合理梁端构造研究简述0623.docx
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合理梁端构造研究简述0623
1合理梁端构造研究综述
基于对结构震害的认识,最近20年,美国、日本等国的学者对地震作用下结构的碰撞效应进行了大量的研究,其中相邻房屋建筑的碰撞效应研究的比较多,桥梁结构的碰撞效应研究的相对较少。
1.1相邻桥梁结构地震碰撞效应研究
1.1.1接触碰撞问题的分析方法
目前对于接触碰撞问题的分析方法主要有3种:
恢复系数法、拉格朗日乘子法和接触单元法。
恢复系数法可以处理两个刚体间的碰撞问题,它具有物理概念清楚、算法简单的优点;但恢复系数和碰撞接触时间要事先给定,不适合有限元分析。
拉格朗日乘子法是用拉格朗日乘子引入接触约束条件来求解碰问题。
它不但可以处理任意节点与表面间的接触碰撞,而且也可以处理结构上两个指定节点间的碰撞问题。
拉格朗日乘子法的优点是精确满足接触碰撞条件;缺点是增加方程自由度,求解繁琐。
接触单元法可以处理结构上两指定节点间碰撞,它的物理概念清楚、算法简单,主要应用对象为建筑物和桥梁结构的碰撞分析,并且能够通过有限元软件实现,具有很大实用性,因此,国内外学者对接触单元法模拟碰撞现象开展了广泛的研究。
接触单元种类很多,主要分为六种模型,具体为线性弹簧单元、线性弹簧阻尼器单元(Kelvin模型)、非线性弹簧单元(Hertz模型)、非线性弹簧阻尼器单元(Hertz-damp模型)、改进的Hertz-damp模型以及三维-接触摩擦模型等。
Jankowski[1]、Zanardo[2]、Kim[3]和Shinozuka[4]使用线性弹簧单元模拟了桥梁结构伸缩缝间的地震碰撞问题,虽然该模型没有考虑碰撞造成的能量损失,但是对于接触单元弹簧刚度如何取值给出了相关建议。
Anagnostopoulos[5],Anagnostopoulos[6]和Spiliopoulos[7]以及Jankowski[8]等用Kelvin[9]模型对地震碰撞现象进行模拟,模型能够考虑碰撞过程中的能量耗散,但是并未解决碰撞单元接触刚度合理取值的问题。
叶昆[10]等提出改进的Kelvin模型,引入能量项,推导了阻尼系数的求解公式,并应用数值方法进行验证此模型的正确性,但是对于接触刚度并未进行深入研究。
Davis[11]、Jing[12]和Young、Pantelides[13]和Ma、Chau[14]和Wei[15]等引入Hertz接触定律的非线性弹簧模型(Hertz模型),该模型与线性弹簧模型相类似但连接弹簧是非线性的,虽然,该模型仍然没有考虑能量损失,但是VanMier[16]通过实验给出了适合该模型的接触刚度的取值范围,Goldsmith和Muthukumar[17]特别给出了接触刚度的等效计算方法。
国内学者李忠献和岳福青等[18]运用Hertz接触刚度理论,给出适于城市梁桥地震碰撞反应分析的等效的Kelvin撞击模型的碰撞刚度的取值范围。
王东升等[19]基于直杆共轴碰撞理论建立的邻梁碰撞问题分析模型,研究发现碰撞持续时间约为1.5~2.5倍较短主梁的轴向振动基本周期,碰撞弹簧刚度约为0.31~0.56倍较短主梁的轴向刚度。
同时[20],基于直杆共轴碰撞理论,提出一种等效的刚体碰撞模型,比较分析了刚体模型和弹性杆模型墩顶加速度时程、墩顶位移时程、碰撞力时程以及地震反应能量特性和自振周期随时间变化情况,两种模型计算结果几乎完全吻合。
Muthukumar和DesRoches[21]将非线性弹簧和非线性粘滞阻尼器的组合形成一种新模型—Hertz-damp,根据经典力学方法。
建立起阻尼常数ζ与弹簧常数、恢复系数e以及碰撞接触瞬时两刚体的相对速度的关系,用来模拟碰撞。
同时,Muthukumar将各个模型进行比较研究,给出了各个模型的适用建议。
Jankowski[22]认为碰撞过程的能量损失在碰撞接近过程中全部消耗掉,因此,提出改进的Hertz-damp模型。
该模型计算撞击力时分别考虑碰撞接近过程与恢复过程两个阶段的接触力与接触变形特征,并且给出碰撞过程中阻尼系数的近似计算公式,同时,采用三种模型对以往的碰撞试验数据进行数值模拟,结果表明改进的Hertz-damp模型的碰撞力时程与试验结果误差最小。
Zhu[23]等针对桥面板之间的任意接触碰撞发展了一种三维接触-摩擦模型,并且进行了模型试验验证,结果表明这种碰撞模型能用于模拟相邻梁体间的任意碰撞,但其搜索算法相当复杂,适用性受到一定的制约。
刘鹏等[24]针对用于桥梁地震碰撞分析的接触单元模型提了一种改进求解方法,通过与Hertz-damp模型常用求解方法和Hertz模型计算结果的比较,可以发现改进算法的结果更合理,具有很高的精度。
尤其是对于存在大量能量耗散的地震碰撞问题,改进算法比常用算法更具优越性。
综上,国内外学者对于碰撞模型的研究有简单到复杂,每个模型应用都具有局限性。
实质上,各个模型的关键问题是接触刚度的数值计算,其值选取具有不确定性,因此导致各个模型模拟结果相差巨大。
虽然有的模型的接触刚度经过试验推倒,但是试验模拟仿真性不高,最后得到的数值还不具有通用性。
1.1.2碰撞发生的条件
桥梁结构的碰撞是由很多因素共同作用导致的,其最主要的因素应包括相邻桥跨动力特性的差异(即质量与刚度的差异)和地震波的空间效应等。
同时,土-结构相互作用以及两相邻跨桥梁之间间距的大小等对碰撞的强度和方式也有较大影响。
DesRochesR,MuthukumarS[25]认为决定两相邻跨桥梁之间是否发生碰撞的主要参数是两相邻跨桥梁之间的周期比及其与地震动特征周期的比。
JiachenWang[26]等通过研究认为:
地震动的空间效应是导致两相邻跨桥梁之间发生碰撞的直接原因。
JankowskiR,WildeK,FuzinoY[27]研究认为桥梁的碰撞反应与邻跨间距的大小有关,邻跨间距越大,碰撞力越大;SaadeghvaziriMA等[28]认为虽然土-结构相互作用不是桥梁碰撞反应的直接诱因,但是对桥梁的纵向地震反应不利,而且对桥台的破坏作用高于对桥墩的破坏作用。
国内王军文、李建中和范立础[29]针对连续梁的碰撞进行深入研究,研究表明:
相邻联的周期比、相邻联的质量比和伸缩缝间距是影响桥梁碰撞的主要因素。
聂丽英,李建中和范立础[30]以单墩模型为主,研究了模型参数的变化对桥梁碰撞响应的影响。
李忠献、岳福清等[31]针对简支梁桥,研究了相邻联间隙大小、相邻联质量比和隔震支座类型等参数对桥梁碰撞响应的影响,并且做了相关振动台实验。
于海龙、朱睎[32]针对橡胶支座隔震的简支梁桥在地震作用下梁间碰撞的规律和特点进行了研究,研究表明桥墩高度、截面刚度以及地震激励的变化对桥梁梁间的碰撞响应会产生比较大的影响。
周莉[33]考虑地震空间效应和桩土效应因素,提出城市高架桥的邻梁碰撞的临界安全距离的计算公式。
葛胜锦[34]研究认为两端碰撞与伸缩缝间隙大小有密切关系,通过邻跨周期比与两端碰撞力的对应关系,给出最小碰撞力对应的最佳邻跨周期比的区间范围。
综上,国内外学者的研究均表明,无论是简支梁还是连续梁,相邻联的周期比和质量比、邻跨间距、地震动空间效应是引起桥梁碰撞的主要影响因素,但是各因素的具体的取值范围、适用范围并未给出区间值。
文献中桥墩几何因素、支座类型的影响也仅仅在简支梁桥有所考虑。
1.1.3碰撞对桥梁地震反应的影响
碰撞使桥梁的地震反应更加复杂、呈现非线性。
碰撞发生时会使相邻跨桥梁的接触面上产生很大的碰撞力,导致接触面发生破坏。
PantelidesCP[35]、GiovannaZanardo[36]、SaadeghvaziriMA[37]、DesRochesR[38]、SangHoonKim[39]、MaragakisEA[40]等对碰撞对桥梁结构地震响应的影响展开研究,研究表明碰撞不仅会导致接触面的局部破坏,还会影响上部结构的反应幅值、桥墩的延性要求、支座的位移幅值以及对桥台的作用力大小等。
申爱国[41]对大跨度连续梁的地震碰撞进行模拟分析,提出“碰撞群”的概念,并且在此基础上,建立了梁端损伤评估方法。
段文中[42]考虑地震动空间效应、梁间距、场地条件、桥墩高度的差异、单边和双边碰撞的影响,分析了碰撞效应对简支梁梁端的位移、加速度和碰撞力的影响。
徐建国[43]考虑伸缩缝间距和跨径比因素,分析了碰撞对简支梁的地震响应的影响,结果表明碰撞效应明显增大了结构响应。
对因此,需要结合不同桥型的结构特点,深入研究桥梁的地震碰撞反应的非线性分析方法,系统地考虑由于地震动的空间效应而导致的桥梁碰撞的随机性。
陶少俊[44]比较考虑碰撞和不考虑碰撞对采用LRB隔震简支梁桥动力响应的影响,考虑碰撞的隔震简支梁桥可以减小支座位移、降低落梁风险,但是对梁和台产生巨大的撞击力。
高玉峰[45]研究考虑碰撞效应的多跨简支梁的非线性地震响应,结果表明碰撞作用将使桥墩的内力及位移响应减小,但同时将在梁体中产生较大的短时加速度脉冲。
吕龙[46]通过改变碰撞模型中的参数,分析了墩高、基础形式和制动墩的选取对桥梁碰撞反应的影响。
研究表明,高墩弹性地基基础的桥梁发生碰撞的可能性更大,制动墩选取不同对桥梁碰撞反应也有较大的影响。
周莉[47]考虑曲率半径、地震动输入方向和邻梁周期比三个因素的影响,针对城市高架桥,分析了邻梁和墩梁碰撞对桥梁结构地震响应的影响。
王天利[48]用接触单元模拟桥墩两联间伸缩缝和桥台处伸缩缝在地震作用下的碰撞效应,提出取消桥台伸缩缝的设置可有效消除或减小多联桥跨结构中伸缩缝处的地震碰撞破坏。
对于曲线匝道桥梁伸缩缝的碰撞反应,建议采用碰撞力和碰撞位移双指标控制伸缩缝的地震碰撞响应[49]。
胥强[50]系统地分析了曲线梁桥的不规则性在地震作用下所引起的主梁,桥台和桥墩的碰撞特性,通过考虑碰撞作用与未考虑碰撞作用比较,地震碰撞作用能减小主梁节点的顺桥向位移,但是明显增大了节点的振动加速度,主梁内力和桥台单元的应力,对墩底的剪力弯矩影响比较小,并且根据地震动特性的不同呈现出不同的地震碰撞响应。
王军文[51]研究认为行波效应引起的伸缩缝处相邻梁体间碰撞,可能增大伸缩缝处相邻梁体间以及墩梁间相对位移。
李忠献[52]考虑地震动空间效应的均匀激励、行波效应、非相干效应、以及行波效应和非相干效应组合四种工况,针对城市高架桥梁进行数值仿真分析,结果表明地震动空间效应对地震碰撞力具有放大作用。
李勇[53]研究认为梁台碰撞可以防止活动支座位移失效、降低固定墩内力及变形,但增大了固定支座剪力。
周光伟等[54]提出行波输入下基于规范反应谱的连续梁桥支承长度设计方法,认为系统的基本周期、滑动支座摩阻系数、过渡墩的基本周期以及行波输入延时对地震反应的支承长度有重要影响。
邓育林[55]分析了大跨三塔悬索桥伸缩缝处主、引桥相邻梁体间的双边碰撞对桥梁结构地震反应的影响规律,研究认为双边碰撞使长周期侧的引桥固定墩墩底地震内力响应、梁端位移、梁体搭接长度以及主、引桥间相对位移响应显著增大,而使短周期侧引桥梁端位移、梁体搭接长度以及主、引桥间相对位移响应轻微减小。
雷凡[56]认为对于大跨斜拉桥主引桥,碰撞效应不仅会产生很大的撞击力,而且可能使引桥地震力需求、引桥梁端位移、主引桥相对位移及引桥梁体搭接长度需求有较大增长,极易造成引桥的落梁或者破坏;但碰撞效应对主桥的地震需求影响较小。
目前对桥梁碰撞问题的研究主要针对直线桥梁的纵向碰撞问题,研究成果较多,研究结果表明碰撞效应能够降低桥墩的内力和位移,但同时增加梁端的碰撞力,对于大跨斜拉桥和悬索桥还容易造成梁体侧向位移和扭转变形。
从上述研究来看,对于当前桥梁的非线性特性因素考虑的还比较少,桥墩的弹塑性、支座的非线性对碰撞影响较大,在抗震反应分析过程中应该重点考虑,虽然郭磊考虑的非线性的影响,但是对于影响碰撞因素的地震动空间效应和桩土作用效应并没有考虑,所以研究结果不具有代表性。
1.1.4防碰撞措施
为了降低碰撞对桥梁地震反应的影响,可以采取各种防碰撞措施,有两类:
一是增大相邻跨桥梁之间的间距以避免碰撞的发生;二是在桥梁上安装各种耗能减震措施来降低碰撞的破坏效果。
对于相邻跨的最大位移和合理支座的宽度,Anat[57]、HongHao[58]、JengHsiangLin[59]、JosephPenzien[60]、VanJeng[61]、KazuhikoKasa[62]针对计算方法展开研究,差值谱法、CQC、随机振动理论与统计学方法均能完成合理设计。
由于桥梁结构的特殊性,两相邻跨桥梁之间的间距不能太大,因此,考虑运用各种消能减震措施来降低碰撞的破坏影响具有实用性。
常用的消能减震装置有限位器、阻尼器和缓冲器等。
StefanoBerton[63]、HansStrandgarrd[64]、KimJM[65]、FengMQ[66]、ReginaldDesRoches[67]、PingZhu[68]、KawashimaK[69]、MakolaM[70]等研究认为只要设计合理,限位器、缓冲器和阻尼器都能有效减小墩柱的延性需求和伸缩缝处支座的变形,有效地降低桥梁纵向的碰撞反应。
李忠献、周莉和岳福清[71]研究了一种应用在城市桥梁的粘滞性阻尼器,同时,提出了阻尼器参数的设计方法并验证了可行性。
聂利英、李建中和范立础[72]针对一种液体粘滞性阻尼器在桥梁结构抗震中的作用效果进行了研究。
吕龙[73]提出在梁间呈斜直角布置两个阻尼器以降低碰撞强度,可以克服梁间距不大的影响。
吴斌暄、王磊和王岐峰[74]建立应用于桥梁的非线性粘滞阻尼器的力学分析模型,并且提出了求解方法。
彭凌云[75]对向心式摩擦阻尼器的三种滞回模型减震性能进行研究,推导了三角形和双旗帜形滞回模型中加载刚度、卸载刚度与阻尼器构造参数之间的对应关系,给出了加载刚度和卸载刚度的计算公式,为阻尼器的设计和制造提供依据。
2横桥向碰撞
由于桥梁横向落梁的情形相比顺桥向落梁的情形较少,所以,针对梁体和横向挡块的碰撞问题研究的也较少,其接触单元模型与顺桥向碰撞的模型是相同的,不在赘述。
2.1影响梁体与挡块碰撞效应的主要因素
刘鹏[76]通过数值分析认为影响梁体与挡块碰撞效应的主要因素有地震波、桥梁结构参数、恢复系数、碰撞刚度和初始间隙,其中结构参数中仅考虑的墩高变化的影响,对于结构非线性、材料非线性和桩土耦合效应这些影响碰撞的因素均未考虑。
邓育林[77]研究了横向地震作用下梁体与挡块间的碰撞效应,认为碰撞刚度、桥梁跨径和恢复系数对梁体与横向挡块间的碰撞效应影响较大,初始间隙是一个不确定的影响因素。
ShervinMaleki[97]以桥梁的自振周期、挡块刚度和初始间隙作为参数分析了地震作用下简支梁桥挡块的受力性能。
2.2碰撞对结构地震响应的影响
刘鹏[76]研究结果表明横向碰撞效应使得墩顶位移和墩底剪力增大,使梁体位移减少,不考虑梁体和挡块的横向碰撞效应而进行桥墩设计偏不安全。
徐略勤提出挡块力学性能模拟的三种模式:
完全弹性模式、简化滞回模式、理想弹塑性模式,并且对采用橡胶支座的规则连续梁进行时程分析,结果表明三种力学模式均能降低梁体位移、增大墩柱剪力需求和墩底曲率延性需求,但理想弹塑性模式对桥墩需求影响最小,是改善桥梁横向抗震性能的最佳选择[78]。
徐略勤[79]提出两种挡块的简化抗震分析方法,通过墩柱延性和剪力计算结果比较,作者认为这两种方法均可能带来错误的结论,两种方法的可靠性最终取决于挡块的强度。
朱文正[77]考虑梁体与挡块的非线性碰撞效应,建立了一座两跨连续隔震桥梁计算模型并进行时程分析,研究表明:
挡块的碰撞刚度对桥梁的横向地震性能影响较大,但其取值缺乏必要的试验研究作为参考。
许祥[80]设计一种新型挡块,在挡块顶部设计一个面向主梁侧的外突起,并在突起部位安放缓冲橡胶,地震时挡块的上部会先与主梁发生碰撞,当撞击力超出挡块薄弱层的最大抗剪能力时,挡块在薄弱层处发生剪切滑移破坏,随后薄弱层以下的挡块继续与主梁发生碰撞作用,最终起到防止落梁的作用。
郑万山[81]对挡块进行了拟静力试验研究,采用非封闭箍筋的挡块容易发生脆性破坏,并且给出挡块承载能力计算公式。
聂丽英[82]对比了简支梁桥挡块与梁体之间有无缓冲装置的碰撞结果,结果显示,装有缓冲装置的挡块能够降低梁体的冲击力,同时大幅减小矮墩的基底剪力。
王军文[83]研究横桥向地震作用下非规则梁桥梁体与抗震挡之间的碰撞对结构横桥向地震反应的影响,研究认为梁体与抗震挡块间的碰撞不仅产生很大的撞击力,而且还会导致桥墩的地震需求增大,提出了减轻碰撞和限制相对位移的措施。
石岩[84]建立了考虑上部结构与挡块间偏心距、支座非线性和墩柱弹塑性的横桥向单墩碰撞模型,并用非线性地震反应时程分析方法进行求解,结果表明考虑偏心的碰撞进步增强了系统的非线性。
朱东升[85]考虑桥长、主梁横向刚度和不同计算模型因素对于简支梁桥的横向抗震计算,结果表明应全桥模型更合理,并且我国现行公路及铁路抗震规范中的简化计算方法误差较大。
江辉[86]以铁路RC简支梁桥为对象,研究了典型的浅源强震作用下挡块碰撞刚度、梁体与挡块间初始间隙、桥梁墩高以及跨径等因素对铁路RC简支梁桥地震碰撞效应的影响,给出了抗震挡块的合理刚度及初始间隙取值。
张应宏[87]以挡块的数量、挡块的位置、挡块的刚度和主梁与挡块的间距为参数,对山区连续梁桥进行参数分析,提出挡块刚度要与间隙搭配使用的设计方法。
邵妍[88]认为对于简支梁而言梁体与挡块之间间隔3cm时简支梁的总体受力性能最好,梁体与挡块之间无缝隙时连续梁梁的总体受力性能最好。
龙佩恒[89]针对双柱墩简支-桥面连续梁桥在横桥向地震作用下主梁与抗震挡块间的碰撞行为进行研究,与独柱墩的碰撞效应研究结论很相似,推荐采用铅芯橡胶支座配合挡块作为防撞措施来降低横向地震破坏作用。
国外对桥梁挡块的研究较早,研究比较深入,并且部分规范有明确规定。
如Caltrans[90]规定了横桥向的内、外部挡块的设计方法,特别是对于外部挡块,根据高厚比划分三种类型。
AASHTO[91]抗震指南规定如果挡块在排架盖梁顶部,那么挡块在设计地震水平下应保持弹性,如果在桥台上,挡块的尺寸要按设计规定制作以抵抗相关概率的地震。
Megally[92]通过实验研究了桥台挡块的受力情况,并得出了三种破坏模式。
Bozorgzadeh[93]在Megally基础上研究了挡块与桥台的连接方式,给出了挡块约束力计算公式和挡块内竖向和横向钢筋的配筋面积计算公式。
Goel和Chopra[94]建议分析线性挡块和无挡块工况下桥梁的地震响应,以此作为非线性挡块的上、下限值。
YuyiZhang[95]分析不同场地地震作用下挡块的抗震性能,研究表明桥墩挡块破坏数量比桥台少,岩土场地的挡块破坏数量比土场地少。
作为新材料的研发,YoshioKaneko等[96]将纤维陶瓷用做挡块的制作材料,并证实该材料具有可行性。
综上,对于横向挡块的研究,细分为桥墩和桥台两部分,国外主要是针对桥台挡块进行研究,并且将研究成果写入规范。
国内学者主要是针对桥墩处挡块展开研究,特别是展开了挡块的拟静力试验,该实验并未就挡块的破坏机理进行深入的阐述。
国内学者的研究建立模型时支座类型大多是橡胶支座,桥墩以独柱墩形式为主,作为下部结构的一部分,支座的非线性、桥墩的非线性因素未考虑可能会导致结构不安全,作为常用的双柱式墩的挡块研究还相对较少。
3桥梁结构的碰撞效应研究思路
从国内外研究看来,桥梁碰撞效应的研究展开的比较充分,比较研究成果,拟从以下几个方面展开合理两端构造课题研究:
1、桥梁碰撞试验。
从影响桥梁碰撞的因素来看,碰撞刚度是最主要的影响因素,而当前对于碰撞刚度的研究还缺乏足够的试验证明,所有研究均是在碰撞刚度假设的基础上完成的,这对碰撞效应研究的可靠性产生重大影响,因此,有必要展开桥梁碰撞试验,给出合理的碰撞刚度取值,选取最适合的碰撞模型,这是研究桥梁碰撞效应的首要问题。
2、桥梁结构简化计算问题。
相邻结构和边界条件对桥梁结构动力模型有很大影响,在建立模型的过程中尽量建立全桥模型,但是对于很长的桥梁,进行全桥分析还存在一定困难。
因此,对单联和多联模型。
单联不同跨数模型、单联和单墩模型进行比较研究,提出一种简化判断方法,以适应不同设计阶段的不同设计需求。
3、桥梁结构非线性问题。
从碰撞效应对结构地震响应的研究来看,支座的非线性、桥墩的非线性是桥梁结构的真实反映,无论是顺桥向还是横桥向都应该是碰撞效应研究首先考虑的因素。
4、影响桥梁碰撞效应的因素。
除了碰撞刚度以外,还有很多因素影响桥梁的碰撞效应,如桥梁类型、邻联的周期比和质量比、邻跨间距、合理间隙(梁端、梁体与挡块)、支座类型、桩土约束作用、桥台影响、桥面的横、纵坡、输入地震动、地震动空间效应均应考虑。
5、防碰撞措施研究。
防碰撞装置应该能够消耗地震作用带来的巨大撞击力,同时还要保护桥墩或者桥台的受力性能。
防碰撞设备可以是一种产品兼具两种功能,如减隔震支座,新型阻尼器;也可以是两种产品协作完成防碰撞的任务,如减隔震支座、限位装置、连梁装置和伸缩装置的自由组合。
因此,对应各种不利工况下的碰撞效应,研究不同装置的参数具有现实意义。
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