部分斜拉橋地震易損性研究

部分斜拉橋地震易損性研究

結(jié)構(gòu)體系易損性研究結(jié)構(gòu)工程的地震脆弱性是指地震強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)破壞程度之間的關(guān)系。為評(píng)估橋梁的損傷水平,易損性曲線是評(píng)估橋梁結(jié)構(gòu)的損傷水平的一種公認(rèn)的有效工具。以易損性曲線的形式研究地震易損性是一種被廣泛采用的方法。易損性曲線傳統(tǒng)的定義為在某一特定的地面運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度作用下,結(jié)構(gòu)遭受某一特定狀態(tài)損傷的超越概率。國(guó)際上關(guān)于橋梁的易損性研究,迄今有十多年,以美國(guó)和日本研究較多,我國(guó)對(duì)橋梁的易損性研究還處于起步階段。研究易損性的方法主要有:經(jīng)驗(yàn)分析法、理論分析法以及其他方法。各國(guó)學(xué)者根據(jù)不同的研究條件,采用不同的方法研究橋梁結(jié)構(gòu)的易損性,提出了一系列的關(guān)于橋梁結(jié)構(gòu)的易損性曲線。部分斜拉橋作為一種應(yīng)用前景良好的新型橋梁體系,因其結(jié)構(gòu)新穎、跨越能力大、施工簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn),近幾年,在我國(guó)的公路和鐵路橋梁建設(shè)中發(fā)展迅猛,我國(guó)已建成和在建的部分斜拉橋多達(dá)30多座。但是部分斜拉橋是一種新型橋梁體系,基本上都是在20世紀(jì)90年代后建成,尚未經(jīng)受地震考驗(yàn),在可能的地震災(zāi)害下,部分斜拉橋的地震破壞損傷概率還不明確。因此,針對(duì)部分斜拉橋體系,開展相關(guān)的地震易損性研究,提出部分斜拉橋體系的理論易損性曲線,明確其在地震作用下的危險(xiǎn)截面以及整體和局部構(gòu)件的失效概率,對(duì)部分斜拉橋的抗震設(shè)計(jì)以及震害損失評(píng)估具有指導(dǎo)意義,對(duì)這些地區(qū)的公路交通系統(tǒng)的抗震減災(zāi)工作具有重要的意義。同時(shí)為此類新橋型的推廣將建立重要的理論分析基礎(chǔ)。由于部分斜拉橋是一種由主梁、塔與斜拉索等受力構(gòu)件相結(jié)合而成組合體系橋梁,結(jié)構(gòu)體系相對(duì)規(guī)則橋梁較復(fù)雜。此外部分斜拉橋結(jié)構(gòu)體系布置形式多樣,可設(shè)計(jì)成獨(dú)塔、雙塔、三塔或多塔的型式,鑒于部分斜拉橋多種多樣的結(jié)構(gòu)形式,不能一概而論它們的地震易損性。為了得到該類橋梁的地震易損性的特點(diǎn),本文從最簡(jiǎn)單、最基本的獨(dú)塔型式的部分斜拉橋入手來研究其地震易損性。1主梁抗拉橫橋結(jié)構(gòu)選取福建仙游仙港大橋主橋?yàn)檠芯勘尘皹?其主橋?yàn)?0m+60m獨(dú)塔部分斜拉橋,塔梁墩固結(jié)。主梁為單箱雙室斷面,中支點(diǎn)梁高2.5m,邊支點(diǎn)梁高1.6m;主塔在橋面以上高22.0m,為雙柱形獨(dú)塔,順橋向?qū)?.0~5.5m,橫橋向?qū)?.5m;中墩為雙柱墩,墩順橋向?qū)?m,橫橋向?qū)?.5m;邊墩為單柱墩,墩順橋向?qū)?.2m,橫橋向?qū)?m;每個(gè)索面對(duì)稱布置6對(duì)斜拉索。主橋基礎(chǔ)采用Φ150cm鉆孔灌注樁,樁長(zhǎng)20m;承臺(tái)為7.5m×7.5m、厚3.0m的矩形,每個(gè)承臺(tái)下設(shè)4根樁,兩個(gè)承臺(tái)間用系梁連接,系梁為3.0m×3.0m矩形截面?；炷脸叾詹捎肅40、系梁采用C30外,主梁、中墩和橋塔均采用C50。斜拉索采用鋼絞線索,極限強(qiáng)度1860MPa。背景橋總體結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。在橫橋向地面運(yùn)動(dòng)作用下,對(duì)梁式橋而言墩柱破壞是橋梁震害的主要特征之一。在以往的震害中,也出現(xiàn)過因支座和防震擋塊失效而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)嚴(yán)重?fù)p失的例子。和縱橋向地面運(yùn)動(dòng)作用下的易損性相比,獨(dú)塔部分斜拉橋在橫向地面運(yùn)動(dòng)作用下的易損性分析特點(diǎn)如下:(1)由獨(dú)塔部分斜拉橋主梁易損性部位分析可知,在強(qiáng)度為0.05g~0.60g的橫向地面運(yùn)動(dòng)作用下,主梁截面始始終處在彈性范圍內(nèi)。故可把主梁當(dāng)成彈性桿單元進(jìn)行易損性分析。(2)橫橋向由于上部結(jié)構(gòu)對(duì)橋墩墩柱的約束不同于縱橋向,橋墩墩柱的地震反應(yīng)也不同于縱橋向,要重新確認(rèn)墩柱的破壞模式和墩柱的破壞延性系數(shù)。(3)在橫橋向地面運(yùn)動(dòng)作用下,限位裝置會(huì)失效而引起的破壞,需要分析限位裝置的易損性。2計(jì)算模型與地面運(yùn)動(dòng)的輸入2.1彈性鉸及斜拉索模擬采用結(jié)構(gòu)分析軟件MIDAS建立背景橋空間有限元分析模型。以彈性三維梁?jiǎn)卧M主梁、墩塔、邊墩和樁基礎(chǔ),墩頂處梁?jiǎn)卧?jié)點(diǎn)通過剛臂與墩塔節(jié)點(diǎn)聯(lián)結(jié)。塔底單元、中墩墩底和墩頂單元、邊墩墩底單元、梁的近跨中單元均為各構(gòu)件薄弱部位,采用塑性鉸模擬。塑性鉸單元長(zhǎng)度采用文獻(xiàn)的公式確定,用非彈性鉸單元來模擬塑性鉸,骨架線由截面彎矩-曲率確定,滯回模型采用雙線型Clough模型,圖2為中墩墩頂截面的彎矩-曲率曲線。在橫橋向地面運(yùn)動(dòng)作用下,順橋向的內(nèi)力很小,故模擬的塑性鉸為墩塔截面橫橋向的塑性鉸。將承臺(tái)的作用考慮為剛性連接,通過在樁頂施加重量模擬自重?？紤]樁土效應(yīng),用m法求取土彈簧的剛度Ks。索采用柔性索單元模擬,由于索的長(zhǎng)度較短,恒載索力占總索力的比重較常規(guī)斜拉橋大,所以背景橋的斜拉索彈性模量通過折算后沒有變化;邊墩上限位器,在常規(guī)的地震反應(yīng)中,采用與板式滑動(dòng)支座相似的恢復(fù)力-位移模型是雙線型的,如圖3所示,基于以上簡(jiǎn)化建立有限元模型如圖4所示。2.2地震動(dòng)動(dòng)力放大系數(shù)選取PGA作為地震動(dòng)輸入的強(qiáng)度指標(biāo),通過地震動(dòng)的放大系數(shù)選取加速度時(shí)程。選取地震記錄的震中距在10km~50km范圍,綜合考慮場(chǎng)地土、震中距、震級(jí)等對(duì)地震動(dòng)的特性的影響,從1971年SanFernando地震、1985年CertralChile地震、1989年Moxico地震、1994年Northridge等地震中按我國(guó)現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)規(guī)范,選取符合I類場(chǎng)地特征的地震動(dòng)50條,使輸入的地面運(yùn)動(dòng)具有較大的廣泛性。圖5為所選地震動(dòng)在阻尼比為5%時(shí)的動(dòng)力放大系數(shù)譜,一些地震動(dòng)在峰值點(diǎn)處遠(yuǎn)高于規(guī)范反應(yīng)譜中建議的β=2.25的數(shù)值,且各地震動(dòng)的β的離散性也較大;圖6為所選地震動(dòng)放大系數(shù)均值與規(guī)范值對(duì)比圖,在0~2s區(qū)間所選地震動(dòng)的動(dòng)力放大系數(shù)均值與規(guī)范建議的I類場(chǎng)地上的取值比較接近,且所選地震動(dòng)的動(dòng)力放大系數(shù)均值大于規(guī)范建議值;在3~5s區(qū)間,所選地震動(dòng)動(dòng)力放大系數(shù)小于我國(guó)的規(guī)范建議值。背景橋的自振周期在1~2s間,選用的地震動(dòng)較符合規(guī)范的要求。3結(jié)構(gòu)抗震性能由于部分斜拉橋結(jié)構(gòu)體系比較復(fù)雜,在概率基礎(chǔ)計(jì)算結(jié)構(gòu)性能破壞極限狀態(tài)計(jì)算量大,另一方面又因結(jié)構(gòu)本身的隨機(jī)性相對(duì)于地震動(dòng)的隨機(jī)性一般較小,故把結(jié)構(gòu)的抗震能力當(dāng)作確定值來定義部分斜拉橋結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的損傷極限狀態(tài)。3.1標(biāo)確定中的關(guān)鍵值經(jīng)文獻(xiàn)提供的計(jì)算公式確定墩柱的破壞模式屬于彎曲破壞,通過墩柱的彎矩-曲率分析,獲得損傷指標(biāo)確定中的幾個(gè)關(guān)鍵值如表1所示。利用彎曲破壞損傷判別準(zhǔn)則,采用HAZUS1997建議的位移延性比指標(biāo)μ,定義發(fā)生彎曲型破壞的鋼筋混凝土墩柱的損傷等級(jí)及其量化指標(biāo),得到損傷指標(biāo)與損傷等級(jí)之間的關(guān)系,如表2所示(表格中,邊墩1代表圖1的左邊墩,邊墩2代表右邊墩,下同)。3.2限位器損傷背景橋在邊墩墩頂設(shè)置限位器如圖7。限位器和屈服后剛度較小的支座配合使用時(shí),對(duì)上部結(jié)構(gòu)具有重要的限位作用。在橫向撞擊力作用下限位器可能發(fā)生剪切破壞。限位器的抗剪能力由支持限位器構(gòu)造的鋼筋提供。由結(jié)構(gòu)構(gòu)造及配筋可算得,一個(gè)限位器可以提供2800kN的抗剪能力,和一個(gè)典型配筋的防震擋塊的抗剪能力相當(dāng)。建議當(dāng)一個(gè)限位器進(jìn)入屈服狀態(tài)為輕微破壞,個(gè)別限位器破壞為中等破壞,一個(gè)邊墩上的限位器全部破壞為嚴(yán)重破壞,所有限位器破壞為完全破壞。根據(jù)以上性能指標(biāo),用強(qiáng)度準(zhǔn)則和位移準(zhǔn)則作為限位器的損傷指標(biāo)。表3是建議的限位器的損傷指標(biāo),Δ為限位器上下兩個(gè)接觸面間的相對(duì)位移。3.3破壞極限拉應(yīng)力由于斜拉索的輕微破壞特征不明顯,故不討論其輕微破壞。對(duì)于斜拉索其他損傷等級(jí),建議采用以下?lián)p傷指標(biāo):按照設(shè)計(jì)要求取fy1=0.6Ryb為中等破壞極限狀態(tài),取極限抗拉強(qiáng)度的85%作為條件屈服應(yīng)力,取桿件名義極限抗拉強(qiáng)度為其破壞極限拉應(yīng)力。由此則可得到斜拉索的各級(jí)損傷極限狀態(tài),如表4所示。4結(jié)構(gòu)損傷概率采用增量動(dòng)力分析方法來研究橋梁結(jié)構(gòu)體系在給定橫橋向地面運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度下的結(jié)構(gòu)需求參數(shù)的概率特征?；谠诮o定地面運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)可以用對(duì)數(shù)正態(tài)分布很好地?cái)M合,故采用假定結(jié)構(gòu)各構(gòu)件損傷的概率均服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布和在不同強(qiáng)度等級(jí)地面運(yùn)動(dòng)作用下結(jié)構(gòu)構(gòu)件的易損部位保持不變兩個(gè)理論假定。考慮的地面運(yùn)動(dòng)的最大峰值加速度變化范圍為0.05g~0.60g,共分為12級(jí),各級(jí)增量為0.05g;對(duì)I類場(chǎng)地,各級(jí)地面運(yùn)動(dòng)均輸入50條最大峰值加速度調(diào)至相應(yīng)的地面運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度等級(jí)的地面運(yùn)動(dòng)加速度時(shí)程,進(jìn)行背景橋梁的結(jié)構(gòu)需求分析計(jì)算。通過將計(jì)算分析所得到的結(jié)構(gòu)需求和各構(gòu)件的各級(jí)損傷的極限狀態(tài)相比較,如果某一工況作用下,某種構(gòu)件的需求大于它的某種損傷的極限狀態(tài),那么就定義該構(gòu)件發(fā)生某種損傷,50種不同工況作用下,該構(gòu)件發(fā)生各種損傷的工況的出現(xiàn)概率定義為該構(gòu)件的各種損傷概率。則可獲得結(jié)構(gòu)各構(gòu)件在給定地面運(yùn)動(dòng)下的各級(jí)損傷概率,主要結(jié)果如表5~表8所示。從各易損部位的損傷概率可知,在橫橋向輸入作用下,獨(dú)塔部分斜拉橋各構(gòu)件的損傷有如下特點(diǎn):(1)表中沒有關(guān)于斜拉索的損傷概率,是因?yàn)樵跈M橋向地面運(yùn)動(dòng)作用下,斜拉索的需求較小,在0.05g~0.60g的地面運(yùn)動(dòng)加速度作用下,斜拉索的應(yīng)力在800MPa~1000MPa之間,屬于彈性范圍。(2)最先出現(xiàn)輕微破壞、中等破壞的構(gòu)件是限位器,限位器2輕微破壞、中等破壞的概率最大。(3)邊墩0.05g~0.60g的地面運(yùn)動(dòng)加速度作用下,均沒有出現(xiàn)完全損傷的情況。中墩墩頂除完全破壞外各級(jí)破壞概率均高于中墩墩底的相應(yīng)破壞的概率。5獨(dú)塔部分斜拉橋損傷概率根據(jù)結(jié)構(gòu)各構(gòu)件損傷的概率均服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布假設(shè),通過回歸擬合各個(gè)構(gòu)件在各級(jí)強(qiáng)度地面運(yùn)動(dòng)下的損傷概率,得到的獨(dú)塔部分斜拉橋各構(gòu)件以及全橋的損傷概率密度函數(shù)的均值、標(biāo)準(zhǔn)差以及殘差等參數(shù)。基于擬合得到的參數(shù)作出關(guān)于各構(gòu)件和全橋的各級(jí)損傷狀態(tài)的易損性曲線。5.1結(jié)構(gòu)的地震易損性分析通過回歸表5中墩的損傷概率離散點(diǎn),得到擬合的概率密度函數(shù)的參數(shù)如表9所示。根據(jù)表9的擬合參數(shù)作出中墩的各級(jí)損傷的易損性曲線如圖8所示。從圖8中可以看出,各條曲線與各級(jí)損傷概率的離散的概率點(diǎn)較接近,說明采用對(duì)數(shù)正態(tài)分布假定進(jìn)行結(jié)構(gòu)的地震易損性分析比較合理。墩頂、墩底易損性曲線相似,輕微破壞易損性曲線和中等破壞易損性曲線比較接近。但中墩墩底截面各級(jí)損傷的破壞概率均小于相同地面運(yùn)動(dòng)下的墩頂截面的損傷破壞概率,可取中墩墩頂截面的易損性曲線為中墩的易損性曲線。這是由于橫橋向截面尺寸對(duì)截面延性性能的影響超過了增加的軸力對(duì)截面延性性能的影響。5.2橫向地面運(yùn)動(dòng)作用下橋塔地震反應(yīng)特性回歸表6中橋塔的損傷概率離散點(diǎn),得橋塔擬合的概率密度函數(shù)的參數(shù)如表10所示。由表10的擬合參數(shù)作出橋塔的各級(jí)損傷的易損性曲線如圖9所示。與在順橋向地面運(yùn)動(dòng)作用下橋塔處在彈性范圍的地震反應(yīng)不同,在橫向地面運(yùn)動(dòng)作用下(0.05g~0.60g),橋塔將發(fā)生損傷破壞。塔底截面各級(jí)損傷易損性曲線比較平坦,沒有出現(xiàn)完全破壞,說明塔底截面相對(duì)中墩的破壞概率比較低,但不能忽略塔底截面的易損性,當(dāng)塔底截面進(jìn)入彈塑性后,整個(gè)結(jié)構(gòu)的剛度將會(huì)發(fā)生變化,從而影響中墩墩柱和邊墩墩柱的地震響應(yīng)。5.3邊墩損傷概率通過回歸表7中的邊墩的損傷概率離散點(diǎn),可得到的邊墩擬合的概率密度函數(shù)的參數(shù)如表11所示。根據(jù)表11的擬合參數(shù)作出邊墩的各級(jí)損傷的易損性曲線如圖10所示。邊墩2的輕微破壞和中等破壞損傷概率均大于相同地面運(yùn)動(dòng)下的邊墩1的損傷破壞概率,特別是PGA值較小時(shí);邊墩2的嚴(yán)重破壞損傷概率小于相同地面運(yùn)動(dòng)下的邊墩1的損傷破壞概率。結(jié)合兩個(gè)邊墩墩底截面的易損性曲線為邊墩的易損性曲線。張菊輝關(guān)于單柱墩易損性隨墩高變化的研究有以下結(jié)論:當(dāng)墩高在15m~25m,PGA值較低時(shí),墩柱損傷的概率隨墩高的增大而增大,符合本文的結(jié)論。這是因?yàn)檫叾崭叨仍黾蛹訌?qiáng)了墩柱的延性性能,也加大墩底的彎矩,增加塑性鉸的曲率。當(dāng)高度增加引起延性性能的增加不足抵消彎矩增加的塑性鉸的曲率時(shí),墩柱的損傷增大,反之,墩柱的損傷減小。5.4限位器損傷概率的易損性曲線通過回歸表8中限位器的損傷概率離散點(diǎn),可得到的限位器擬合的概率密度函數(shù)的參數(shù)如表12所示。根據(jù)表12擬合參數(shù)作出限位器的各級(jí)損傷的易損性曲線如圖11所示。在橫向地面運(yùn)動(dòng)作用下限位器2和限位器1的易損性曲線相似,但是限位器2的各級(jí)損傷概率都大于限位1的各級(jí)損傷概率,故可用限位器2的易損性曲線代表限位器的易損性。所有構(gòu)件中,限位器2的輕微破壞和中等破壞損傷的概率最高,但限位器2的嚴(yán)重破壞和完全破壞的概率低于中墩的相應(yīng)破壞損傷概率。5.5易損性曲線的擬合根據(jù)獨(dú)塔部分斜拉橋各構(gòu)件的各級(jí)損傷概率和易損性曲線,比較中墩、邊墩、橋塔和限位器在每一級(jí)地面運(yùn)動(dòng)作用下發(fā)生各級(jí)損傷的概率,選取其中各級(jí)地面運(yùn)動(dòng)作用下構(gòu)件損傷概率的最大值作為全橋結(jié)構(gòu)的損傷概率。然后用這些損傷概率散點(diǎn)進(jìn)行函數(shù)擬合,得到對(duì)應(yīng)的對(duì)數(shù)正態(tài)分布函數(shù)的擬合參數(shù),利用這些參數(shù)作出全橋結(jié)構(gòu)的易損性曲線。全橋易損性曲線的擬合參數(shù)值如表13,全橋易損性曲線如圖12。對(duì)比各個(gè)構(gòu)件和全橋的各級(jí)損傷概率和擬合的易損性曲線可知:在橫橋向地面運(yùn)動(dòng)作用下,獨(dú)塔部分斜拉橋全橋的易損性主要受限位器和中墩控制。限位器最先發(fā)生輕微破壞和中等破壞,控制整橋的輕微損傷和中等損傷破壞。中墩最易發(fā)生嚴(yán)重破壞和完全破壞,其損傷概率控制全橋相應(yīng)破壞損傷概率。6拉拔索變形破壞的彈性經(jīng)對(duì)比分析上述的研究結(jié)果可得出,在橫橋向地面運(yùn)動(dòng)作用下,獨(dú)塔斜拉橋易損性有如下特點(diǎn):(1)中墩最易發(fā)生嚴(yán)重破壞和完全破壞,其損傷概率控制全橋相應(yīng)破壞損傷概率,中墩墩頂截面控制中墩破壞。限位器最先發(fā)生