橋梁碰撞問題的研究現(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胸墻之間,沖撞行為有可能造成的后果主要有:主梁梁端開裂、橋臺胸墻局部混凝土脫落、伸縮縫破壞、下部支座螺栓剪斷,更嚴重的情況是造成主梁相對位移過大,導致落梁。近年來針對橋梁地震碰撞破壞現(xiàn)象、機理及預防措施,國內(nèi)外展開了多方面的研究,但是針對目前我國西部地區(qū)大量興建的結(jié)構形式復雜的不規(guī)則高墩橋還較少,因此研究碰撞效應對于豐富此類橋梁抗震設計和減輕橋梁碰撞破壞有著重要的工程實用意義。
1 橋梁碰撞問題的研究現(xiàn)狀
目前有關相鄰結(jié)構之間地震碰撞臨界間隙的研究大多集中于建筑結(jié)構差異譜法(SPD)能對線彈性結(jié)構的地震碰撞臨界間隙作出合理的預測;隨后,將這種方法推廣于非線性結(jié)構;Lin運用隨機振動理論對毗鄰建筑物地震碰撞臨界間隙進行了系統(tǒng)研究,建立了確定地震碰撞臨界間隙的理論公式并進行了可靠度分析。與建筑物的碰撞研究形成鮮明對比的是,有關橋梁碰撞的地震記錄很少,對橋梁碰撞機理、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)解析工作為了使問題簡化常采用單自由度振子來求得定性的結(jié)果,主要目的是獲得碰撞作用下對結(jié)構宏觀行為的理解,并發(fā)展簡化的處理碰撞問題的方法。Maragakis等研究了梁體與橋臺間的碰撞對橋梁結(jié)構地震反應的影響,研究發(fā)現(xiàn)影響碰撞效應的參數(shù)有橋臺處的伸縮縫間隙,梁體與橋臺的質(zhì)量比、橋臺的剛度以及恢復系數(shù),碰撞對柔性橋臺的影響尤為顯著[1];有人采用三維多自由度體系對隔震高架橋梁伸縮縫處相鄰梁體間由于行波效應引起的碰撞效應和減小碰撞反應的措施進行研究,主要分析了伸縮縫縫隙間距大小對碰撞力和橋墩彎矩、剪力、位移的影響;針對兩直桿桿端的共線碰撞問題主要采用振動理論進行整個碰撞過程的分析,對碰撞過程的力學機理、能量損失及碰撞時間進行了研究,并在此基礎上采用恢復系數(shù)法對橋梁伸縮縫處相鄰梁體之間的碰撞效應進行了研究;Hong Hao等假定地震波為平穩(wěn)的隨機振動,應用Clough-Penzien譜密度模型及Luco和Wong的理論模型推導出的相干函數(shù)來考慮地震動的空間變化,以七跨簡支梁來模擬無限長橋,分析地震動空間變化對結(jié)構地震反應的影響[2];為了合理地考慮碰撞對相對位移的影響,提出了考慮碰撞影響的相對位移反應譜,應用接觸單元法分析了間隙比、周期比、質(zhì)量比、譜速度和相對速度、地震震級和震中距等參數(shù)對相鄰橋跨最大相對位移的影響;
2 橋梁碰撞問題的分析方法
2.1 恢復系數(shù)法[3]?；謴拖禂?shù)法是一種傳統(tǒng)的方法,它通過動量守恒定律來分析兩個質(zhì)點的碰撞,根據(jù)兩個質(zhì)點接觸前的狀態(tài)來判斷碰撞后的速度,運用恢復系數(shù)和動摩擦系數(shù)模擬彈性或塑性碰撞以及接觸面的光滑性。
恢復系數(shù)法可以處理兩個剛體間的碰撞問題,它具有物理概念清楚、算法簡單的優(yōu)點,但恢復系數(shù)和碰撞接觸時間要事先給定,不適用于碰撞時間持續(xù)較長的情況且不適合有限元分析是其缺點。
2.2 接觸單元法[4-9]。接觸單元法是用兩個點對點的接觸單元來模擬結(jié)構上兩相鄰節(jié)點間的碰撞。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程中能量的耗散。接觸單元法可以處理結(jié)構上兩指定節(jié)點間碰撞,它的物理概念清楚、算法簡單,目前主要應用領域為建筑物和橋梁結(jié)構的碰撞分析。
(1)線形彈簧模型。線性彈簧模型是最簡單的接觸單元模型,僅由一個連接彈簧所組成,此種接觸單元模型沒有考慮碰撞過程中能量的損失。
(2)Kelvin模型。Kelvin模型由一個連接彈簧和一個阻尼器并聯(lián)而成,此種模型能夠考慮碰撞過程中能量的損失。
(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有考慮碰撞過程中能量的損失。
(4)Hertz-damp模型。Hertz-damp模型是對Hertz模型的改進,通過與Hertz模型的接觸彈簧并聯(lián)一個非線性阻尼器來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,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)此計算的地震碰撞反應有一定的誤差?；邳c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
目前國外學者對地震作用下的橋梁碰撞問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,且對雙邊碰撞效應研究較少,而國內(nèi)對高墩橋梁間碰撞的研究也處于起步階段,因此有必要對高墩橋的碰撞機理和效應進行深入的研究。
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