脉冲地震下简支梁桥倒塌过程及响应分析.pdf
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1、第 卷 第 期 年 月世 界 地 震 工 程 .收稿日期:修回日期:基金项目:国家自然科学基金面上项目()作者简介:游四方()男助理工程师硕士主要从事桥梁抗震及设计工作:.通信作者:郑史雄()男教授博导博士主要从事桥梁抗风与抗震研究:.文章编号:():./.脉冲地震下简支梁桥倒塌过程及响应分析游四方岳伟勤胡洋郑史雄鲁玉忠杨 磊(.黄河勘测规划设计研究院有限公司河南 郑州 .中铁长江交通设计集团有限公司重庆.蜀道投资集团有限责任公司四川 成都 .西南交通大学 土木工程学院四川 成都)摘 要:为了模拟脉冲地震作用下简支梁桥的倒塌过程基于 平台建立了简支梁桥的三维有限元模型并人工合成了不同脉冲幅值和
2、脉冲周期的地震动研究了脉冲幅值和脉冲周期对简支梁桥倒塌过程和地震响应的影响总结了地震作用下简支梁桥的灾变过程 研究表明:脉冲幅值对简支梁桥的倒塌模式影响显著脉冲幅值较小时桥墩发生倒塌脉冲幅值较大则会导致梁体落梁脉冲幅值对桥梁位移响应影响较小对内力响应和碰撞效应影响较大增大脉冲幅值会加重梁间的碰撞效应从而消耗大量地震能量位移响应随脉冲周期的增大而增大梁间碰撞力则与之相反桥梁开始出现损伤的时间点与脉冲周期的大小有关脉冲周期越小开始出现损伤的时间越靠近地震加速度峰值时刻脉冲地震作用下简支梁桥的倒塌表现为三个阶段:分别为正常运行阶段、损伤演变阶段和倒塌阶段关键词:简支梁桥地震动合成脉冲幅值脉冲周期倒塌
3、分析时程分析中图分类号:文献标识码:(.):.:.第 期游四方等:脉冲地震下简支梁桥倒塌过程及响应分析.:引言我国的地震断裂带众多且十分活跃考虑到修建成本、工程进度和地形地貌等条件的影响和约束某些结构会不可避免出现靠近断层的情况受到断层地震动的影响显著 并且随着西部开发战略和城镇化建设的推进交通系统不断完善铁路和公路网络纵横交织这使得作为现代交通“咽喉”的桥梁结构得到了广泛发展 简支梁桥结构简单其凭借施工质量好和效率高的优势作为城市高架桥和引桥的基本体系广泛应用于公路铁路系统桥梁倒塌会导致道路交通进入瘫痪严重影响抗震救灾进程 因此国内外研究学者对桥梁倒塌进行了相关研究 黎雅乐基于振动台实验和有
4、限元模拟对强震作用下连续梁桥的动力特性、灾变机理、倒塌准则和倒塌控制方法等进行了系统性研究揭示了简支梁桥的倒塌破坏模式范振华为评估地震作用下高墩刚构桥的抗倒塌能力提出了基于墩顶竖向位移的倒塌破坏判断准则林远铮等通过振动台实验和 数值模拟系统研究了断层破裂情况下钢混组合刚构桥的抗震性能左烨等通过多尺度建模分析了连续梁桥、简支连续梁桥及简支梁桥在地震作用下倒塌过程揭示了三种桥型倒塌过程的机制及区别罗文文等基于 的结构倒塌易损性方法定量分析了变形准则、刚度准则、损伤指标准则及刚度与变形准则这 种倒塌标准下钢筋混凝土框架结构抗倒塌能力孙利民等基于显式积分法的非线性有限元软件 对贵州省高速公路上跨越山谷
5、的曲线 型刚构高墩混凝土桥实现了全桥倒塌过程的仿真徐俊祥等利用 程序建立数值分析模型再现土耳其 大桥在 年地震中由于地裂引起倒塌的过程并与真实的倒塌场景进行比较验证了分析模型的正确性宗周红等在 软件中建立了大跨度斜拉桥显式有限元模型对强震作用下大跨斜拉桥增设阻尼器和辅助墩前后的倒塌破坏模式进行了研究 尽管已有不少学者对简支梁桥的倒塌机理进行了研究但对脉冲地震作用下桥梁倒塌问题的研究较少成果相对有限 因此模拟脉冲地震下简支梁桥的倒塌过程研究脉冲参数对简支梁桥的影响对实际工程应用具有重要意义综上所述本文以某简支梁桥为研究对象基于 平台建立简支梁桥的三维有限元模型根据脉冲地震特征人工合成不同脉冲幅值
6、和脉冲周期的地震动模拟脉冲地震作用下简支梁桥倒塌全过程研究脉冲幅值和脉冲周期对简支梁桥倒塌过程和地震响应的影响脉冲地震动合成方法目前人工合成脉冲地震动的普遍思路是分别模拟地震记录中的低频脉冲成分和高频无脉冲成分并将二者叠加 许多学者提出了速度脉冲的简化模型 等认为脉冲型地震波是不同周期长度的正弦或余弦波的组合 等采用分段函数进行非线性回归分析介绍了一种等效速度脉冲方法等从断层地震动中提出滑冲脉冲的预测模型并将该模型与现有经验模型对比结果表明该模型与脉冲周期、脉冲幅值模型吻合较好 等提出了一种断层地震动合成方法并提出了荷载函数的参数选择方法该方法可以根据桥梁沿断层的位置合理准确地估计了地震需求
7、等提出的等效速度脉冲模型能精准地模拟破裂前方效应和滑冲效应所引起的单峰值、双峰值和多峰值地面振动并能适应不同幅值的相邻脉冲李帅等通过将断层地震动分解得到近断层地震动的高频部分然后叠加脉冲模型得到人工合成的跨断层地震动 等提出了一种用脉冲振幅衰减函数表示的速度脉冲的等效模型 上述速度脉冲模型中有的模型只考虑了脉冲速度峰值和脉冲周期有的模型将脉冲的形状调整参数也考虑了在内而在函数的表达形式上速度时程通常利用分段函数表示由于现有的等效速度脉冲模型通常采用分段函数表示等效速度时程导致了实际脉冲速度时间过程的曲线拟合流程非常麻烦 此外一些等效脉冲模型只具有一种形态不能模拟其他特定的脉冲形状 为了解世 界
8、 地 震 工 程第 卷图 脉冲地震合成.决这些问题田玉基等提出了单一连续函数来表示脉冲的速度时间过程并使用 个精确的待定参数表示了速度脉冲的脉冲周期、速度峰值以及形状特征为了准确体现脉冲效应根据随机振动理论将平稳过程乘以包络函数得到非平稳过程 脉冲地震动的合成包括两部分:分别为高频成分和低频脉冲部分 前者可以依据设计反应谱通过三角级数和包络函数得到高频无脉冲的非平稳地震加速度结果 后者选择田玉基等提出的等效速度脉冲模型进行低频脉冲地震动的合成其中等效速度脉冲模型用下式表达:()()()()式中:是速度脉冲的峰值 为速度脉冲频率()为速度脉冲相位角 为速度时程的持续时间 速度时程的包络函数由下式
9、确定:()()()式中:是包络函数的峰值发生时刻 表示峰值衰减速度通过数值微分对等效速度脉冲结果进行分析得到脉冲加速度时程 调整 和 的数值使高频成分和低频脉冲部分加速度最大值出现在同一时刻然后通过叠加即可得到含有低频脉冲的非平稳地震动时程 图 为脉冲型地震动的合成示意图工程数值算例.桥梁简介以某简支梁桥为实际工程背景该桥的上部结构为 的预应力混凝土简支 梁 号桥台和 号桥台为桩柱式桥台桥墩为双圆柱墩墩身高度为 墩台桩基础均按嵌岩桩设计桩基础嵌入中风化砂岩不小于.倍桩径简支梁桥的全桥布置如图 所示图 简支梁桥全桥布置.第 期游四方等:脉冲地震下简支梁桥倒塌过程及响应分析图 简支梁桥有限元模型.
10、有限元建模基于/平台建立简支梁桥的三维有限元模型其中全桥混凝土、支座采用实体单元模拟钢筋采用梁单元模拟并对相关结构进行适当简化不考虑桩土效应 该简支梁桥的有限元模型如图 所示在/中通常采用关键词 进行面面自动接触的模拟并对摩擦、阻尼、接触时间和罚因子等进行控制 此外在地震作用下结构出现破坏后可能出现落梁并发生主梁与桥墩的碰撞和主梁与地面的接触等这些都可以通过自动面面接触进行接触定义 除此之外还应添加关键词 对整个模型的接触提供一个全局性的把控其中包括接触刚度、接触厚度、接触搜寻循环数以及是否考虑初始穿透等问题 针对不同接触问题适当调整参数设置对提高计算精度是很有必要的.脉冲型地震动合成根据人工
11、脉冲地震动合成方法分别合成了不同脉冲幅值和脉冲周期的地震动 为了研究脉冲幅值和脉冲周期对桥梁倒塌过程和地震响应的影响控制地震动的 为.合成地震动的参数信息见表 图 分别为不同脉冲幅值和脉冲周期的加速度、速度时程曲线表 人工合成地震参数信息 脉冲地震参数工况脉冲参数低频脉冲幅值/(/)低频脉冲周期/(/)第一组:脉冲幅值工况 /.工况 /.工况 /.工况 /.工况 /.工况 /.第二组:脉冲周期工况.工况.工况.工况.工况.世 界 地 震 工 程第 卷图 不同脉冲幅值的地震加速度和速度时程曲线.第 期游四方等:脉冲地震下简支梁桥倒塌过程及响应分析图 不同脉冲周期的地震加速度和速度时程.结果分析.
12、自振特性分析表 简支梁桥前 阶自振频率及振型 阶次频率/振型.主梁横向振动桥墩横向弯曲.主梁横向振动桥墩横向弯曲.主梁横向振动桥墩扭转变形.主梁横向振动桥墩扭转变形.主梁纵向振动桥墩纵向弯曲.主梁纵向振动桥墩纵向弯曲图 /时桥梁倒塌破坏过程./中进行结构自振特性的计算需采用隐式求解功能 该简支梁桥前 阶模态的频率及振型见表 从表中可以看出该简支梁桥的振型主要以主梁振动桥墩弯曲为主.不同脉冲幅值地震下倒塌过程及响应分析脉冲幅值的大小往往关系到脉冲地震的强弱幅值越大脉冲能量越大越容易导致桥梁破坏 依次取脉冲幅值为、和 /进行人工脉冲地震动的合成研究脉冲幅值对简支梁桥的倒塌过程和地震响应的影响.倒塌
13、过程分析不同脉冲幅值人工地震作用下简支梁桥倒塌破坏过程大致可以分为三种模式分别为:墩底出现单元部分失效但未能演变出倒塌破坏、桥墩墩底单元大规模失效导致桥梁整体倒塌和墩梁相对位移过大而引起落梁破坏此外不同的破坏方式与脉冲幅值的大小也存在明显的正相关性当 /时简支梁桥支座和墩底部分混凝土虽然有较多单元失效但在地震加载过程中桥梁整体并没有发生倒塌图 为地震峰值加速度所在时刻(.)简支梁桥单元失效情况可以看到墩底是单元失效较为严重的部位说明墩底的损伤程度最高 当.时桥墩没有额外出现大面积单元失效的情况桥梁结构并没有发生垮塌破坏当 /和 /时桥梁的倒塌破坏是由于墩底损伤过大所造成的桥墩倒塌 简支梁桥一侧
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