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混凝土梁桥防落梁失效控制模式对比分析# 摘要：落梁失效是地震中混凝土梁桥最为严重和普遍的一种震害，通过设置防落梁失效控制 装置可以降低落梁震害发生的概率。本文采用通用有限元软件ANSYS 对两种常用的混凝土 梁桥防落梁结构模式，梁-梁连接模式和墩-梁连接模式的防落梁控制行为进行了数值模拟， 分析比较了两种防落梁结构模式的控制效果，讨论了控制装置中的连接刚度、连接间隙等控 10 制参数的影响规律。 关键词：混凝土梁桥；落梁；失效控制；地震 Analysis and comparison of unseating failure prevention control model of concrete girder bridge Abstract: TUnder seismic action, the main pier top beam off the beam which is the most serious and widespread earthquake damage in the concrete beam bridge,and by setting the anti-fall beam failure control devices can reduce the probability of earthquake damage occurred off the beam.Using general-purpose finite element software ANSYS for the anti-fall beam structure on two common concrete girder bridge mode, the beam - beam connection mode and the pier - beam 25 connection mode anti-fall beam conducts the numerical simulation, analysis and comparison of two anti-dropthe control effect of the beam structure model to discuss the connection stiffness, the control device connected and gap control parameters of the law. Keywords: Concrete Beam Bridge; Off the beam; Failure to control; Earthquake 30 0 引言 桥梁是重要的社会基础设施，在国民经济和居民日常生活中发挥着重要的作用。同时桥 梁又是生命线工程系统中的关键设施，在震后紧急救援和灾后重建中有着极其重要的地位， 使得桥梁的抗震防灾工作显得尤为重要，提高桥梁的抗震能力是我国公路交通建设中面临的 重大课题[1-2]。对于混凝土梁桥而言，落梁失效破坏是一种最为严重和普遍的震害形式，落 35 梁破坏会造成严重的交通中断，震后修复也比较困难，落梁时梁端有可能撞击桥墩，导致桥 梁整体倒塌，造成的损失是巨大的。失效的而桥梁上部结构的主梁之间的相互碰撞引起沿纵 桥向的落梁是桥梁倒塌的主要原因。通过设置防落梁装置可以在一定程度上降低桥梁落梁的 概率，提高桥梁的抗震安全性。而桥梁上部结构的主梁之间的相互碰撞引起沿纵桥向的落梁 是桥梁倒塌的主要原因，而安装限位控制装置可以在一定程度上防止落梁的发生[3]。实际中 40 常用的限位控制装置结构模式如图1 所示。 图1 常用的梁-梁连接控制模式以及墩-梁连接控制模式 Fig.1 Commonly used restrainer device 45 常用的有两类：一类是墩顶主梁与下部结构间相互作用的墩-梁连接控制。常用的墩-梁 连接控制装置主要有两种：一种是连接板式或者拉杆式的既受拉又受压的墩-梁连接控制装 置；另一种是缆索式的只能收拉的墩-梁连接控制装置，墩-梁连接控制装置直接把主梁的惯 性力传递到桥墩或桥台；另一类型是梁体直接连接的梁-梁连接控制装置。常用的梁-梁连接 控制装置也主要有两类：一类是只受拉的缆索梁-梁连接控制装置，另一类是既能受拉又能 50 受压的拉杆梁-梁连接控制装置，梁-梁连接控制装置是通过连接各个分离的梁段，使其在地 震中各个梁段之间进行地震力的传递[4]。 本文使用ansys 通用有限元软件对如上的连接控制装置结构模式进行地震动时程分析， 就限位效果以及影响连接控制装置装置的参数(限位刚度以及初始间隙)来对比分析两种连 接控制装置装置的优缺点。 55 1 考虑桥台影响的桥梁分析模型 在现有的简化连续梁桥计算模型中都不曾考虑到桥台的影响，这与实际中是不相符的。 实际中桥台通过后墙填土给主梁提供纵向的水平推力，不考虑桥台对主梁的影响是保守的， 本文在桥梁简化模型中纳入了桥台的影响，如图2 所示。 每联桥梁的质量用一个集中质量代替，分别为m1、m2，伸缩缝处的桥墩用mp 代替；k1、 60 k2、kp 分别表示相邻两联以及伸缩缝处桥墩的水平抗推刚度，本模型中把桥墩的弹塑性用双 线性弹簧模拟，如图1 所示，其屈服后刚度分别用k’ 1、k’ 2 k’ p，如图所示；c1、c2、cp 分别 代表相邻两联以及伸缩缝处桥墩的阻尼；kd 代表桥台处作用于主梁的水平抗推刚度；每联与 伸缩缝处桥墩通过板式橡胶滑动支座连接，橡胶支座的初始剪切刚度何阻尼为kb 和cb；主 梁伸缩缝与桥台与主梁的间隙均用s Δ 表示，采用一个线性弹簧kk 并联一个阻尼ck 来模拟两 65 联桥梁之间的碰撞[5-6]。 图2 考虑桥台影响的桥梁分析模型 Fig.2 Considering the influence of abutment bridge analysis model 70 在ansys 有限元中使用其中桥墩的水平抗推刚度k1、k2、kp采用非线性弹簧单元combin39 模拟，combin39 单元可以通过设置选项来选择卸载沿初始斜率，从而具有滞回耗能作用； 碰撞单元以及桥台带间隙的单元用combin40 单元模拟，combin40 单元是一个具有间隙和控 制能力的双线性单元，combin40 是相互平行的弹簧滑动器和阻尼器的联合，并且串联着一 个间隙控制器。 75 表1 桥梁分析模型参数 Tab.1 Bridge analysis model parameters 刚度k(kN/mm) 质量m(E+06Kg) 屈服力F(kN/mm) 伸缩缝间隙 Δ (mm) 左联桥梁参数 100 2 4 - 右联桥梁参数 25 2 2 - 桥墩参数 20 0.1 2.3 25 桥台参数 700 - 5.5 25 桥梁简化模型的参数如表1 所示，桥墩以及每联桥梁均采用双线性恢复力模型，后屈服 80 刚度均取为屈服前的10%。 沿水平方向输入地震波，地震波采用1940 EI Centro波，如图3 所示，加速度峰值为0.7g ， 取前20s 。 -6.00E+00 -4.00E+00 -2.00E+00 0.00E+00 2.00E+00 4.00E+00 6.00E+00 8.00E+00 0 5 10 15 20 图3 EI Centro 波 85 Fig.3 The seismic wave of el centro 2 限位效果对比分析 伸缩缝处主梁之间的梁-梁连接控制装置使用缆索类型，缆索只受拉不受压而且有初始 间隙，在ansys 中用combin40 单元模拟，combin40 单元可以模拟只受压不受拉或者倒钩单 90 元（即缆索限位）。 在分析时梁-梁连接控制装置的刚度取为175E+06N/m，假定左联刚度k1 不变，通过改 变右联刚度k2 来改变k2/k1，使k2/k1 比值在0.1-1.0 之间变化，梁-梁连接控制装置的初始间 隙为0.01m，其他参数保持不变。 1 5 9 13 17 21 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1刚度比(k2/k1) 位移(cm) 没有限位装置 安装连梁装置 安装墩梁装置 95 图4 墩顶主梁相对位移峰值 Fig.4 The relative displacement of pier top girder comparison 1 3 5 7 9 11 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1刚度比(k2/k1) 位移(cm) 没有限位装置 安装连梁装置 安装墩梁装置 100 图5 短周期联墩梁相对位移峰值 Fig.5 Short cycle linked London beam relative displacement comparison 1 3 5 7 9 11 13 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1刚度比(k2/k1) 位移(cm) 没有限位装置 安装连梁装置 安装墩梁装置 图6 长周期联墩梁相对位移峰值 105 Fig.6 Long cycle linked London beam relative displacement comparison 1 1.5 2 2.5 3 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1刚度比(k2/k1) 力(E+06N) 没有限位装置 安装连梁装置 安装墩梁装置 图7 桥墩水平受力峰值 Fig.7 Pier horizontal force comparison 如图4-图7 所示，在伸缩缝处墩顶主梁之间安装梁-梁连接控制装置，可以有效的减小 墩顶主梁间相对位移，特别是对于变敦高相邻联动力特性不同时，其作用越明显。对于短周 期联墩梁相对位移不具有明显的规律性，但是对于长周期联墩梁相对位移是减小的，但是减 小的幅度不是很大(大约10%)。而且梁-梁连接控制装置对桥墩受力影响很小，几乎不会增 115 大桥墩受力。 在伸缩缝两侧桥墩与主梁之间安装墩-梁连接控制装置，可以有效的减小墩梁之间相对 位移，对墩顶主梁间的相对位移影响要受相邻联刚度比影响，当k2/k1>0.6 时在墩梁之间安 装墩-梁连接控制装置不会对墩顶主梁相对位移产生影响，只有在k2/k1<0.6 时墩梁限位才会 减小墩顶主梁相对位移，且刚度比相差越大，墩顶主梁相对位移减小幅度越大；当相邻联刚 120 度比相差较大时，墩-梁连接控制装置可以减小墩顶主梁间的碰撞力；但是墩-梁连接控制装 置将会增大桥墩受力，使得桥墩偏于不安全！ 从图中可知，对于限制墩顶主梁的相对位移，梁-梁连接控制装置效果要好于墩-梁连接 控制装置，但是墩-梁连接控制装置对于墩顶主梁相对位移也有一定的限位效果；对于限制 墩梁相对位移，墩-梁连接控制装置要远好于梁-梁连接控制装置，梁-梁连接控制装置仅对长 125 周期联墩梁相对位移有一定的限位效果，但限位效果很差；梁-梁连接控制装置不会增大桥 墩的受力，但是墩-梁连接控制装置会明显增大桥墩的受力。 3 连接控制装置刚度的影响 分析限位控制装置的刚度影响时，假定左联刚度k1 不变，右联刚度k2 为k1 的0.3 倍， 连接控制装置初始间隙为0.01m，连接控制装置的刚度分别取: 50E+06N/m、100E+06N/m、 130 175E+06N/m、225E+06 N/m、300E+06N/m 变化，其他参数保持不变。 1 3 5 7 9 11 50 100 150 200 250 300 限位刚度(KN/mm) 位移(cm) 安装连梁限位 安装墩梁限位 图8 墩顶主梁相对位移峰值 Fig.8 he relative displacement of pier top girder comparison 1 3 5 7 9 11 50 100 150 200 250 300 限位刚度(KN/mm) 位移(cm) 安装连梁限位 安装墩梁限位 135 图9 长周期联墩梁相对位移峰值 Fig.9 Long cycle linked London beam relative displacement comparison 0 0.5 1 1.5 2 2.5 50 100 150 200 250 300 墩梁限位刚度(KN/mm) 力(E+06N) 安装连梁限位 安装墩梁限位 图10 桥墩水平力峰值 Fig.10 Pier horizontal force comparison 140 从图8-图10 可知，当相邻联刚度比很大时，即相邻联振动特性差别显著时，梁-梁连接 控制装置的刚度影响比较明显，增大连梁-梁连接控制装置的刚度，将减小墩顶主梁相对位 移，而当相邻联刚度比差别不显著时(k2/k1>0.5)，此时限位装置刚度影响不明显；梁-梁连 接控制装置对墩两相对位移影响不明显。 145 只有在相邻联动力特性相差较大时(k2/k1<0.5) 墩-梁连接控制装置的刚度对墩顶主梁 原创学术论文网Tag： |
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