空间多点地震激励下简支梁桥碰撞响应数值模拟.pdf

第2卷 第5期V o l.2 N o.5 2 0 2 3年1 0月 J o u r n a l o f A r m y E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y o f P L A O c t.2 0 2 3空间多点地震激励下简支梁桥碰撞响应数值模拟何立翔1,谢兴坤1,任伟新2(1.陆军工程大学 野战工程学院,江苏 南京 2 1 0 0 0 7;2.深圳大学 土木与交通工程学院,广东 深圳 5 1 8 0 6 0)摘要:为研究桥梁结构在空间多点地震激励下的碰撞响应,采用L S-D YNA建立了两跨简支梁桥三维精细化有限元模型,考虑了相邻桥跨之间面-面碰撞及偏心碰撞效应,计入了板式橡胶支座系统的非线性、钢筋混凝土在碰撞荷载作用下的材料非线性和应变率效应,详细分析了空间多点地震下桥梁上部结构的碰撞响应,研究了双向多点地震激励及局部场地效应对碰撞响应的影响。研究结果表明,碰撞会导致伸缩缝处桥梁上部结构的局部破坏;双向多点地震激励引起的桥梁偏心碰撞响应导致碰撞次数增加,但减小了碰撞力;局部场地效应对桥梁上部结构碰撞响应影响较大,基础场地条件越差,上部结构碰撞响应越大,碰撞引起的梁端局部破坏越严重。关键词:碰撞响应;多点激励;面-面碰撞;局部场地效应;三维有限元分析 中图分类号:U 4 4 2.5+5D O I:1 0.1 2 0 1 8/j.i s s n.2 0 9 7-0 7 3 0.2 0 2 2 0 8 2 3 0 0 1N u m e r i c a l S i m u l a t i o n o f P o u n d i n g R e s p o n s e o fS i m p l y-S u p p o r t e d B r i d g e s S u b j e c t e d t o S p a t i a l l y V a r y i n g G r o u n d M o t i o n s HE L i x i a n g1,X I E X i n g k u n1,R E N W e i x i n2(1.C o l l e g e o f F i e l d E n g i n e e r i n g,A r m y E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y o f P L A,N a n j i n g 2 1 0 0 0 7,C h i n a;2.C o l l e g e o f C i v i l a n d T r a n s p o r t a t i o n E n g i n e e r i n g,S h e n z h e n U n i v e r s i t y,S h e n z h e n 5 1 8 0 6 0,C h i n a)A b s t r a c t:T o i n v e s t i g a t e t h e p o u n d i n g r e s p o n s e o f b r i d g e s t r u c t u r e s s u b j e c t e d t o s p a t i a l l y v a r y i n g g r o u n d m o t i o n s,t h e d e t a i l e d 3 D f i n i t e e l e m e n t m o d e l o f a t y p i c a l t w o-s p a n s i m p l y-s u p p o r t e d b r i d g e w a s c o n s t r u c t e d u s i n g t h e f i n i t e e l e m e n t s o f t w a r e L S-D YNA.T h e b r i d g e m o d e l w a s c o n s t r u c t e d w h i l e t a k i n g i n t o a c c o u n t t h e f o l l o w i n g f a c t o r s,s u c h a s t h e s u r f a c e-t o-s u r f a c e a n d e c c e n t r i c p o u n d i n g r e s p o n s e s b e t w e e n a d j a c e n t b r i d g e s e g m e n t s a t t h e e x p a n s i o n j o i n t,t h e n o n-l i n e a r b e h a v i o r o f t h e l a m i n a t e d r u b b e r b e a r i n g s a n d t h e n o n-l i n e a r m a t e r i a l b e h a v i o r i n c l u d i n g t h e s t r a i n r a t e e f f e c t s o f c o n c r e t e a n d s t e e l r e b a r.T h e p o u n-d i n g r e s p o n s e s o f t h e b r i d g e s u p e r s t r u c t u r e u n d e r m u l t i-c o m p o n e n t s p a t i a l l y v a r y i n g e a r t h q u a k e s w e r e i n-v e s t i g a t e d i n d e t a i l.T h e e f f e c t s o f s p a t i a l l y v a r y i n g b i-d i r e c t i o n a l e x c i t a t i o n s a n d l o c a l s i t e c o n d i t i o n s o n t h e p o u n d i n g r e s p o n s e w e r e s t u d i e d.T h e n u m e r i c a l r e s u l t s d e m o n s t r a t e t h a t p o u n d i n g m a y i n d u c e t h e s e-r i o u s l o c a l d a m a g e s o f t h e g i r d e r s a r o u n d t h e j o i n t s;t h e e c c e n t r i c p o u n d i n g r e s p o n s e i n d u c e d b y t h e s p a-t i a l l y v a r y i n g b i-d i r e c t i o n a l g r o u n d m o t i o n s l e a d s t o t h e i n c r e a s i n g o f t h e p o u n d i n g t i m e s w h i e l t h e d e c r e a-s i n g o f t h e p o u n d i n g f o r c e;l o c a l s i t e c o n d i t i o n s h a v e a s i g n i f i c a n t i n f l u e n c e o n t h e p o u n d i n g r e s p o n s e s o f t h e b r i d g e s u p e r s t r u c t u r e s;t h e w o r s e s i t e c o n d i t i o n w i l l l e a d t o t h e l a r g e r p o u n d i n g r e s p o n s e s b e t w e e n b r i d g e s u p e r s t r u c t u r e s a n d t h e m o r e s e r i o u s l o c a l p o u n d i n g d a m a g e s t o t h e e n d o f t h e b r i d g e g i r d e r s.收稿日期:2 0 2 2-0 8-2 3基金项目:国家自然科学基金(5 2 2 0 8 2 2 2,5 1 2 7 8 1 6 3);江苏省自然科学基金(B K 2 0 2 2 1 5 2 9)。第一作者(通信作者):何立翔,博士,副教授,主要研究结构抗震、损伤评估。K e y w o r d s:p o u n d i n g r e s p o n s e;s p a t i a l l y v a r y i n g g r o u n d m o t i o n s;s u r f a c e-t o-s u r f a c e p o u n d i n g;l o c a l s i t e e f f e c t;t h r e e-d i m e n s i o n a l f i n i t e e l e m e n t a n a l y s i s 为保证桥面交通的平顺性,通常桥梁结构伸缩缝设置较小,导致地震发生时,桥梁上部结构碰撞破坏屡见不鲜,地震过程中桥梁结构的碰撞问题被国内外学者广泛研究。碰撞是高度非线性的接触问题,为简化分析,通常把桥梁上部结构简化为单自由度质点系统1-3,或者采用梁单元模型进行模拟4-5,相邻桥跨之间的碰撞效应采用立体力学法6和接触单元法1-5两类方法模拟,两类方法均具有明确的物理意义。立体力学法由于存在局限性,很难与结构有限元分析软件结合7。接触单元法通过一个接触单元将相邻桥跨模型连接起来,该方法易与结构有限元分析软件结合使用。然而,关于接触单元接触刚度的选取,至今尚无统一合适的标准8,而接触刚度的选择对结构的碰撞响应和地震响应结果均有显著影响9-1 0。并且这些简化分析方法通常假定桥梁上部结构的碰撞过程为点-点接触,事先需规定好碰撞发生位置,故只能考虑单向地震激励下相邻桥垮之间的正面碰撞1 1。实际上,地震中桥梁结构碰撞是一种面-面接触过程,并且由于地震动的空间变异性,尤其是横向地震动的空间差异,主梁水平面内的扭转模态很容易被激起,这种扭转振动将导致接触面之间的偏心碰撞1 1。为了模拟桥梁相邻桥跨之间的这种面-面和偏心碰撞现象,必须建立桥梁结构的三维有限元模型。Z a n a r d o等1 2用空间三维壳单元模型分析了一座7跨简支箱梁地震碰撞响应,但该研究仍然采用了接触单元模拟碰撞。Z h u等1 3提出了一种基于点-面接触理论的三维接触-摩擦模型,避免了事先假定碰撞位置的缺点,能够更真实地模拟桥梁结构的碰撞效应。G u o等1 4对这种三维接触-摩擦模型进行了改进,并采用试验的方式证明了模型的有效性。禚一等1 5基于接触单元模型和库伦摩擦模型,提出了一种用于桥梁多维碰撞响应分析的三维撞击模型。B i等1 1,1 6应用L SD YNA建立了两跨简支梁桥的有限元模型,并考虑了桥梁结构面-面碰撞特性和扭转碰撞的影响。目前对桥梁地震碰撞的研究较少考虑空间多点地震激励对桥梁结构碰撞响应的影响1 1,部分研究仅考虑了行波效应及相干损失的影响3,1 7,对于局部场地效应的影响研究较少1 6。以两跨简支梁桥为例,利用L SD YNA建立其三维精细化有限元模型,采用空间多点地震动输入,同时考虑行波效应、部分相干效应、局部场地效应引起的地震动空间差异性,分析其碰撞动力响应。着重研究比较双向多点地震动及局部场地效应对桥梁结构碰撞响应的影响。1 三维精细化有限元模型的建立1.1 桥梁模型的选择以两跨简支梁为例,如图1所示,其上部结构为(3 0 m+3 0 m)简 支 箱 梁,梁 高2.1 m,桥 面 宽7.5 6 m;桥梁下部1#、3#桥台采用L型桩接盖梁式桥台,2#桥墩采用矩形截面,截面尺寸4.2 m1.7 5 m,墩身高度1 2 m;3个伸缩缝宽度均设置为5 c m;主梁由普通矩形板式橡胶支座支承,每个支承点沿桥梁横向设置2个板式支座。桥梁所处的场地由基岩半空间上的层状土构成,1#、3#桥台土层厚度为4 2 m,2#桥墩土层厚度为3 0 m。图1 两跨简支梁总体布置在之前的研究中1 8,采用一个多跨框架桥振动台碰撞试验验证了应用L S-D YNA进行地震激励下桥梁结构碰撞响应模拟的可靠性及准确性,参照文献1 8 的方法,建立两跨简支梁桥三维精细化有限元模型。碰撞响应分析过程中主要考虑相邻桥跨之间的接触非线性、碰撞力作用下钢筋混凝土材料的非线性和板式橡胶支座系统的非线性3个方面非线性因素。1.2 单元、接触、边界条件全桥所有混凝土构件均采用实体单元模拟,其中,梁端及桥台背墙受碰撞影响较大区域的混凝土,采用细化的网格划分,并考虑区域内普通钢筋的影响,钢筋采用梁单元模拟,钢筋单元与混凝土单元之间通过共用节点相连,忽略钢筋与混凝土之间的滑移;碰撞区域以外区域混凝土采用较粗的网格划分以降低计算成本。板式橡胶支座也采用实体单元模拟。伸缩缝附近桥梁三维有限元模型如图2所示。96第5期 何立翔,等:空间多点地震激励下简支梁桥碰撞响应数值模拟图2 伸缩缝处桥梁三维有限元模型相邻桥跨之间的碰撞采用L SD YNA中的自动面-面接触算法模拟,各接触面之间切向作用通过库伦摩擦模型计算,碰撞过程中混凝土之间的摩擦因数取0.5。对于板式橡胶支座支承的桥梁,支座直接放置于主梁和桥墩之间,地震作用下,支座与墩顶和梁底之间因无其他有效连接而易发生滑动1 9,为反映这种滑动行为,亦采用自动面-面接触算法模拟与梁底、支座与墩(桥台)顶之间的接触,支座与墩顶、梁底预埋钢板之间的摩擦因数定义为0.22 0。为了在支座表面形成真实的正压力,分析中需计入上部结构传递下来的荷载,如自重、二期恒荷载,在L SD Y N A中,恒荷载需以动力荷载的方式施加,因此在地震响应计算前0.4 s对系统施加一个较大的阻尼以消除其产生的动力效应。图3所示为前0.4 s支座的竖向反力时程,可见其在0.2 s时基本停止波动,0.2 s后支座反力逐步趋于稳定值。需要指出的是地震激励从0.4 s开始加载,后续所有分析结果均为0.4 s之后的地震响应。图3 支座竖向反力1.3 材料模型细化网格区域混凝土选用*MA T_C O N C R E T E_D AMA G E_R E L 3模型模拟,该材料模型只需定义无侧限条件下混凝土轴心抗压强度一个参数即可,其余所有参数通过模型内部规则自动确定,普通钢筋的材料模型采用弹塑性材料模型*MA T_P I E C EW I S E_L I N E A R_P L A S T I C I T Y,钢筋密度取7 8 5 0 k g/m3,弹性模量为2 0 0 G P a,屈服强度为5 0 0 M P a,泊松比为0.3,钢筋失效应变取0.1 2,较粗网格区域的钢筋混凝土单元则采用整体式钢筋混凝土材料模型*MA T_P S E U D O_T E N S O R模 拟。采 用 关 键 字*MA T_A D D_E R O S I O N控制混凝土材料的失效,选取主拉应变作为混凝土的失效准则,阈值设为0.1 5。板式橡胶支座选用粘弹性材料模型*MA T_V I S C O E-L A S T I C模拟,并采用W e k e z e r等2 1提出的方法确定支座橡胶的材料参数,橡胶密度取2 3 0 0 k g/m3,体积模量为1 8 2 M P a,短时剪切模量为1 8.3 5 M P a,长期剪切模量为1 7.3 2 M P a。同时,考虑了混凝土与钢筋材料在碰撞荷载作用下的应变率效应,混凝土应变率效应采用欧洲-国际混凝土协会规范中建议的混凝土强度动力增强因子(d y n a m i c i n c r e a s e f a c t o r,D I F)模 型 模 拟2 2,其中,混凝土抗拉强度动力增强因子T D I F由式(1)确定。T D I F=ftft s=t s 1.0 1 6s3 0 s-1st s 1/33 0 s-1 (1)式中:ft为应变率下混凝土动态抗拉强度;ft s为应变率t s下混凝土静态抗拉强度;t s为静态应变率,取值为3 0 1 0-6 s-1;l gs=7.1 1 2s-2.3 3;s=1/(1 0+6fc s/fc 0),fc s为应变率t s下混凝土静态抗压强度,fc 0取值为1 0 MP a。混凝土抗压强度动力增强因子C D I F由式(2)确定。C D I F=fcfc s=c s 1.0 2 6s3 0 s-1sc s 1/33 0 s-1 (2)式中:fc为应变率下混凝土动态抗压强度,fc s为应变率c s下混凝土静态抗压强度,c s为静态应变率,取值为3 01 0-6 s-1,s=1/(5+9fc s/fc 0),l gs=6.1 5 6s-2。07 第2卷钢筋的应变率效应采用M a l v a r2 3提出的D I F模型模拟,如式(3)所示。D I F=1 0-4 (3)式中:=0.0 7 4-0.0 4 0fy/4 1 4,fy为屈服强度。2 空间多点地震激励B i等2 4提出了一种能同时考虑行波效应、部分相干效应、局部场地效应的空间多点地震动合成方法,该方法假定在基岩各处地震动统计特性相同,基岩处的地震动自功率谱密度函数用T a j i m iK a n a i模型模拟,场地土的局部场地效应通过土层的传递函数加以考虑,该传递函数通过一维波传播理论计算得到。本文应用B i等2 4提出的方法合成计算所需的空间多点地震激励。场地i、j之间的部分相干效应采用S o b c z y k经验相干函数模型描述2 5为j k(i)=|j k(i)|e x p(-i dj kc o si n/va p p)=e x p(-d2j k/va p p)e x p(-i dj kc o si n/va p p)(4)式中:i为虚数符号;为圆频率;为场地j、k之间反映相干程度的系数,仅考虑弱相干效应,对应=0.0 0 2;dj k为j、k场地之间的距离,对于本文桥梁模型d1 2=d2 3=3 0 m,d1 3=6 0 m;va p p为场地土的视波速,取值1 0 0 0 m/s;i n为地震动对于场地的入射角,假定为6 0。为研究局部场地效应对桥梁碰撞响应的影响,着重比较了硬土及软土两种类型的场地,且只考虑基岩之 上 覆 盖 单 层 土 的 情 况。场 地2为 硬 土,场地1和场地3条件相同,同为硬土或软土,分别以编号F F F及S F S表示两种场地条件,3个字母依次代表从场地1到场地3的场地土类型,其中F表示硬土,S表示软土。表1给出了各种类型场地土的物理参数。表1 场地土物理参数场地土类型密度/(k gm-3)剪切模量/MP a阻尼比泊松比基岩3 0 0 01 8 0 00.0 50.3 3硬土2 0 0 03 2 00.0 50.4 0软土1 6 0 06 00.0 50.4 0 地震动合成过程中合理设定T a j i m iK a n a i模型参数:基岩处地震动输入峰值加速度为0.5g,地震动持 时 为1 6 s,采 样 频 率 及 截 止 频 率 分 别 为1 0 0 H z和2 5 H z。基于以上条件合成了所需的双向地震动时程,合成的S F S场地条件下的地震动时程如图4所示。图4 人工合成地震动时程3 计算结果分析3.1 碰撞响应分析单向地震(场地条件为S F S)作用下2#伸缩缝处相邻桥面节点的纵向位移响应如图5所示,其中右梁的响应值减去了伸缩缝初始宽度0.0 5 m,由图5可 见,在1.9 5、3.9 0 5、5.5 9 5、6.0 6、6.2 1、6.5 2、6.6 8 5、6.8 3、8.7 1、8.9 6 5、9.5 3 5、9.7 2 5、9.9 0 5和1 0.3 4 s等1 4个时刻,左梁与右梁纵向位移曲线发生重叠,表明左梁和右梁在这1 4个时刻发生了碰撞,其碰撞力时程如图6(b)所示,最大碰撞力发生在9.9 0 5 s,大小为4 4.2 4 MN。由图6(a)和图6(c)可见,1#和3#伸缩缝处均各发生了1 1次碰撞,最大碰撞力 分 别 出 现 在6.6 5 5 s和9.8 7 5 s,大 小 分 别 为5 7.2 MN和4 4.6 1 MN。图5 单向地震作用下2#伸缩缝相邻节点纵向位移响应17第5期 何立翔,等:空间多点地震激励下简支梁桥碰撞响应数值模拟图6 单向地震作用下各伸缩缝处碰撞力时程针对碰撞对右梁纵向加速度响应的影响,考察了右梁左端点、跨中、右端点3点的响应,如图7所示。观察发现3条加速度时程曲线均发生了1 4次正向加速度脉冲和1 1次负向加速度脉冲。对比图7与图6(b)和图6(c)发现,正脉冲时刻均与2#伸缩缝碰撞发生的时刻一致,负脉冲时刻均与3#伸缩缝碰撞发生时刻一致,可见加速度脉冲是由碰撞导致的桥面剧烈振动引起的,碰撞过程引起桥面速度的突然反向,形成了加速度峰值脉冲,2#伸缩缝处碰撞力对右梁的作用方向为x轴正向(方向规定见图1),故引起正的加速度脉冲,3#伸缩缝处碰撞力对右梁的作用方向为x轴负向,引起负的加速度脉冲。图7 碰撞对纵向加速度响应的影响单向地震作用下主梁梁端破坏情况如图8所示,全桥4个梁端均在箱梁翼缘出现了应变集中区域,其中右梁右端箱梁下缘也出现了应变集中,+y与-y侧应变分布基本对称。左梁两端翼缘均有部分单元因应变超出了混凝土损伤阈值而被删除,右梁截面保持较为完好。可见,即使在单向地震作用下,虽然桥梁上部结构的碰撞为正面碰撞,全截面参与碰撞,但应变在整个主梁截面上的分布并不均匀,截面边缘混凝土应变往往大于截面核心区混凝土应变,尤其是翼缘这种薄弱位置的应变会更大。图8 单向地震作用下主梁碰撞破坏3.2 双向多点地震激励对碰撞响应的影响考虑场地条件为S F S的双向多点地震激励,并与3.1节工况结果进行比较。双向和单向地震作用下1#3#伸缩缝处纵向碰撞力时程比较如图9所示,由图可见,双向地震时,1#3#伸缩缝处分别发生了1 4、2 3、1 3次碰撞,而单向地震时,分别发生了1 1、1 4、1 1次碰撞,双向地震引发更多的碰撞次数。从图中还可发现,双向地震时,碰撞力大小明显小于单向地震,如2#伸缩缝处,在单向地震作用下,最大碰撞力为4 4.2 4 MN,而双向地震时仅为3 4 MN。这是由于当考虑双向多点激励时,横向地震的空间差异性引起主梁水平面内的扭转振动(绕z轴),导致偏心碰撞,主梁的扭转加剧了相邻桥跨角点处的相对位移,提高了碰撞次数,但偏心碰撞发生时上部结构质量没有全部参与到纵向碰撞之中,而在单向地震时的正面碰撞过程中,上部结构的全部质量参与,因此单向地震作用下碰撞力更大。图9 单向与双向地震作用下碰撞力比较27 第2卷双向地震作用下2#伸缩缝处相邻桥面节点的纵向位移响应如图1 0所示,由于扭转振动的影响,桥面两侧角点的纵向位移不完全相同,因此分+y和-y侧角点分别进行分析,图中右梁的响应值均减去了伸缩缝初始宽度0.0 5 m。由图1 0(a)可见,+y侧角点共发生了1 6次碰撞,发生碰撞的时刻分别为1.5 0 5、2.0 1、2.3 7、3.6 3、4.0 1、5.6 1 5、5.9 6 5、6.2 2 5、6.4 7、6.8 7 5、7.7 7 5、8.6 4 5、9.0 6、9.2 6、9.5 5和9.7 5 s。而-y侧 角 点,在1.5 0 5、2.3 7、3.6 3、5.6 1 5、6.2 2 5、7.7 7 5、8.6 4 5、9.0 6、9.2 6和9.5 5 s并没有碰撞发生,但在6.5 5 5、6.6 9、7.4 8 5、1 0.3 5、1 0.5和1 0.8 6 s有碰撞发生。在2.0 1、4.0 1、5.9 6 5、6.4 7、6.8 7 5和9.7 5 s,+y和-y两侧同时发生碰撞,意味着此时箱梁发生了正面碰撞,即箱梁全截面参与接触,而只在单侧发生的碰撞即为扭转振动导致的偏心碰撞。综上所述,在本算例中,2#伸缩缝处共发生了2 3次碰撞,其中6次正面碰撞,1 2次+y侧的偏心碰撞和6次-y侧的偏心碰撞。图1 0 双向地震作用下2#伸缩缝处相邻节点纵向位移响应双向地震作用下各梁端局部碰撞破坏模式如图1 1所示,可见箱梁翼缘及下缘两侧角点均存在较大的应变集中,出现较为严重的破坏情况,尤其是箱梁翼缘位置大量混凝土单元被删除,箱梁顶板钢筋严重外露,同时右梁右端截面下缘+y侧也出现了少量混凝土单元破坏被删除,这与历次大地震中观察到的上部结构破坏现象相一致。而与图8相比较,单向地震作用下梁端仅发生了极小的破坏,甚至没有发生破坏,表明即使在碰撞力较大的情况下,伸缩缝处的局部破坏不一定严重。这是由于碰撞引起的应变大小不仅与碰撞力大小有关,还与碰撞过程中的接触面积直接相关,单向地震激励时,碰撞发生于整个梁截面上,而双向多点地震时,碰撞多数为偏心碰撞,其接触面积远远小于单向地震。另外,观察图1 1(b)和图1 1(c)还可发现,2#伸缩缝处箱梁+y侧翼缘破坏情况较-y侧严重,这是由于+y侧发生偏心碰撞的次数更多。图1 1 双向S F S地震作用下主梁碰撞破坏3#桥台处主梁相对于桥台的横向位移响应如图1 2所示,可以看出,梁体在横向发生了多次滑移,每次滑移后由于缺乏恢复力机制,梁体不能恢复到初始平衡位置,将在新的平衡位置进行往复振动,直到最后仍然在-y方向有0.2 1 8 m的残余位移,结果导致了如图1 3所示的梁体横向错位,这也与实际地震中观察到的桥梁上部结构横向破坏形式相符,一般情况下,此类桥梁箱梁两侧设有横向抗震挡块,对其横向错位效应有一定的限制作用。图1 2 双向地震作用下3#桥台处右梁横向相对位移图1 3 双向地震作用下主梁横向移位37第5期 何立翔,等:空间多点地震激励下简支梁桥碰撞响应数值模拟3.3 局部场地效应对碰撞响应的影响为研究局部场地效应对桥梁上部结构碰撞响应的影响,分析了F F F场地条件下桥梁碰撞响应,并与3.2节中S F S场地下的桥梁碰撞响应进行对比分析。S F S与F F F两种场地条件对各伸缩缝处纵向碰撞力响应影响的比较如图1 4所示,可以看出,S F S场地条件下,碰撞力的大小明显大于F F F场地条件,并且前者的碰撞次数也明显多于后者,这是由于在基岩处地震动特性相同的情况下,软土场地条件地震输入更大,必然导致上部结构之间的相对位移增大,且S F S场地条件下各场地之间土层差异性增大了地震动的空间变异性,从而加剧了相邻桥跨之间的异相振动。图1 4 局部场地效应对碰撞力的影响F F F场地条件下各梁端碰撞破坏情况如图1 5所示,对比S F S场地条件可见,虽然各梁端上下缘均出现了大片的应力集中区域,但大部分混凝土单元仍未达到设定的损伤阈值,只有极少数单元因损伤而被删除,各梁端的破坏程度均较轻。图1 5 双向F F F地震作用下主梁碰撞破坏4 结论采用L SD YNA建立了两跨简支梁桥三维精细化有限元模型,考虑了接触非线性、板式橡胶支座系统的非线性以及碰撞力作用下钢筋混凝土材料的非线性和应变率效应,分析了两跨简支梁桥在空间多点地震激励下的碰撞响应,研究了双向多点地震激励及局部场地效应对碰撞响应的影响,得出了以下结论:(1)碰撞会引起整个梁体的剧烈振动,对应于碰撞时刻在梁中产生加速度脉冲,单向地震激励时,虽然桥梁截面整体参与碰撞,但碰撞过程中应变在桥梁断面上的分布并不均匀。(2)双向多点地震激励引起的桥梁偏心碰撞会导致相邻桥跨之间碰撞次数的增加,但降低了碰撞力的大小,然而由于碰撞偏心效应的存在,双向多点地震加剧了伸缩缝处桥梁梁端的局部破坏,并引起梁体的横向错位。(3)局部场地效应对桥梁碰撞响应影响较大,基础场地条件越差,相邻桥跨结构之间碰撞响应越大,上部结构梁端局部碰撞破坏越严重。参考文献:1 白维刚,王军文,邢晨鹏,等.铁路不等跨简支梁桥组合减震系统减震机理及影响参数研究J.振动与冲击,2 0 2 2,4 1(2):2 0 8-2 1 6.B A I W e i g a n g,WAN G J u n w e n,X I N G C h e n p e n g,e t a l.D a m p i n g m e c h a n i s m a n d i n f l u e n t i a l p a r a m e t e r s o f a h y b r i d s h o c k a b s o r p t i o n s y s t e m f o r r a i l w a y s i m p l y-s u p p o r t e d g i r d e r b r i d g e s w i t h u n e q u a l s p a n sJ.J o u r-n a l o f V i b r a t i o n a n d S h o c k,2 0 2 2,4 1(2):2 0 8-2 1 6.2 WON J H,MHA H S,K I M S H.E f f e c t s o f t h e e a r t h q u a k e-i n d u c e d p o u n d i n g u p o n p i e r m o t i o n s i n t h e m u l t i-s p a n s i m p l y s u p p o r t e d s t e e l g i r d e r b r i d g eJ.E n g i n e e r i n g S t r u c t u r e s,2 0 1 5,9 3:1-1 2.3 C HOUW N,HA O H.S i g n i f i c a n c e o f S S I a n d n o n-u n i f o r m n e a r-f a u l t g r o u n d m o t i o n s i n b r i d g e r e s p o n s e:E f f e c t o n r e s p o n s e w i t h m o d u l a r e x p a n s i o n j o i n tJ.E n g i n e e r i n g S t r u c t u r e s,2 0 0 8,3 0(1):1 4 1-1 5 3.4 S HR E S THA B,HAO H,B I K M.E f f e c t i v e n e s s o f u s i n g r u b b e r b u m p e r a n d r e s t r a i n e r o n m i t i g a t i n g p o u n d i n g a n d u n s e a t i n g d a m a g e o f b r i d g e s t r u c t u r e s s u b j e c t e d t o s p a t i a l l y v a r y i n g g r o u n d m o t i o n sJ.E n-g i n e e r i n g S t r u c t u r e s,2 0 1 4,7 9:1 9 5-2 1 0.5 杨孟刚,孟栋梁,卫康华,等.高铁简支梁桥横向地震碰撞效 应 及 减 震 研 究 J.西 南 交 通 大 学 学 报,47 第2卷2 0 2 0,5 5(1):1 0 0-1 0 8.YAN G M e n g g a n g,ME NG D o n g l i a n g,WE I K a n g h u a,e t a l.T r a n s v e r s e s e i s m i c p o u n d i n g e f f e c t a n d p o u n d i n g r e d u c t i o n o f s i m p l y-s u p p o r t e d g i r d e r b r i d g e f o r h i g h-s p e e d r a i l w a yJ.J o u r n a l o f S o u t h w e s t J i a o t o n g U n i-v e r s i t y,2 0 2 0,5 5(1):1 0 0-1 0 8.6 MOU Z AK I S H P,P A P A D R AKAK I S M.T h r e e d i-m e n s i o n a l n o n l i n e a r b u i l d i n g p o u n d i n g w i t h f r i c t i o n d u r i n g e a r t h q u a k e sJ.J o u r n a l o f E a r t h q u a k e E n g i-n e e r i n g,2 0 0 4,8(1):1 0 7-1 3 2.7 高玉峰,蒲黔辉,李晓斌.梁式桥地震碰撞响应及防碰撞与落梁措施研究进展J.地震工程与工程振动,2 0 1 1,3 1(1):8 0-8 8.G AO Y u f e n g,P U Q i a n h u i,L I X i a o b i n.S t a t e-o f-a r t s o f e a r t h q u a k e-i n d u c e d p o u n d i n g r e s p o n s e s o f g i r d e r b r i d g e s a n d m e a s u r e s f o r p r e v e n t i n g p o u n d i n g a n d s p a n c o l l a p s eJ.J o u r n a l o f E a r t h q u a k e E n g i n e e r i n g a n d E n g i n e e r i n g V i b r a t i o n,2 0 1 1,3 1(1):8 0-8 8.8 KHA T I WA D A S,CHOUW N.L i m i t a t i o n s i n s i m u-l a t i o n o f b u i l d i n g p o u n d i n g i n e a r t h q u a k e sJ.I n t e r n a-t i o n a l J o u r n a l o f P r o t e c t i v e S t r u c t u r e s,2 0 1 4,5(2):1 2 3-1 5 0.9 聂利英,李建中,范立础.地震作用下结构碰撞的模型参数及其影响分析J.工程力学,2 0 0 5,2 2(5):1 4 2-1 4 6.N I E L i y i n g,L I J i a n z h o n g,F 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