5]。考虑到不能有过多的材料重叠，即施加弹簧单元后，碰撞时伸缩缝两侧节点的相对负位移是不能过多地超过缝的宽度，且后续的分析发现，当弹簧刚度值大于梁体的轴向刚度时，结构的内力反应及位移变化不是很敏感，但同时考虑到在计算分析时弹簧刚度值不能太大，否则会引起数值上的不收敛，取k=2×108 kN/m进行计算，发现结果出现离散。

为了选取最为合理的弹簧单元刚度值，防止桥梁结构的完全对称，以引桥为研究对象进行分析，避免了左、右伸缩缝动力响应的相同。模型中作了适当简化[6]，即不考虑基础以下桩基础影响，直接在墩底作固结处理，并模拟了刚性桥台。主、引桥连接处伸缩缝原始间距取为0.1 m。共取值8种刚度值作为研究：无碰撞、2×105 kN/m、4×105 kN/m、6×105 kN/m、8×105 kN/m、1×106 kN/m、2×106 kN/m、4×106 kN/m。

当弹簧单元的刚度值发生变化时，会直接影响伸缩缝处梁体的相对位移的变化[7-8]，为探究各工况下碰撞响应数据的变化情况，得到了如图1所示结果。当弹簧单元的刚度值变大时，伸缩缝处梁体相对位移会逐渐减小，并越来越接近于伸缩缝初始间隙。当弹簧单元的刚度值与梁体的轴向刚度值接近时，得到的伸缩缝处梁体相对位移值依然会超出初始间距值，超出的数值反映了伸缩缝处梁端节点互相侵入的位移值[9]。图2反映出碰撞力随着弹簧刚度的增加而增大，当弹簧刚度接近主梁的轴向刚度后，碰撞力值变化较平缓。图3可以看出墩底弯矩值随着弹簧刚度的不断增加都呈现出先递减后趋于平稳的变化趋势。

通过对各工况下桥梁结构各响应数据的对比分析，可以发现弹簧单元的刚度的取值或多或少对结构体系的位移和内力产生影响。在考虑碰撞时的主梁伸缩缝处梁体间的相对位移一般都比未考虑碰撞时的位移小很多。随着弹簧单元刚度值的逐渐增加，伸缩缝在弹簧单元的刚度约束下，相对位移为越来越接近主、引桥连接处伸缩缝原始间距0.1 m，且碰撞力的最大值也会相应的增加。考虑碰撞时的主桥固定墩底的弯矩值一般都比未考虑碰撞时的弯矩值小，且随着弹簧单元刚度值的逐渐增加，弯矩值会逐渐减小最后趋于平稳。在弹簧刚度大于梁体轴向刚度的情况下大部分变化量不敏感。最后，模型的计算弹簧刚度还是与梁的纵向刚度一样，即k=2×106 kN/m。

2 工程实例

2.1 工程概况

本文以山区某三跨连续刚构典型大跨桥梁为工程背景，并在此基础上通过引入引桥的方式来研究主桥和引桥在地震作用下的碰撞效应。该桥梁结构的主桥采用（73+135+73） m预应力混凝土变截面单箱单室连续刚构桥，桥面宽度为10 m，主桥桥墩采用双薄壁墩形式，且高度为80 m。为了便于研究，本文模拟山区沟谷中桥梁，过渡墩墩高为46 m，采用实心矩形截面。引桥交界墩为双主墩，双主墩间距4.5 m，墩底均固接。本文所有模型都有模拟桥台，取用超大刚度值模拟刚性桥台。针对不同的工况和参数探讨，引桥的跨数和墩高都有不同。全桥结构示意见图4。

本文选取线性弹簧单元方法进行分析模拟，该弹簧单元是由一个连接弹簧构成的，当N1和N2两个节点间相迎时的相对位移大于间隙单元的初始间隙值时，碰撞弹簧的刚度就激活发生作用。

2.2 引桥个数变化对碰撞效应的影响

在实际工程中，地震作用下桥梁结构的碰撞效应会受到与其接触的引桥结构的影响，且引桥跨数的不同也会在一定程度上影响主梁的碰撞效应，基于此，本文将对同一刚构桥结构进行不同引桥跨数下的碰撞效应分析。分析的主要内容包括不同引桥跨数下梁体纵向位移峰值对比情况、伸缩缝处梁端相对位移时程曲线、桥墩墩顶位移和墩底内力响应结果对比以及伸缩缝处典型的碰撞力时程曲线，通过上述相关对比结果以得到引桥跨数的变化对主梁碰撞效应的具体影响情况。10种引桥布置情况如表1所示。

2.2.1 梁端位移结果分析

通过表2分析发现，当单边有引桥时，随着引桥跨数的增加，梁体位移也会增加;从1跨变为2跨，位移增加量达到最大为6 cm;而当从2跨增加到3跨时，位移增加量为3 cm，减少了一半;3跨变为4跨以及4跨变为5跨时，位移增加量基本在0～1 cm之间。当双边都有引桥时，引桥跨数的增加，梁体左、右缝的位移值都呈现出逐渐减小的趋势;从1跨引桥变为2跨引桥时，左、右缝位移变量最大，达到了4 mm，其他情况下位移变量都在0～2 mm之间;可见，双边引桥时，引桥跨数对梁体位移量的影响很小。在对比单、双边两种情况下引桥跨数增加位移量的变化情况可知：梁体位移量呈现方向的变化趋势，单边引桥跨数的增加会导致梁体位移量增加;双边引桥跨数的增加会导致梁体位移量的减少。单边引桥梁体位移的改变并不符合常理，这由于模型都模拟了刚性桥台。当单边一跨时，刚性桥台发挥较强作用，约束了梁体纵向位移，而当跨数的逐渐增加，刚性橋台作用慢慢消失，纵向约束逐渐减小，纵向位移出现增加趋势。

2.2.2 梁体纵向相对位移结果分析

通过表3分析发现，当单边有引桥时，随着引桥跨数的增加，梁体相对位移逐渐减小，但都在10 cm左右，变化幅度为1 cm以内。当双边都有引桥时：引桥跨数的增加，梁体左、右两端相对位移处于十分稳定的状态，都在10 cm左右，变化幅度在1 mm左右。在对比单、双边两种情况下引桥跨数增加梁体两端相对位移量的变化情况可知：弹簧单元发挥作用，相对位移均在10 cm左右，且双边引桥相对单边引桥而言，更为稳定。

2.2.3 伸缩缝处碰撞力结果分析

通过对表4分析发现，单边引桥情况下，引桥跨数的增加，伸缩缝碰撞力会逐渐减小。引桥跨数由1增至2时，碰撞力减小了8 660 kN。引桥跨数由2增至3时，碰撞力减小了15 092 kN。当引桥跨数由3增至4以及4增至5时，碰撞力有微微的减小。

在双边引桥情况下，引桥跨数的增加，伸缩缝碰撞力会逐渐减小，且左伸缩缝碰撞力减小的幅度大于右伸缩缝碰撞力减小的幅度。引桥跨数由1增至5时，左伸缩缝碰撞力减小了3 475 kN，右伸缩缝碰撞力减小了114 kN。仅考虑伸缩缝处碰撞力大小时，双边引桥也比单边引桥有利。有些特殊情况，只能修建单边引桥时，3跨引桥是性价比最高的跨数。

3 结论

本文通过对同一刚构桥结构进行不同引桥跨数下的碰撞效应分析，综合考虑有限元模型的准确性和合理性，建立了正确的梁体碰撞模型，主要分析了不同引桥跨数下梁体纵向位移峰值对比情况、以及伸缩缝处典型的碰撞力时程曲线，根据上述相关对比结果得到的主要结论如下：

（1）弹簧单元的刚度取值会对结构体系的位移和内力产生一定的影响，随着刚度值的增加，碰撞处相对位移会逐渐减小，碰撞力的最大值会相应地增大;当弹簧刚度大于梁体轴向刚度时，结构响应数据趋于稳定状态。

（2）随着单边引桥跨数的增加，梁体的相对位移基本不受影响;当单边一跨时，刚性桥台发挥较强作用，约束了梁体纵向位移，而当跨数的逐渐增加，刚性桥台作用慢慢消失，纵向约束逐渐减小，纵向位移出现增加趋势。

（3）随着双边引桥跨数的增加，梁体相对位移、桥墩墩顶位移以及桥墩墩底正弯矩的变化量都很小，只有伸缩缝处的碰撞力呈现逐渐减小的变化趋势。

参考文献

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