隔震曲线连续梁桥动力特性及其地震响应分析文献综述

 2022-10-30 10:13:28

文献综述(或调研报告):

曲线梁桥是平面线形呈某种曲线形状的梁桥,目前,在我国的交通网络中,曲线桥梁以较好适应复杂的地形独特的优点,其在工程中的应用越来越广。曲线桥梁的受力特点是相对于直线桥而言的,由于曲率的影响,存在“弯-扭”耦合作用,这一作用使曲线桥梁具有以下各项受力特点:(1)相同跨径下曲线桥梁的变形比直线桥大,外边缘的挠度大于内边缘的挠度,而且曲率半径越小,桥越宽,这一趋势越明显。(2)曲线桥梁在荷载作用下会产生扭转,通常会使外梁超载,内梁卸载。(3)相对于直线桥,曲线桥梁的支座反力有外侧变大、内侧变小的倾向,甚至有时内侧产生负支座反力[1]。在城市立交枢纽中,曲率半径平面不是曲线箱梁的对称平面,因此,曲线箱梁在曲率半径平面内的挠曲振动和垂直于该平面的竖向弯曲—扭转振动在理论上不可以分开来单独处理。

地震对桥涵产生的病害主要为落梁、挡块损坏、上部结构横向和纵向移位、支座和伸缩装置损坏、桥墩移位或桥墩局部部位混凝土压溃或系粱开裂、台后挡墙破坏、墩台隆起或沉陷、台后锥坡系统损坏(挡墙损坏或移位、台后填料垮塌)、桥梁整体垮塌等直接破坏,以及棱塌方掩埋、巨石砸毁、堰塞湖淹没等次生灾害造成的间接损坏[2]。在1971年美国圣弗南多(San Fernando)地震中,两座互通立交桥中的多跨曲线梁桥发生了严重的倒塌破坏,曲线桥的抗震性能才开始引起国外学者的关注。1975年,Tseng和Penzien[3-4]采用三维非线性模型,对多座公路钢筋混凝土多跨曲线梁桥的地震反应进行了数值分析。研究发现三维地震动输入下曲线梁桥的墩柱在强震作用下会产生很大的非线性耦合变形,致使伸缩缝处主梁相互碰撞与分离,若不加以控制可能导致主梁的垮塌。2002年,朱东生[5]等人对支承形式以及曲率半径等参数展开了参数分析,对比了地震动水平单向和双向激励时曲线桥的地震响应的差异。2008年,全伟[6]基于小波变换的拟合多维地震动推到出了一种计算曲线桥时程分析法中激励主方向公式,以有利于曲线梁桥的最不利地震响应方向的研究开展。2012年,元行军和申永刚[7]提出了采用显式动力接触算法计算曲线梁桥地震碰撞效应的数值模拟方法,总结了曲线连续梁桥碰撞所引起的主梁、挡块和桥墩之间冲击地震反应特点。2016年Jeon[8]就结构设计参数的选取对曲线连续梁桥的易损性进行了评估,发现墩高比曲率和桥面交角对曲线桥损伤性危害更大。

减隔震技术作为一种非常重要且有效的工程被动控制技术,是现行结构抗震设计中研究热点之一[9-11]。隔震技术将柔性装置引入到结构重要的连接部位,通过延长结构的基本周期,以避开地震动能量集中的区域,有效地隔绝了地震能量的输入,从而减低结构所受到的地震力;减震技术则主要是通过在结构内部设置阻尼系数较大的装置,地震作用下,使减震材料提前进入塑性,产生大阻尼,大量耗散振动系统的能量,从而起到快速减小结构地震响应的目的。国内在减隔震技术领域内的研究起步较晚,且现有的研究和工程应用多应用于直线桥,在曲线桥中的应用还很不成熟。2004年,聂利英[12]等考虑材料非线性和连接构件非线性等因素,通过精细化建模,开展了板式橡胶支座、滑板橡胶支座与抗震销的配合使用对一座7跨不等高连续曲线梁桥空间地震反应分析。2008年,周绪红等[13]以一座三跨曲线PC箱梁桥为例,针对板式橡胶支座和铅芯橡胶支座在曲线梁桥上的应用效果进行了探讨,对比分析了非隔震体系和隔震体系的地震响应特点。2012年,元兴军和申永刚[14]提出利用液体粘滞阻尼器对曲线桥进行减震控制,通过在桥梁墩台活动支座部位布置切向和径向液体粘滞减震装置,分析桥梁主动控制、半主动控制和被动控制的减震效果,为粘滞阻尼器在曲线梁桥中的应用提供了参考。2016年,李正英[15]对铅芯橡胶支座、粘滞阻尼器及摩擦摆式支座三种减隔震装置应用于不等高曲线梁桥的减震控制效果进行的对比分析,发现铅芯橡胶和粘滞阻尼器对边墩的墩底剪力有放大作用,并提出了混合减震控制方案。合理的减隔震支座参数对于提高曲线连续梁桥的抗震性能具有重要的意义。

综上所述,由于曲线连续梁桥的非线性使得隔震曲线桥的地震性能变得更为复杂,诸多学者对曲线连续梁桥的地震响应及抗震性能虽取得了很大的进展,但曲线梁桥的在地震下的响应相关研究还不完全成熟,继续深入的探索曲线梁桥在地震下的性能。开展隔震曲线连续梁桥动力特性及其地震响应分析的研究具有重要意义。合理选择曲线桥的结构设计参数对提高结构的整体抗震性能有着重要的意义。本文基于ANSYS平台,建立隔震曲线连续梁桥有限元模型,模拟不同的结构参数,研究墩高、曲率、隔震支座对隔震曲线连续梁桥动力特性及其地震响应的影响,可为今后曲线桥梁的应用与结构参数设计提供参考。

参考文献:

[1]侯文杰. 城市曲线桥梁地震反应分析[D].兰州交通大学,2012.

[2]秦禄山. 钢筋混凝土曲线桥梁抗震分析与设计[D].北京工业大学,2013.

[3] W.S.Tseng, J.Penzien. Seismic Analysis of Long Multiple-Span Highway Bridges.Earthquake Engineering and Structural Dynamics, 1975, 4(1975):3-24.

[4] W.S.Tseng, J.Penzien. Seismic Response of Long Multiple-Span Highway Bridges[J]. Earthquake Engineering and Structural Dynamics, 1975, 4:25-48.

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