多跨斜交简支梁桥考虑多点碰撞效应的抗震性能研究

作     者：杜桁 

作者单位：重庆交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：徐略勤

授予年度：2022年

学科分类：081406[工学-桥梁与隧道工程] 08[工学] 0814[工学-土木工程] 082301[工学-道路与铁道工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：多跨斜交简支梁桥 多点碰撞效应 多尺度有限元模型 耐震时程分析 损伤指标 参数分析 桥梁损伤模式 

摘      要：斜交桥由于其不规则的结构特点能够有效地适应道路线形,因此被广泛地被运用于我国高速公路和市政道路中,其中多跨斜交简支梁桥是斜交桥的主要结构形式之一。汶川震害调查发现,多跨斜交简支梁桥在地震中主要表现为上部梁体产生较大位移、平面转角和纵横向碰撞现象,同时伴随着板式橡胶支座摩擦滑移、限位挡块剪切破坏和纵向伸缩缝拉裂错位等震害,下部墩柱主要产生环形裂缝或整体倒塌,但比例较低。正是由于上、下部结构之间采用板式橡胶支座这种弱连接方式,多跨斜交简支梁桥在地震中表现出了非常明显的位移主导型震害,加上挡块等限位构件的失效,不受控的位移响应导致主梁与主梁间、主梁与限位挡块之间、主梁与桥台之间产生了严重的多点局部碰撞问题,引发梁端、桥台、挡块等构件整体或局部受损,大大加剧了桥梁震后修复的难度。为了探究多点碰撞现象对多跨斜交简支梁桥抗震性能的影响规律,及其对各重要构件地震损伤的作用机理,本文首先通过建立多跨斜交简支梁桥在在不同参数工况下的分析模型,定义了各重要构件的损伤量化指标,基于非线性时程分析方法,对多点碰撞效应进行了较为全面的研究。其次,为了进一步揭示多跨斜交简支梁桥多点碰撞现象产生的机理及参数变化规律,采用多尺度有限元分析方法,更为细致地研究了斜交主梁的局部碰撞效应。最后,基于耐震时程法研究了不同斜交角和限位挡块强度对多跨斜交简支梁桥抗震性能的影响,提出了桥梁的三种损伤模式,可为该类桥梁抗震设计理念和方法的完善提供参考方向。本文的主要研究内容和结论如下: (1)选取我国高速公路上典型的多跨斜交简支梁桥作为基准研究对象,采用SAP2000建立了考虑各类非线性因素的全桥精细化有限元分析模型,并以斜交角、限位挡块强度和伸缩缝宽度作为变化参数,分别设置了不同的分析工况。根据公路桥梁抗震规范设计反应谱匹配了合适的地震波,对各工况模型进行了非线性时程分析,结合所定义的构件损伤量化指标,对关键构件在地震作用下的损伤状态进行了研究。结果表明:斜交角和限位挡块强度对多跨斜交简支梁桥的影响最为显著,而伸缩缝宽度的影响较小。当斜交角为30°时,桥梁各处响应均达到峰值,在所有分析工况中最不利;当挡块强度达到30%时,挡块发挥出最大限位效果;当伸缩缝宽度为6cm时,主梁的平面移位和转动最小。就多点碰撞效应而言,多跨斜交简支梁桥在地震作用下主要表现为“相邻主梁发生碰撞→纵、横向平动位移增大→碰撞部位不均匀碰撞现象增强→主梁发生转动→碰撞力增大→转动加剧的循环过程;增设挡块能够有效地限制了主梁的移位和转动,但会使得桥梁从单向碰撞转换为双向碰撞,改变主梁的转动方向,且过高的挡块强度会导致过大的碰撞力;伸缩缝宽度的增大能够有效地限制主梁的位移并减少碰撞次数,但同时也会使得碰撞力有所增大。 (2)为了更细致地研究地震作用下多跨斜交简支梁桥的局部碰撞效应,采用ABAQUS分别建立了不同参数下的多尺度有限元模型。通过对比多尺度有限元模型与实体限元模型可知,多尺度模型的计算效率更高且计算成本更低,但两种模拟方式的结果差异不大;同时通过动力特性、沙漏能占比和上部结构响应等方面验证了多尺度模拟方法的准确性和结果可靠性。研究表明:与三维杆系模型相比,多尺度模型在分析中考虑了空间摩擦力,使得碰撞力结果显示为实际的碰撞方向,而不是人为指定的碰撞方向;多跨斜交简支梁桥的纵向碰撞力沿伸缩缝呈现出“两边大中间小的分布规律,而横向碰撞则呈现出较大的离散性和不规则性;斜交主梁发生碰撞的次数明显多于正交主梁,而增设挡块能够有效地限制正交和斜交桥的纵、横向碰撞效应,且其限制作用对斜交桥更加明显。 (3)为了研究不同参数取值下多点碰撞效应对多跨斜交简支梁桥抗震性能的影响,基于计算效率高且计算成本较低的耐震时程分析法(ETM),对多跨斜交简支梁桥的三维杆系模型和多尺度有限元模型输入耐震时程曲线后进行了非线性时程分析。结合构件的损伤量化指标,对桥梁的损伤模式进行了分类讨论。研究表明:当斜交角为30°时,多跨斜交简支梁桥的耐震时间最短,抗震性能最弱,在地震作用下最容易发生损伤;当限位挡块的强度高于10%后,桥梁的抗震性能有所提高,但过高的挡块强度会导致下部墩柱的损伤加剧;增设横向挡块能够有效地限制正交、斜交主梁的纵、横向碰撞效应,使得发生初次纵向碰撞的耐震时刻延后,即桥梁能够在经历长时间地震作用后才发生碰撞。值得一提的是,挡块在斜交梁桥中能够更加充分地发挥其限位作用,能够更加有效地抑制主梁的双向碰撞效应及耐震时间,提高桥梁的抗震性能。在耐震时程曲线的激励下,多跨斜交简支梁桥的损伤模式可大致分为三类:“支座→桥墩→主梁、“桥墩→主梁、“桥墩→支座→主梁,这三种损伤模式突出了板式橡胶支座和限位挡块的协同作用。合理设置挡块强度,相当于在桥梁中设置了“保险丝系统,可以有效地保护桥墩和主梁,实现“多道设防,