横系梁对双柱墩混凝土曲线梁桥地震反应的影响分析.pdf

横系梁对双柱墩混凝土 曲线 梁桥 地震 反应 的影 响分析 董方超 ， 孙广俊 ， 李鸿晶 7 5 横 系梁对双柱 墩混凝土 曲线梁桥地震反应 的影 响分析 董 方超 。 孙广 俊 ， 李 鸿 晶 ( 南京工 业大 学土 木工 程学 院 ， 江 苏 南京 2 1 1 8 1 6 ) 摘要 ： 为研究地震作用下 ， 钢筋混凝土曲线梁桥中横系梁设置位置 、 刚度 对结 构受力的影响规律 ， 以设置 2道横 系梁 的双柱 墩 曲线梁桥为背景 ， 考虑 曲线 梁桥 的弯扭耦 合效 应和主梁间 的非 均匀碰撞 效应 ， 运用 大型有 限元软 件 AB AQUS建立 桥梁 的 三维 多尺度模 型 ， 设置 6 种横 系梁位置工况 ， 采用时程分析法分析不 同位置横 系梁对桥 梁主梁 、 支座和桥 墩的地震反 应影响 。 最后 ， 选择上述计算结果 中较 为合 理的工况为背景 ， 进 一步 研究横 系梁刚度 对桥梁 地震反 应的影 响。研究结果 表 明： 横 系梁 位置的变化对地震 作用下 曲线梁桥 的主梁横 向位移 、 支座 受力 、 墩顶横 向位移及 墩底 扭矩有 比较 明显 的影 响； 横 系梁沿墩 柱 较为均匀地分布时 ， 对桥 梁地 震反应行为最为有利 ； 适 当地提高横 系梁刚度可 以减 小桥 梁的地震反应 。 关 键 词 ：混凝 土桥 ； 曲线 梁桥 ； 双 柱 墩 ； 横 系 粱 ； 地 震 ； 受 力 ； 多尺 度 模 型 中 图 分 类 号 ：U4 4 8 2 1； U4 4 8 2 2； U4 4 2 5 5 文 献 标 志 码 ： A 文 章 编 号 ： 1 6 7 1 7 7 6 7 ( 2 0 1 5 ) 0 3 0 0 7 5 0 7 1 引 言 目前 ， 城 市 曲线 桥 梁 与 山 区 曲线 桥梁 中运 用最 为 广泛 的 墩 台为 柔 性 墩 台 ， 其 中 双 柱 形 式 最 为 常 见E 。在横桥 向地震激励下 ， 双柱 间往往需要 加设 横系梁来保证其整体性 ， 一方面使其工作步调一致 ， 防止过 早落 梁 ， 另一 方面 ， 防止 双柱受 力 不均 而导 致 柱 体脆 性破 坏 、 倒 塌 ， 横 系梁 的合理设 置 还能 为桥 梁 体 系进 行有 效 的耗能 减震 2 。 沈 星 等运 用 P u s h o v e r 分 析方 法 研 究 了 横 系 梁 刚度对墩柱抗震的影响 ； 刘一波口 等从静力学角 度 出发 ， 研 究 了横 系梁位 置对 墩柱 弯矩 分布 的影 响 ； 兰峰 l_ 8 等用 反应谱 法 研究 了 中小跨径 双 柱式 高墩 桥 梁 的横系 梁抗 震性 能 ， 研 究 表 明横 系 梁对 下 部 结 构 的内力分配影响很大 ， 合理地设计横系梁能够有效 的提高横桥向刚度 、 调整下部结构内力。梁雄凹 等 研究了柱间系梁对双 圆柱高墩受力 的影响 ， 结果表 明横 系梁 对桥 墩顺 桥 向稳 定 性 、 强 度 及 配筋 无 有 利 影 响 ， 其 主要作 用 是 改 善 下 部结 构 横 桥 向受 力 。商 宇 1 。 等基于 Op e n S e e s软件 ， 研 究横系梁对无盖梁 双柱 墩及 其基 础 的地 震 反 应 影 响 ， 研 究 表 明横 系梁 可 以显著 减小 墩柱 地 震 反 应 ， 但 会 使 基 础反 应 稍 有 增加 。黄 德 耕 1 嵋等 针 对 钢 筋 混 凝 土 刚 架 拱 桥 的病 害 ， 采用附加型钢梁加固法对横系梁进行加 固， 研究 结果表明， 附加型钢梁加固法能够提高桥梁的横 向 刚度 、 改 善桥梁 的动力性能 、 提高桥 梁的稳定 承载力 。 以上 研 究 表 明 ， 横 系梁 对 钢筋 混 凝 土双 柱 墩顺 桥 向的工 作能 力基 本 无 影 响 ， 但 对 于其 横 桥 向的 动 力性 能与 抗震 工作 能 力 有 不 可忽 视 的影 响 ， 且 这 种 影响在无帽梁的钢筋混凝土柔性双柱墩中表现的相 对 明显 。为研 究地 震 作 用 下 ， 钢 筋 混凝 土 曲线 梁 桥 中横 系梁 设 置位置 、 刚度对结 构受 力 的影 响规律 ， 本 文 通过建 立混 凝 土 曲线 梁 桥 多 尺 度损 伤 模 型 ， 考 虑 曲线梁桥 中 比较典 型 的弯扭 耦合 效应 和主 梁 的非均 匀 碰撞效 应 的影 响 ， 研 究无 帽梁 双 柱 墩 的横 系梁 位 置 和刚度对于钢 筋混凝土 曲线 梁桥强震反应 的影响 。 2多尺度模 型 的建 立 采 用大 型 有 限元 软 件 AB AQUS ( 6 1 2 ) 建 立 一 座 3跨 曲线梁桥有限元 模型( 见 图 1 ) ， 单跨 圆心角 为 1 3 7 7 。 ， 半 径 R一6 6 m， 上 部 箱 梁 宽 9 2 m， 支座 为板式 橡胶 支 座 ， 下部 双柱 墩 高 3 0 m， 圆形 实 心混 凝 土柱 直 径 为 1 4 m， 双 柱 圆 心 间距 为 5 m。其 中 横 系梁 尺寸 按 公 路 钢 筋 混 凝 土及 预应 力 混凝 土桥 涵设计规范 ( J TG D 6 2 2 0 1 2 ) 规 定取值 ， 取宽 高 一1 0 m1 2 m。柱体 配筋按 规 范取 。 2 1材料 模拟 主梁用壳单元和实体单元结合模拟 ( 见 图 2 ) ， 其 中两联相接处附近用实体单元模拟其损伤和碰撞 效应 ， 主梁 中段用壳单元来模拟其弯扭耦合效应。 主梁材 料 采用 C 5 0混 凝 土 ， 中部壳 单 元 定 义 为 收 稿 日期 ： 2 0 1 5 0 1 3 0 基金项 目： 国家 自然科学基金项 目( 5 1 3 0 8 2 9 3 ) ； 江苏省 自然科学基金项 目( B K2 0 1 3 0 9 3 7 ) ； 江苏省交通运输科技项 目( 2 0 1 4 T1 1 ) 作者简介 ： 董方超( 1 9 8 8 一) ， 男 ， 2 0 1 2年毕业于河南大学土木工程专业 ， 工学学士( E ma i l ： 1 8 7 6 1 6 8 6 0 6 5 1 6 3 c o m) 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 7 8 世 界 桥 梁 2 O i 5， 4 3 ( 3 ) 由相邻 主梁 的相对 位 移 曲线 可 知 ， 横 系 梁 位 置 的变 化 对于 主梁 间 的横 向相对位 移 与纵 向相对 位移 有较 为 明显 的影 响 。 2道 横系梁 沿墩 柱 布置 不均 匀 的 工况 综 合 表 现 最 差 ， 如工 况 D， 其 横 系梁分 别位 于墩 柱第 1 等 分 点 处 和第 5 等 分点 处 ， 墩 柱 的 横 向抗 侧 刚度 沿 墩 柱 高 度 分 布不均 ， 导致 主 梁位移 反 应较 大 ， 主 梁之 间易 发 生 碰撞 ， 支 座易 受剪 破坏 。所 以 ， 均 匀地 布置 横系 梁 有 利 于对 主梁 的保护 。 3 3 横 系梁位 置对 支座 地震 反应 的影 响 桥梁 支座 编号 如 图 1 0所 示 ， 1号 、 2号 支座 的 内 力相 对于 坐标 系 P， 3号 、 4号 支 座 的 内力 相 对 于 坐 标 系 Q。3个方向支座内力最大值如图 1 1 所示。 图 1 0支 座 编 号 由图 l l可知 ， 在强烈地震作用下 ， 横系梁位 置 的改变 对于 钢筋 混凝 土 曲线梁 桥 的板 式 橡 胶 支座 3 个 方 向 的 内力 都有 较 大 影 响 。其 中工 况 B、 D、 E的 横 向内力最 大值 相对 较 大 ， 这 3种 工 况 都 有 1道 横 系梁设 置在 墩柱 的 第 1等 分点 处 ， 这 说 明靠 近 墩 顶 的横 系 梁对 于 支 座横 向受 力 不利 。工 况 D、 E、 F的 纵 向 内力 和竖 向 内力 普 遍 较大 ， 工 况 D 的 2道 横 系 梁位于墩柱两端， 工况 E和工况 F的 2道横系梁分 别集 中于 墩柱 的上 、 下半 段 ， 当横 系梁 沿墩 柱分 布不 均 时 ， 不 利于 支座 的受 力 。 墨 厦 蜒 工况编 号 ( a ) 1 号、2 号支座横 向内力 工况编号 ( d )3 号 、4 号支座 横向 内力 3 4横 系梁位 置对 桥 墩地震 反应 的影 响 与 1号 、 2号支座 对应 的墩顶 分 别 为 1 号 墩 顶 、 2号墩 顶 ， 其 位移 相对 于 坐标 系 P ； 与 3号 、 4号 支座 对 应 的墩 顶分 别 为 3号墩 顶 、 4号墩 顶 ， 其 位 移 相对 于 坐标 系 Q。墩 柱顶 端 圆心处 在 3 个 方 向位 移 的最 大 值如 图 1 2所示 。 从 图 1 2可知 ， 沿 地震 波加 载方 向的 1号墩 顶 和 2号墩顶位移反应变化相对较大， 且 以横 向位移为 主 。横 系梁 的位 置 变 化 对 墩 顶 横 向 位 移 有 较 大 影 响 ， 工况 E的横 向位 移 反 应 最 大 ， 其 2道 横 系 梁 布 置 在墩 柱下 半段 ， 墩 顶 附近缺 少约束 ， 导 致墩 顶位 移 过 大 。 当双 柱墩 的 2个墩 顶横 向位 移反 应较 为接 近 时 ， 其 纵 向和竖 向位 移反 应也 相对较 小 ， 如工 况 C。 墩底受 力 最大 值 如 图 1 3所 示 。 由 图 1 3可 知 ， 横 系梁位 置 的变化对 于 曲线梁 桥墩 底 弯矩 和轴力 的 影 响较小 ， 而对 墩底 扭矩 的影 响相 对 明显 。其 中 ， 工 况 C的墩底 扭矩 明显 小 于 其 它 工况 ， 这 说 明工 况 C 的横 系梁 位 置使 双柱 墩 在 双 柱 平 面 外 的转 动 较 小 ， 有 利于墩 柱受 力 。 4横 系梁 刚度对 桥梁 地震 反应 的影 响 由上述 研究 可 知 ， 工 况 C综 合 表 现 较 好 ， 以 工 况 C为背 景 ， 改 变 横 系梁 横 截 面 高 度 ， 进 一 步研 究 横 系梁刚度对钢 筋混凝土 曲线梁桥强震 反应 的影 响 。 计 算模 型 的墩柱 直径 为 1 4 I 1 I ， 根 据 公路 钢 筋 混 凝 土及预 应力 混凝 土桥 涵设 计规 范 ， 横 系梁 的横 截面高度 H 和宽度 B 取值范 围为 ： 1 1 2 IT i - 1 4 IT i ， 0 8 4 m B 1 1 2 m。 Z 、 、 翟 厘 工况编 号 ( b )i 号、2 号支座纵 向内力 A B C D E F 工况编 号 ( e )3 q 、4 号支座纵向 内力 图 1 1支座 内 力 最 大 值 至 翟 厘 崮 A B C D E F 工况 编号 ( C )1 号、2 q - 支座竖 向内力 工况编号 ( f )3 号、4 号支座竖 向内力 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 横 系梁对 双柱墩混凝土 曲线梁桥地震反应 的影 响分析 董方超 ， 孙广俊 ， 李鸿 晶 7 9 垦 叵 蜓 量 叵 颦 A B C D E F 工况编号 1 0 毒7 5 世 蕺； 工况编号 ( d )3 号 、4 号墩顶横 向位 移 工况编号 ( a )墩底轴力 量 -叵 垦 星 目 互 荣 辑 世 努 A B C D E F 工况编号 工况编号 ( e ) 3 号、4 号墩顶纵 向位移 图 1 2 墩 顶 位 移 最 大 值 量 迢 A B C D E F 工况编号 ( c ) l 号、2 号墩顶竖 向位移 工况编号 ( f )3 号、4 号墩顶竖 向位移 A B C D E F A B C D E F 工况编号 工况编 号 ( b )墩底扭矩 ( c )墩底弯矩 主 之 间 的 位 上 J、 ： 阿 IJ 譬 较 ( 1 ) 在 强 震 作ir 田hi 下I 一 艚i-, 系i 梁 位 置 的 改 变 对 钢 筋 E 翌 三 混 凝 土 曲 线 梁 桥 的 主 梁 横 向 、 支 水 、况 当 地 加 大 横 系 梁 刚 度 ， 可 以 减 丕 小主梁间的相对位移。 一 ”一 。 一一一 一 一 4 2 横系梁刚度对支座地震反应的影响 响， 在实际工程设计中应该加以考虑 。 支座内力最大值如图 1 4所示 。 ( 2 )当横系梁沿墩柱高度方 向比较均匀地布置 至 钟世餐 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 8 0 世 界 桥 梁 2 0 1 5， 4 3 ( 3 ) 工 况编号 工况编号 ( d )3 Y、4 Y支座横 向内力 A B C D 工况编号 ( a ) 墩底扭 矩 参 考 文 献 ： 工况编 号 l O 妻 8 s 4 E F +1 号墩 内侧 工况编号 ( e )3 号 、4 号支座 纵向 内力 图 1 4支座 内 力 最 大 值 A B C D E F 工况编号 ( b )墩底轴 力 一1 号墩外侧 一2 号墩 内侧 茧 最 -匣 崮 童 _ R 厘 基 螭 A B C D E F 工况编号 ( C )l 号、2 Y支座竖向内力 A B C D E F 工况编号 ( f )3 号、4 Y支座竖 向内力 * 一 2 号墩 外侧 ( c )墩底弯矩 图 1 5墩 底 内力 最 大 值 讨 J 公路交通科 技 ( 应用 技术 版) ， 2 0 0 9 ， ( 1 0 ) ： 1 1 9 121 1 刘凡 ， 袁晓静钢 筋混 凝土 柔性墩柱 抗震性 能 的试 验 研究 J 地 震工程与工程震动 ， 2 0 1 0 ， 3 0 ( 3 ) ： 5 9 6 3 E 2 O l mo s J M，A s t i z M A An a l y s i s o f t h e L a t e r a l Dy n a m i c Re s po ns e o f Hi g h Pi e r Vi a du c t s Un de r H i gh Spe e d T r a i n Tr a v e l J E n g i n e e r i n g S t r u c t u r e s ，2 0 1 3 ，5 6 ： 1 38 4 1 4O1 3 叶爱君 ， 管 仲国 ， 范立 础桥梁抗 震 M 北 京 ： 人 民交 通出版社 ， 2 0 1 i 4 S e n n a h K M， Ke n n e d y J B S t a t e - o f - t h e - Ar t i n C u r v e d B o x - Gi r d e r B r i d g e s J J o u r n a l o f B r i d g e E n g i n e e r i n g ， 20 02，7( 2 )：1 34 1 4 3 5 王 晓黎某 高速铁 路 连续梁 桥 桥墩 地震 反应 分析 I- J 世界桥梁 ， 2 0 1 2 ， 4 0 ( 4 ) ： 3 8 4 1 6 沈星 ， 叶爱军 ， 王 晓伟柔 性横 系梁双柱墩的抗震行为 分析口 同济大学 学报 ， 2 0 1 3 ， 4 1 ( 3 ) ： 3 4 2 3 4 7 E 7 - 1 刘 一波 ， 李盛桢无 帽梁双柱式 桥墩横 系梁设置 问题探 8 兰 峰 ， 王克海中小跨 径双 柱式高 墩桥梁横 系梁 对抗 震性能 的影 响 J 公 路交通科技 ， 2 0 1 1 ， 2 8 ( 5 ) ： 9 2 9 7 9 梁雄 ， 卢绍鸿 ， 左智飞 ， 等柱间 系梁对双 圆柱高 墩受 力 影响研究 J 广东公路交通 ， 2 0 1 3 ， ( 3 ) ： 1 4 E l o 商宇 ， 叶爱军 ， 翁健健 横 系梁 对双柱 墩及其 基础地 震反应 的影 响 J 结 构工 程师 ， 2 0 1 3 ， 2 9 ( 5 ) ： 9 6 1 0 0 1 1 黄德耕 ， 罗吉智 ， 谭洪河 ， 等刚架拱桥横 系梁加 固技术 研究I- j 桥梁建设 ， 2 0 1 2 ， 4 2 ( 6 ) ： 4 5 4 9 1 2 L e e J ，F e n v e s G L P l a s t i c D a ma g e Mo d e l f o r C y c l i c L o a d i n g o f C o n c r e t e S t r u c t u r e s J J o u r n a l o f E n g i ne e r i ng M e c h a ni c，1 9 88，1 24( 8)：89 2 9 0 0 1 3 张劲 ， 王 庆扬 ， 胡守 营， 等AB A QUS混凝 土损伤 塑 性模型参 数 验证 I- J 建筑 结 构 ， 2 0 0 8 ， 3 8 ( 8 ) ： 1 2 7 1 3O 1 4 陆新征 ， 林旭川 ， 叶列平多 尺度有 限元 建模方法 及其 应用 J 华 中科 技 大学 学 报 ( 城 市 科 学版 ) ， 2 0 0 8 ， 2 5 ( 4)： 7 6 8 0 至 幕世鼙 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 横系梁对双柱墩混凝 土曲线梁 桥地 震反应的影响分析 董方超 ， 孙广 俊 ， 李鸿 晶 8 1 An a l y s i s o f Cr o s s Ti e Be a m o n S e i s mi c Re a c t i o n o f Cu r v e d Co n c r e t e Br i d g e wi t h Two Co l u m n e d Pi e r s DONG Fa n g c h a o，SUN ( Co l l a g e o f Ci v i l En g i n e e r i n g ，Na n j i n g Gu a n g - j u n LJ Ho n g - j i n g T e c h Un i v e r s i t ， Na n j i n g 2 1 1 8 1 6 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ：To s t u dy t he i nf l u e n c e of i ns t a l l a t i o n 1 o c a t i o ns a nd s t i f f ne s s of c r o s s t i e be a m s o n t h e s t r uc t ur a l l oa d b e a r i ng be ha v i o r o f t h e r e i nf o r c e d c o nc r e t e c ur ve d br i dge und e r t he a c t i on o f e a r t h qu a ke，t h e c u r ve d be a m br i d ge wi t h t wo c o l umne d p i e r s a nd t wo c r o s s t i e b e a ms i s t a ke n a s t h e s t ud y ba c kg r ou nd Ta k i ng i n t o c o ns i de r a t i o n o f t he t or s i on b e nd i n g c o up l e d e f f e c t o f t h e c ur v e d be a m br i d g e a nd t he u nba l a nc e d c o l l i s i on e f f e c t be t we e n t he m a i n be a ms，t h e f i ni t e e l e me n t s of t wa r e ABAQUS wa s u s e d t o e s t a b l i s h t h e t h r e e d i me n s i o n a l mu l t i s c a l e mo d e l s o f t h e b r i d g e S i x wa y s o f c r os s t i e b e a m i ns t a l l a t i on we r e c o ns i de r e d，a nd t he t i m e h i s t or y m e t ho d wa s us e d t o a n a 一 1 y z e t h e i nf l u e nc e o f s e i s mi c r e a c t i o n o f c r os s t i e be a m s i n d i f f e r e nt 1 o c a t i o ns o n t he ma i n be a m ， be a r i ngs a nd p i e r s Fi na l l y，t h e r e l a t i v e l y r a t i o na l l o a d c a s e ga i ne d by c a l c u l a t i o n wa s t a k e n a s t he b a c k g r o u n d，t o f u r t h e r s t u d y t h e s t i f f n e s s o f c r o s s t i e b e a m o n t h e s e i s mi c r e a c t i o n o f t h e b r i d g e The r e s ul t s o f t he s t ud y i n di c a t e t h a t t h e v a r i a t i o n o f t he 1 o c a t i o n o f c r o s s t i e be a m s h a s p a l pa bl e i nf l u e nc e on t h e t r a ns v e r s e di s pl a c e me n t o f t he m a i n be a m ，l oa d be a r i ng c o nd i t i on o f t he be a r i n gs， p i e r t o p t r a ns v e r s e d i s p l a c e me nt a nd t he pi e r b a s e t or s i o na l mome n t of t he c ur v e d b e a m br i d ge un d e r s e i s mi c r e a c t i o nTh e c o nd i t i o n t h a t t he c r os s t i e b e a ms a r e un i f o r m l y d i s t r i but e d a l o ng t he p i e r c o l umns i S t he mos t f a v o r a bl e c o nd i t i o n f or t he s e i s mi c r e a c t i on o f t h e br i dg e Th e r a t i on a l i n c r e a s e of t he s t i f f n e s s of c r o s s t i e be a m s c a n r e d uc e t he s e i s m i c r e a c t i o n of t he b r i d ge Ke y wo r d s：c o n c r e t e b r i dg e；c u r v e d b e a m br i dg e；t wo c o l umne d p i e r ；c r o s s t i e be a m ；e a r t h qu a ke；l o a d be a r i ng be ha v i o r ；mul t i s c a l e mod e l ( 编 辑 ： 赵 兴雅 ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m