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1、振动与冲击第26卷第6期JOURNALOFVIBRATIONANDSHOCKVol.26No.62007竖向地震动对桥梁结构地震反应的影响王常峰,陈兴冲(兰州交通大学土木工程学院,兰州730070)摘要利用支座接触摩擦单元模拟竖向地震动在桥梁结构地震反应分析中的作用,通过算例讨论了竖向地震动对不同支座摩擦系数和不同刚度(墩径)的桥梁的抗震性能的影响,讨论了竖向地震动的激励方向对分析结果的影响,分析结果表明,竖向地震动对桥梁结构的地震反应尤其是支座剪力及竖向反力有较大的影响,在高烈度区应予以考虑。关键词:竖向地震动,活动支座,摩擦,抗震分析中图分类号:U442.5文献标识
2、码:A地震灾害现象表明,在高烈度区,竖向地震动的影111接触摩擦单元响是明显的,竖向地震动对桥梁结构抗震性能的影响将桥梁活动支座简化成二维接触摩擦单元应用弹主要通过桥梁支座来体现。桥梁支座是连接桥梁上部性库仑摩擦来进行分析,接结构和下部结构的重要构件,在地震中,支座是桥梁整触摩擦单元示意图如图1体抗震性能的一个薄弱环节,而其破坏又会直接影响所示。[1]到梁体和桥墩的安全,故在地震反应分析中正确模图中:[2]拟支座的作用是非常重要的。μ:支座材料摩擦系数;在水平和竖向地震共同作用下,支座不但要承受Fn:支座单元在某一时恒载竖向反力,还要承受由于地震引起的竖向动反力。刻所受
3、到的竖向动反力与过去许多学者对发生滑动的支座进行动力性能研究恒载反力之和;图1接触单元示意图中,支座水平向恢复力模型取为双线性模式,临界摩擦Fs:支座滑动方向临界力大小根据滑动面摩擦系数和支座竖向恒载反力来确滑动力;定,忽略了竖向地震作用下支座竖向动反力对水平向Kn:支座单元竖向刚度;[3]摩擦力的影响。在一些情况下,地震引起的支座竖Ks:支座单元滑动方向滑动前刚度;向动反力对于滑动支座的滑动性能有较大影响,不能δ:初始间隙。忽略。文献[4]利用可以考虑竖向地震动的支座有限接触单元单元刚度矩阵分为3种情况,即:闭合但元模型对单墩模型进行了滑动支座竖向动反力对抗震不滑动、
4、闭合滑动、缝隙张开,其刚度矩阵也有相应的性能的影响分析,但尚未有文献对全桥模型进行专门如下3种情况。的研究。1)闭合不滑动对于板式橡胶支座,采用线性模式来模拟其恢复[5]当μ
5、Fn
6、>
7、Fs
8、时,单元缝隙闭合但不发生滑力模型与实际情况有较大出入,应采用双线性模式来动,法向力通过下式来确定:反映支座与墩顶、梁底之间的滑动性能,其摩擦系数大Fn=kn(unJ-unI-δ)(1)致为0.15～0.20。对于盆式橡胶支座,大多采用聚四式中:unI为I节点竖向位移;unJ为J节点竖向位移;δ为氟乙烯滑板,其摩擦系数为0.03～0.05。本文针对不单元竖向初始间隙。同形式的支座,根
9、据滑动支座的特点,建立了可以考虑滑移力通过下式来确定:竖向动反力和支座平面运动耦合的支座计算模型,并Fs=ks(usJ-usI-u0)(2)对支座竖向动反力对桥梁结构的地震反应的影响进行式中:unI为I节点切向位移;unJ为J节点切向位了探讨。移;u0为J节点相对I节点已经发生的相对位移。1考虑竖向地震动滑动支座计算模型相对于闭合不摩擦情况的单元刚度矩阵为:ks0-ks00kn0-kn[Ke]=(3)-ks0ks0基金项目:兰州交通大学“青蓝”人才工程基金资助计划资助收稿日期:2006-07-27修改稿收到日期:2006-09-120-kn0kn第一作者王常峰男,讲师,
10、博士生,1977年生单元坐标系下,载荷向量为:32振动与冲击2007年第26卷Fs向地震动。为便于实际工程参考,对采用上述参数的F模型进行了模态分析,表1列出了考虑支座摩擦及不n{Fe}=(4)考虑支座摩擦两种情况下以固定墩面内振动为主的振-Fs型自振周期,由于模态分析无法考虑结构的非线性特-Fn性,在不同的摩擦系数下,结构的自振周期相同。由表2)闭合且滑动1可见,所取模型周期范围较广,分析具有代表性。滑动支座临界摩擦力为Fs=μFn,在地震作用下,支座切向力大于Fs时支座将发生滑动,发生滑动后支座刚度取0,其单元刚度矩阵为:00000kn0-kn[Ke]=(5)000
11、0图3多跨连续梁桥示意图0-kn0kn其载荷向量与第一种情况完全相同,在竖向地震表1结构自振周期/s动作用下,由于竖向地震加速度一般不会太大,故缝隙墩径不考虑支考虑支座摩擦支座刚度(kN/m)一般处于闭合状态,即情况1和情况2。/m座摩擦1E42E44E48E410E43)缝隙张开情况0.85.131.981.591.240.940.85在此种情况下1.03.311.661.361.100.870.80,没有任何法向刚度或切向刚度,故1.22.331.421.180.970.790.74其法向刚度和切向刚度全为0。1.51.551.150
