地震動對rc梁式橋橋墩損傷的影響分析

地震動對rc梁式橋橋墩損傷的影響分析

基于性能的抗疲勞設(shè)計思想是21世紀(jì)全球抗癲癇設(shè)計理論發(fā)展的必然趨勢。通過提出不同的抗洪設(shè)計目標(biāo)和結(jié)構(gòu)設(shè)計，我們可以控制不同級別地震對結(jié)構(gòu)的破壞。該理論將抗洪設(shè)計從傳統(tǒng)的安全生產(chǎn)轉(zhuǎn)移到充分考慮生命和財產(chǎn)損失的不同層次的目標(biāo)體系。其主要內(nèi)容包括,地震設(shè)防水準(zhǔn)的確定、抗震性能水準(zhǔn)的劃分、抗震性能目標(biāo)的確定以及基于性能的抗震設(shè)計方法等幾個方面。近年來,中外學(xué)者圍繞工程結(jié)構(gòu)基于性能抗震設(shè)計的理論及應(yīng)用展開了深入研究,取得了一系列成果。如,文獻(xiàn)針對基于性能抗震設(shè)計所涉及的關(guān)鍵問題進(jìn)行了分析,明確了基于性能抗震設(shè)計的主要思想、研究內(nèi)容以及與現(xiàn)行抗震設(shè)計思想的區(qū)別與聯(lián)系;文獻(xiàn)定量檢驗了當(dāng)前以延性為指標(biāo)的強度折減因子的不足,定義了基于損傷性能指標(biāo)的強度折減因子,并給出了三種場地條件下基于確定性能指標(biāo)的強度折減因子的回歸表達(dá)式;文獻(xiàn)以文獻(xiàn)為基礎(chǔ),融合反應(yīng)譜法和基于位移設(shè)計方法的優(yōu)點,發(fā)展了一種橋梁墩柱直接基于性能的抗震設(shè)計方法;文獻(xiàn)將“小震不壞”的承載力控制引入設(shè)計程序,并與中震、大震下的損傷控制結(jié)合起來,提出了建筑結(jié)構(gòu)基于多性能水準(zhǔn)的抗震設(shè)計方法。但是,從既有的研究進(jìn)展來看,目前的工作仍主要集中于基于性能抗震設(shè)計思想及其理論框架的構(gòu)建,少量的工作涉及到具體結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法,但還未達(dá)到指導(dǎo)實際結(jié)構(gòu)設(shè)計的程度。其中,對于不同地震動特性下結(jié)構(gòu)尤其是橋梁結(jié)構(gòu)的地震動損傷分布特征及其影響規(guī)律,除文獻(xiàn)有所涉及外,還鮮有研究。而橋梁結(jié)構(gòu)尤其是作為主要抗側(cè)力構(gòu)件的橋墩在強震下的地震動損傷及滯回耗能分布,是基于性能抗震設(shè)計的重要方面和關(guān)鍵基礎(chǔ)。本文引入前期研究提出的改進(jìn)Park-Ang雙參數(shù)損傷評估模型,以某靠近活動斷層的高速公路RC梁式橋為對象,提煉其等效單墩模型,挑選了中、美兩國3條代表性的近場強震記錄,深入分析、提取了峰值加速度、頻譜、持時等三個地震動要素對損傷指標(biāo)沿橋墩豎向的分布特征及其影響規(guī)律,并研究了累積滯回耗能、滯回耗能所引起損傷的分布特征,以及累積滯回耗能所致?lián)p傷在橋墩總體損傷中的比重及其分布。1評估結(jié)構(gòu)地震損傷的性能的方法1.1改進(jìn)的點及模型性能目標(biāo)的量化是基于性能抗震設(shè)計的關(guān)鍵內(nèi)容之一,越來越多的研究者傾向于采用地震損傷指標(biāo)對性能目標(biāo)進(jìn)行量化。二十多年來,各國學(xué)者結(jié)合震害調(diào)查和試驗研究持續(xù)發(fā)展了不同的損傷評估模型,形式上經(jīng)歷了從單參數(shù)到雙參數(shù)的變化,機理上則從單純變形延性、剛度、能量到同時考慮變形和能量的線性組合。其中,以Park等首次提出的最大變形和累積滯回耗能線性組合的地震損傷評估模型最為典型:式中,β為累積耗能項權(quán)重系數(shù),一般取0.15,δ、δu分別為構(gòu)件或截面實際變形、單調(diào)加載極限變形能力,EH為累積滯回變形耗散能量,由式(6)定義,Fy為屈服力。由于該模型較好地描述了地震破壞的機理,由位移項和能量項組合而成,從概念上與破壞是由大的變形幅值(損傷的第一種途徑DID,由式(1)第一項確定)和反復(fù)加載能量效應(yīng)(損傷的第二種途徑DIE,由式(1)第二項確定)的共同作用所引起的這一基本規(guī)律相符,形式簡單,且具有廣泛的試驗基礎(chǔ)(最初采用了261個試驗結(jié)果,在隨后對主要經(jīng)驗系數(shù)作修訂時把參考的試驗數(shù)目增加到402個),因而得到了極為廣泛的應(yīng)用。鑒于前期研究發(fā)現(xiàn)Park-Ang模型在理論上存在的不足之處,建議改進(jìn)模型如下:式中,δy為構(gòu)件或截面屈服位移,其它參數(shù)的定義同式(1)。如式(2)所定義,由于地震動過程的實質(zhì)是地面運動能量向結(jié)構(gòu)傳遞、轉(zhuǎn)化和消耗的過程,在強烈地震作用下輸入能量主要由結(jié)構(gòu)的非彈性滯回變形所消耗,非彈性累積滯回耗能EH和瞬時最大變形δ一樣,是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)地震損傷的兩個同等重要因素。EH具有重要的工程意義,它能很好地反映強震持續(xù)時間對結(jié)構(gòu)反應(yīng)的影響,是衡量結(jié)構(gòu)塑性累積損傷的主要指標(biāo)。下式為結(jié)構(gòu)的能量平衡方程:式中,m、c分別為結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和阻尼系數(shù),fs(u,u)為結(jié)構(gòu)滯回力,分別為地震作用下結(jié)構(gòu)的位移、速度與加速度值,ug··為輸入地震動加速度。根據(jù)上述方程的定義,結(jié)構(gòu)吸收能量EA由兩部分組成:可恢復(fù)彈性應(yīng)變能ES和不可恢復(fù)非彈性變形能EH(滯回耗能),即:其中:式中,fs為結(jié)構(gòu)在彈性階段的滯回力,k為彈性階段所對應(yīng)的結(jié)構(gòu)剛度。則地震過程中的滯回變形耗能為:滯回耗能在橋梁結(jié)構(gòu)體系中的分布,代表地震動累積作用效應(yīng)的分布特征,是結(jié)構(gòu)地震損傷的重要方面。目前,有關(guān)滯回耗能分布的研究主要是針對建筑框架結(jié)構(gòu)展開的,對于橋梁結(jié)構(gòu)的研究仍很少見,因此,有必要系統(tǒng)討論地震動作用下橋梁滯回耗能及其所致?lián)p傷的分布規(guī)律。1.2結(jié)構(gòu)損傷指數(shù)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行基于性能的抗震設(shè)計與評估,應(yīng)明確劃分結(jié)構(gòu)的抗震性能水準(zhǔn),并根據(jù)不同水準(zhǔn)給出量化的性能目標(biāo)。結(jié)合震害觀測和試驗結(jié)果,通常將鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在地震作用下的震害(損傷)劃分為以下五個等級:基本完好、輕微破壞、中等破壞、嚴(yán)重破壞和倒塌,以定性度量結(jié)構(gòu)的損傷程度。Park等從9座遭受不同程度地震破壞的結(jié)構(gòu)中,分析得到了損傷指數(shù)DI與破壞等級的關(guān)系(表1),用于定義結(jié)構(gòu)在不同預(yù)期損傷表現(xiàn)下的具體度量值(見表1),將DI=0.4作為可修復(fù)破壞的臨界值,當(dāng)DI>1.0時,視作結(jié)構(gòu)倒塌。對于橋梁結(jié)構(gòu),Hindi等根據(jù)鋼筋混凝土橋墩在地震動循環(huán)加載下的損傷性能分布特征,給出如表2的損傷指數(shù)與破壞等級間關(guān)系,用于具體界定橋梁結(jié)構(gòu)不同的損傷狀態(tài)范圍。為了建立地震動設(shè)防水準(zhǔn)和結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)間關(guān)系,潘龍等在參照對比鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)不同震害等級的損傷指數(shù)范圍以及地震設(shè)防水準(zhǔn)的基礎(chǔ)上,給出了如表3所示的鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)不同地震水平的損傷性能指標(biāo),可用于定義不同類別RC橋梁在不同地震水平下的預(yù)期抗震性能。由此,上述三位學(xué)者對于性能目標(biāo)的界定是基本吻合的。2橋梁算計算法2.1橋臺及墩頂設(shè)置為了研究地震動損傷及滯回耗能在橋梁中的分布特征,選取某靠近活動斷層的3跨RC梁式橋為研究對象,見圖1。該橋全長54m,上部結(jié)構(gòu)為3×16m預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁。雙柱式橋墩,墩身為圓形截面,直徑1.3m,立柱間距9.25m。梁體與橋墩之間通過板式橡膠支座連接,下部為鉆孔灌注樁基礎(chǔ),樁徑1.5m,1#、2#墩樁高度分別為8m、13m。全橋在橋臺和墩頂分別設(shè)置四氟乙烯GYZF4板式橡膠支座和普通GYZ板式橡膠支座,為精確模擬強震下支座可能的破壞以及對橋梁地震響應(yīng)的潛在影響,應(yīng)考慮支座的破壞特性,支座采用理想彈塑性恢復(fù)力模型。橋梁樁基礎(chǔ)和樁周土體之間的動力相互作用效應(yīng)采用集中質(zhì)量模型進(jìn)行模擬,根據(jù)地勘資料,沿樁基高度設(shè)置縱、橫橋軸方向的土彈簧。限于篇幅,支座滯回模型及樁基土彈簧等參數(shù)取值見文獻(xiàn)。2.2橋墩各截面的等效塑性鉸長度延性是表征結(jié)構(gòu)變形和滯回耗能能力的重要指標(biāo)。為了準(zhǔn)確計算橋墩不同部位的延性水平,對橋墩進(jìn)行了不同截面的彎矩-曲率(M-φ)分析,以確定塑性鉸的屈服點、極限點參數(shù)。橋墩截面配筋布置如圖2所示,墩身材料采用C30混凝土,墩柱縱向鋼筋采用28根直徑28mm的HRB335鋼筋,箍筋采用直徑10mm的R235鋼筋,箍筋間距為100mm。利用UC-fyber軟件對橋墩不同高度截面進(jìn)行M-φ分析,所得到的滯回模型骨架曲線如圖3所示,通過等效線性化可得到截面的屈服點和極限點。墩頂、墩底截面曲率延性指標(biāo)見表4,其中屈服曲率和屈服彎矩采用《公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則》第7.4.4條規(guī)定計算所得的等效屈服曲率和等效屈服彎矩,依據(jù)該細(xì)則第7.4.3條,可算出橋墩各截面等效塑性鉸長度。根據(jù)算例橋梁設(shè)計尺寸及參數(shù)取值,運用SAP2000數(shù)值計算軟件建立有限元模型,分別采用梁單元模擬梁體、橋墩和樁基礎(chǔ),采用彈簧單元模擬板式橡膠支座和土彈簧,全橋有限元模型如圖4所示。2.3橋橋整體結(jié)構(gòu)模型在地震作用下,由于橋梁的梁體通常做剛體平動,以動能的方式耗散所分擔(dān)的地震動能量,地震輸入總能量的絕大部分主要依靠橋墩及支座的非彈性滯回變形耗散,而支座因其數(shù)量及規(guī)格的限制,耗能有限,因此,重點需研究強震下?lián)p傷及滯回耗能在橋墩各部位的分布規(guī)律。對于單墩模型,墩頂GYZ板式橡膠支座采用非線性彈簧單元模擬,支座單元與橋墩雙柱間用剛臂連接,上部梁體以集中質(zhì)量單元(mass單元)(單跨梁重420t)的形式施加在支座上。以1#墩為對象,根據(jù)前述橋墩各截面的M-φ分析設(shè)置塑性鉸,考慮土-結(jié)相互作用,樁基礎(chǔ)采用梁單元模擬,樁底鉸接。采用SAP2000有限元軟件建立了橋梁結(jié)構(gòu)的等效單墩分析模型,見圖5。3特征的結(jié)構(gòu)破壞和能量分布3.1斷層強震記錄為了對所建橋梁等效單墩模型進(jìn)行非線性動力時程分析,以對比討論不同地震動特性對橋梁結(jié)構(gòu)損傷及滯回耗能及其分布的影響,選取了3條代表性的近斷層強震記錄。為比較不同類型地震動頻譜特性的影響,所選取的3條地震波均具有顯著代表性:B-PTS225波持時較短,為22.32s,中低頻含量豐富,無明顯脈沖,為短持時無脈沖波;WPI046波持時也較短(24.96s),低頻含量豐富,但加速度時程存在明顯的單邊脈沖,為短持時強脈沖波;綿竹清平波持時長達(dá)159.98s,高頻含量豐富,無脈沖,為長持時無脈沖波。各條記錄的具體參數(shù)見表5,其加速度時程見圖6。3.2墩底、墩頂定義墩高系數(shù)η,用于表述不同截面所在高度占橋墩總高度的比例,如下式所示:式中,h為橋墩某截面標(biāo)高,H為橋墩總高度,則對于墩底η為0,對于墩頂η為1。根據(jù)墩底塑性鉸的長度,將橋墩沿高度自下而上劃分為18個單元,則有:式中,DI、EH分別為橋墩結(jié)構(gòu)各部位損傷和滯回耗能總和,DIi、EHi為橋墩結(jié)構(gòu)第i單元的損傷和滯回耗能,則可定義結(jié)構(gòu)損傷、滯回耗能各單元參與系數(shù)γi和γEi為:分別用于描述第i個單元的損傷、累積滯回耗能占總損傷、總耗能的比值。(1)滯回能耗及損傷參與分析峰值PGA是地震動三要素之一,為了對比不同地震動強度對損傷及滯回耗能沿橋墩高度分布特征的影響,對所選3條地震波進(jìn)行幅值調(diào)整。分別將B-PTS225波、WPI046波和綿竹清平波的PGA調(diào)整為0.2g、0.3g、0.4g、0.5g和0.6g,大體涵蓋了從7°至9°罕遇地震所對應(yīng)的設(shè)計加速度。對橋墩模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)動力時程求解,再按照式(2)~式(9)經(jīng)自編Fortran程序進(jìn)行能量及損傷的積分計算,可由地震動響應(yīng)時程指標(biāo)(彎矩、轉(zhuǎn)角)計算各單元地震動損傷及滯回耗能。圖7給出了B-PTS225波在峰值為0.4g時計算所得的墩底(h=0m)、距墩底2m(h=2m)、距墩底5m(h=5m)三個截面的滯回曲線(M-φ),從圖中可看出,墩底和距墩底2m處截面均以不同程度進(jìn)入塑性,其滯回環(huán)形狀嚴(yán)格遵循模型建立時所定義的雙線性關(guān)系,而距墩底5m處截面則仍基本處于線性狀態(tài),但有開始進(jìn)入塑性狀態(tài)的趨勢,這一點也可從圖8(a)中得到驗證,從該圖中可看出,h=5m處截面是彈性與塑性狀態(tài)的分界線。圖8給出了3條記錄在不同PGA下的墩底截面滯回耗能時程曲線,從圖中均可看出,隨著PGA的增大,墩底截面的滯回耗能顯著增大;由于3條記錄的PGA峰值出現(xiàn)時刻分別為12.2s、5.2s及48.0s,和滯回耗能明顯增加的時刻相吻合,體現(xiàn)了地震動強度的作用。圖8(a)、(b)、(c)三圖的對比表明,相同的PGA水平下,3條記錄導(dǎo)致的墩底地震動損傷量值存在明顯差別,如PGA=0.6g時,B-PTS225、WPI046及綿竹清平波下的滯回耗能的量級分別在120kN·m、100kN·m、45kN·m,體現(xiàn)了不同記錄地震動輸入能量的差異。圖9給出了在不同PGA下3條波所致?lián)p傷沿墩高的分布,從圖中均可看出,橋墩地震動損傷沿豎向自下而上急劇減小。隨著PGA的增大,墩底及附近截面的損傷明顯增大。當(dāng)PGA為0.2g時,3條波作用下墩底截面的損傷指數(shù)分別為0.22、0.25和0.12,此時橋墩處于“輕微破壞”范疇;當(dāng)PGA增大到0.6g時,3條波下的墩底截面損傷指數(shù)分別為0.98、1.27和0.34,B-PTS225、WPI046波下墩底已處于“倒塌”狀態(tài),綿竹清平波下則進(jìn)入“中等破壞”狀態(tài),表明不同地震動作用下結(jié)構(gòu)損傷存在顯著區(qū)別。此外,隨著PGA增大,損傷出現(xiàn)的高度也不斷擴(kuò)大,如在WPI046波下,PGA從0.2g遞增到0.6g時,η由0.2增加到0.5,說明在高烈度水平下橋墩受損范圍顯著擴(kuò)散。圖10為不同PGA下各截面的損傷參與系數(shù)γ,包括各截面由能量和變形引起的總體損傷、由能量單獨導(dǎo)致?lián)p傷的參與比例分布,從圖中可看出,γ在0.3~0.4的范圍內(nèi)變化,隨PGA的增大,墩底截面損傷參與程度有所下降;但η=0.1所對應(yīng)的截面及其附近截面則基本不受影響,γ取值穩(wěn)定在0.2左右。隨PGA的增大,出現(xiàn)損傷的高度范圍不斷擴(kuò)大,在B-PTS22和WPI046兩條波下,PGA從0.2g遞增到0.6g時,η由0.2增加到0.4。圖11給出了不同PGA下各部位能量引起損傷(DIE)占總損傷(DI)的比重沿橋墩高度的分布。從圖中可看出,在3條記錄下,DIE/DI沿墩高先增大后降低為零(彈性部分)。其中,對于墩底截面,在不同PGA水平下各條波的DIE/DI在0.2~0.4的范圍內(nèi)分布,隨高度增大時,所占比例最高達(dá)到80%,表明累積滯回耗能是結(jié)構(gòu)、構(gòu)件損傷的重要組成部分,在抗震設(shè)計時不容忽略。此外,需注意的是,能量所致?lián)p傷占總損失比重的分布在不同墩高處有明顯差別,其最大值通常不是發(fā)生在墩底,而是在墩底以上某個部位,因為這些截面的最大變形雖然超過屈服點,但比墩底明顯偏小,能量主要是以較小幅值的循環(huán)滯回耗能方式耗散。(2)結(jié)構(gòu)非線性時程分析地震動可看作振幅和頻率復(fù)雜變化的隨機振動,由于震源機制、地震波傳播途徑、反射、折射、散射和聚焦以及場地土特性、局部地質(zhì)條件等要素的差異,不同地震動的頻譜組成差別明顯,結(jié)構(gòu)在不同頻譜條件下的震害也迥異,有時頻譜甚至對結(jié)構(gòu)破壞起決定性作用。圖12為3條記錄的動力放大系數(shù)β譜,可看出,在譜形狀和峰值上,綿竹清平波與其他兩條記錄存在顯著差異,在短周期段存在較高的峰值,而B-PTS225波、WPI046波對應(yīng)β譜則均存在較寬的平臺,在長周期段下降緩慢。為了對比地震動頻譜特性對結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響,將3條記錄PGA統(tǒng)一調(diào)整為0.4g,對單墩結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行非線性時程分析。計算所得墩底截面滯回耗能時程曲線、滯回耗能以及滯回耗能參與系數(shù)在橋墩各部位的分布分別見圖13(a)、(b)和(c)所示。從圖13(a)可知,在相同的地震動強度(PGA)下,不同地震波下的墩底截面滯回耗能存在顯著差別,由于WPI046波的卓越周期(0.88s)最接近于結(jié)構(gòu)的自振周期(0.94s),產(chǎn)生類共振效應(yīng)而導(dǎo)致WPI046波下的橋墩墩底截面滯回耗能最大;從圖13(b)、(c)可看出,和地震動損傷指標(biāo)類似,不同地震頻譜下滯回耗能的分布均呈現(xiàn)下大上小的規(guī)律,滯回耗能由墩底向上逐漸減小,參與程度逐漸降低,由于B-PTS225波、WPI046波的頻譜特性較為一致,兩條記錄下的各單元滯回耗能及滯回耗能各單元參與系數(shù)也較為接近。圖13(d)、(e)、(f)給出了3條記錄下地震動損傷、損傷參與系數(shù)以及能量引起損傷占總損失比重等三個指標(biāo)沿墩高的分布,和滯回耗能類指標(biāo)的分布類似,損傷類指標(biāo)及其分布也受地震動頻譜的顯著影響。從三個圖中可看出,B-PTS225和WPI046波作用下,墩底損傷分別達(dá)到0.74(接近“倒塌”狀態(tài))和1.0(達(dá)到“倒塌”狀態(tài)),而綿竹清平波作用下的墩底損傷僅為0.12(剛進(jìn)入“輕微破壞”狀態(tài)),此外,從損傷參與系數(shù)以及能量引起損傷占總損失比重兩個指標(biāo)的分布來看,B-PTS225和WPI046波下的結(jié)果趨于一致,而綿竹清平波則相對差別較大。(3)種持時記錄對損傷的影響持時也是地震動三要素之一,地震時,當(dāng)結(jié)構(gòu)進(jìn)入非線性階段后,由于持續(xù)時間的不同,使得累積耗能和損傷均有不同。通常情況下,地震動持時越長,輸入到結(jié)構(gòu)的總能量、滯回耗能、阻尼耗能以及累積損傷就越大。為了討論強震持時對結(jié)構(gòu)損傷及能量分布的影響,通過對地震記錄進(jìn)行疊加操作,將3條記錄的有效持時td分別調(diào)整為0.5、1.0和2.0倍的95%強震持時,分別構(gòu)造具有不同持時的記錄組合,并將所有記錄的PGA統(tǒng)一調(diào)整為0.4g進(jìn)行對比。圖14給出了3條記錄在三種持時長度下?lián)p傷沿橋墩高度的分布,總體來看,持時主要對墩底及附近截面的損傷有一定影響。對于B-PTS225波,在0.5倍持時下,橋墩處于彈性階段,無損傷,這是由于地震動峰值(在12.19s出現(xiàn))不在0.5td范圍。在1倍持時下,橋墩底部區(qū)域進(jìn)入塑性,隨著持時進(jìn)一步增加到2.0td,墩底損傷由0.74增加到0.94,且其他部位損傷值也相應(yīng)增大,體現(xiàn)了持時的累積效應(yīng)。對于WPI046波,由圖中可看出,0.5td與1.0td下的損傷指數(shù)及其分布差異不明顯,但2倍持時下的損傷指