桥梁地震碰撞机理和抗震设计建议

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2015年6月 第6卷第3期 高速铁路 

SPEED RAILWAY 技术 rECHN0L0GY No.3.Vo1.6 

Jun.2015 

文章编号:1674--8247(2015)03-_0017_-05 

桥梁地震碰撞机理和抗震设计建议 黄泰烈 朱敏 曹凌飞 申爱国 (1.中铁西安勘察设计研究院有限责任公司, 西安710054; 2.中铁二院工程集团有限责任公司, 成都610031;3.西南交通大学, 成都610081) 

摘 要:地震时梁部碰撞直接导致梁体或桥台破损,严重时会出现落梁、支座破坏。利用Midas/civil软件,通 过建立有限元模型,对简支梁、连续梁和连续刚构桥梁地震碰撞模拟分析,揭示了桥梁地震碰撞的机理以及 简支梁、连续梁和连续刚构桥梁地震碰撞的特点:制约桥梁地震碰撞的最重要因素是墩身高度、墩底的基础 刚度,其他因素则包括诸如梁体重量、梁体与桥墩之间的结合方式、以及制动墩的位置等。碰撞事件的发生 主要取决于结构自身的振动特性,结构的振动特性总体控制了碰撞次数和碰撞强度。提出了碰撞缓冲液压 装置等防止桥梁地震碰撞破坏的有关设计建议和方案。 关键词:桥梁;地震;设计建议 中图分类号:U442.5 5;U442.5 9 文献标志码:A 

Mechanism of Seismic Collision on Bridges and Aseismic Design Suggestions HUANG Tailie ZHU Min CAO Lingfei SHENG Aiguo (1.China Railway Xi’an Survey and design Institute Co.,Ltd.,Xi’an 7 10054,China; 2.China Railway Eryuan Engineering Group Co.,Ltd.,Chengdu 610031,China; 3.Southwest Jiaotong University,Chengdu 610081,China) Abstract:When the earthquake occurs,collisions between beams will directly cause damages on beams and abutments, severe collisons will lead to beam falling or damages of bearings.The mechanism of seismic collision on bridges and seis— mic characters of simply suppoaed beam,continuous beam and continuous rigid flame bridges are revealed by simulation analysis using Midas/civil software and building finite element model:The most critical factors influencing bridge seis— mic collision are pier height and stiffness of the pier ̄undation as well as other factors including beam weight,connec— tion mode between the pier and beam and braking pier position.The happening of collision mainly depends on the self oscillation characteristics of the structure which generally control the design suggestions and solutions like collision buffer hydraulic device mic collisions. Key words:bridge;seism;design suggestion 

1 桥梁地震碰撞研究现状 地震时,桥梁上部结构破坏,主要表现在梁移位、 落梁、梁体碰撞、支座破坏。梁部碰撞直接导致梁体或 收稿日期:2015-04-01 作者简介:黄泰烈(1963一),男,高级工程师。 collision numbers and collision strength.Relevant are proposed to prevent bridge damages from seis- 桥台破损,严重的会出现落梁、支座破坏。汶川地震 中,多座桥梁发生碰撞性破坏,如图1所示,致使桥梁 严重受损。因此,对于桥梁的地震碰撞破坏必须引起 人们的高度重视。 目前我国铁路、公路、市政有关地震规范对桥梁结 构所处的场地、地基情况、桥墩强度等级及配筋钢筋直 径和含筋率均作了要求和规定,对梁端横向和纵向的 第3期 黄泰烈,等:桥梁地震碰撞机理和抗震设计建议 2015年6月 和基础的分析,从而得出了有关桥梁地震碰撞的机理。 下面就(5O+84+50)m刚构桥地震碰撞进行重点 分析。 2.2.1 (50+84+50)m刚构桥地震碰撞效应 (1)刚构桥计算模型 为了与其他桥型的地震碰撞特点进行比较,选取 

一座跨度为(50+84+5O)m刚构桥进行地震碰撞研 究。为了深入了解连续刚构桥在地震当中的碰撞特 点,本研究在保持上述跨度不变的前提下,选取了3种 不同墩高和2种不同基础形式进行组合,从而建立了 以下6种计算模型,如表1所示。 表1 6种计算模型的表观特征 模型编号 墩高/m 基础类型 1 20 弹性基础 2 20 刚性基础 3 50 弹性基础 4 50 刚性基础 5 80 弹性基础 6 80 剐性基础 

(2)碰撞分析成果 分别对刚构桥各个模型采用修正后的E1 Centro 地震波作用进行非线性时程分析,并输出每个模型中 梁间相对位移和梁体与桥台间相对位移,以及碰撞力。 本文仅显示了模型1和模型3~6计算成果,分别如图 4~图8所示。 

0・2 蠢 

。 .0.1 (a)结构模型(m) 时间/s 1 注:’ 梁与b 0号台i相对l位移。 。 i一 : \‘i.Ii ,I 一 (b)计算相对位移时程图 图4模型1中梁体两端的相对位移时程图 (3)碰撞计算结果简要分析 ①从图4一图8所示的计算结果可以看出,在连 续刚构桥的6个模型中只有模型3、模型5和模型6发 生了碰撞,而模型1、模型2和模型4未发生碰撞。 ②比较模型3、模型5和模型6的碰撞可以看到, 模型5和模型6的碰撞比模型3的碰撞更为严重,这 是由于墩高的不同所决定的。 ③比较模型5和模型6的碰撞可以看到,由于墩 碰 撞 处 l 一 碰 ⑥ 目 撞 处 J .一 ( )(a)结构模型(m)( ) 1 2 3 4 5 6 8 9 lO l1 l2 1: 14 15 16 l7 l8 19: 1.I3.5I是0I号I台。l l。,!、。I ~~。。~。。 2—4是3号台, I I ~ ’ 。 ② 5.4 6【 6.. 6 8 7.6 8.4 8. \ ’y _弋r1] 。 《 ① ② ④ I l l 1 0.3 薹 姿.。_0 (b)各个碰撞群的细节 时间/s l 注:——梁与0号台相对位移 , 悉 fff f f 一 碰撞1 2 3 4 5 (c)计算相对位移时程图 图5模型3碰撞过程和碰撞群细节以及相对位移过程 0・2 蠢 嚣 。 

.0.1 

84 . 50 ① ② (a1结构模型(n1) 

时间/s 1 1 

… : 『、, M从 从从 ~~ ’ ’“ f ,t ^目、 (b)计算相对位移时程图 图6模型4中梁体两端的相对位移时程图 高相同,因此2个模型的碰撞强度基本相同,但还是表 现出一定的差异。因模型5为弹性基础,模型6为刚 性基础,所以,模型5的碰撞次数比模型6的碰撞次数 多,造成的碰撞后果也更严重。 ④从模型5中,即具有80 m高墩和弹性基础的 (5O+84+50)m连续刚构桥的典型碰撞过程可以看 到,桥的两端共发生了10次较强的碰撞,并且这10次 第3期 黄泰烈,等:桥梁地震碰撞机理和抗震设计建议 2015年6月 碰 面 T 『 撞 。l 碰 处 。。J 撞处 

上 ② ① (a】结构模型(m) 0 2 4 8 l0 12 14 16 l8 20 

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; …细节 黼 IlO 

时间/ l 

…一梁与3号台相对位移 (c)计算相对位移时程图 

图7模型5碰撞过程和碰撞群细节以及相对位移过程 

碰撞分别由0号台和3号台处交替碰撞构成。从模型 3、模型5、模型6碰撞效果看到,碰撞事件是由多个碰 撞群组成,每一个碰撞群通常是由多个微碰撞构成的, 微碰撞之间的时间间隔非常短暂,强度高。 ⑤从模型6可以看到,梁端在地震过程中左右振 动,分别对梁端桥台造成交替性碰撞。从时间轴上可 以看到,交替碰撞的平均时间间隔大约为0.8 s。在桥 梁振动模态分析中已经知道,如图9所示,模型6的左 右振动基本模态周期为2.11 s。从模型5可以看到, 平均碰撞时间间隔为1 S,与之对应的计算模型5的基 本振动模态周期是3.35 S。因为模型5采用的是弹性 基础,墩高达80 m,顺桥向刚度比较弱,自由振动的左 右摆动幅度比较大,交替碰撞的平均时间间隔较长,但 碰撞次数较多,碰撞强度也普遍偏大。 2.3桥梁地震碰撞机理 采用以上方法,分别对4类桥梁进行了地震碰撞 模拟分析,可得出以下结论: (1)桥梁地震碰撞是由交替不断的多个碰撞群构 

碰 撞 处 (a)结构模型(m) 碰 撞 处 

堇_l00 0o0 .200000 .300 000 0 重一100 000 

一200 000 .300 000 

乓0.2 漤0 1 

0 一0.1 

② 1-3.5:3号台:2-4.6:0号台 ①ll② lI。f③Il④Il⑤l l⑥ (b)各个碰撞群的细节 时间/s 1 

(c)计算相对位移时程图 图8模型6碰撞过程和碰撞群细节以及相对位移过程 

弹性基础 弹性基础 弹性基础 弹性基础 刚性基础 刚性基础 图9在不同墩高和基础形式组合下刚构桥纵向振动模态 

成,每一个碰撞群间隔时间受桥梁振动的基本模态周 期控制,但通常小于基本模态周期。每一个碰撞群通 常是由多个微碰撞构成,微碰撞之间的时间间隔非常 

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