地震中梁式桥的碰撞模拟分析

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强烈地震作用下,曲线梁桥的主梁之间以及主梁与桥台极易发生碰撞,剧烈的碰撞过程中存在严重的材料非线性和接触非线性问题,可能造成主梁断面局部区域的破坏,引起主梁过大的纵向位移,最后出现落梁倒塌。由于曲线梁桥自身的弯扭耦合特性和动力特性,使得曲线梁桥的地震碰撞效应复杂,相关国内外研究较少,仅仅基于简化模型做了少量的研究。本文以一座曲线梁桥为研究对象,运用三维接触-摩擦模型和显示非线性分析方法,建立了精细化的有限元模型,研究曲线梁桥主梁、桥墩在碰撞作用下的反应,以及倒塌后主梁与桥墩的碰撞行为。  碰撞是接触的一种特殊的情况,力学和物理行为都非常复杂,单纯的弹簧单元无法更为准确的描述碰撞行为,特别是曲线梁桥的碰撞。本文基于三维接触-摩擦模型对曲线梁桥精细化建模。运用搜索算法来解决碰撞的任意特性,直线段主梁之间的碰撞接近于轴碰,可以不考虑切向摩擦的影响,但是曲线段主梁之间的碰撞需要考虑切向摩擦对碰撞力的影响。落梁后主梁与桥墩的碰撞有一定的角度,需要考虑其切向摩擦的影响。  目前的桥梁碰撞分析中,碰撞刚度取值没有一个合理的取值方法,较为常用的即取主梁轴向刚度的若干倍。本文结合柔度法和应力应变公式推导了修正的碰撞刚度公式,并建立了有限元模型验证了其与轴向碰撞刚度的特性。研究发现:修正的碰撞刚度取值较轴向碰撞刚度取值得到的碰撞力更具有一定的非线性,其中参数邻梁比无论是对碰撞力和碰撞持续时间都有很大的影响,特别是当邻梁比从1∶1到1∶2这之间影响特别大。邻梁比权重越大,即越说明以往碰撞刚度取值方法的不足。本文还考虑落梁后主梁与桥墩的碰撞,建议取10倍的桥墩等效刚度。  通过有限元程序ABAQUS建立曲线桥梁模型,采用接触搜索算法来研究碰撞作用。通过地震作用下的时程反应分析,对比不同刚度下的碰撞结构反应,得到伸缩缝两端发生碰撞作用对结构的影响:对梁端产生巨大的碰撞力;极大地加剧梁体的加速度反应;对梁体、墩顶的位移影响不大;对墩底剪力有一定的影响。落梁后主梁与桥墩的碰撞若继续采用主梁的轴向刚度作为碰撞刚度,其碰撞结果偏大。
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