順橋向地震作用下單塔部分斜拉橋易損性部位研究

順橋向地震作用下單塔部分斜拉橋易損性部位研究

0結(jié)構(gòu)體系及構(gòu)件的易損性作為一種新型的橋梁系統(tǒng)，該橋在一定的范圍內(nèi)具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。20世紀(jì)90年代開始，它在國內(nèi)外引起了很大的流行。中國已經(jīng)建造了40座斜橋。然而，一些斜橋沒有經(jīng)歷過大的地震測試。在地面運(yùn)動(dòng)的影響下，不同部件的損傷部位和損傷概率尚不清楚。對幾座斜橋結(jié)構(gòu)的地震風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了研究，明確了地面運(yùn)動(dòng)中各部分的危險(xiǎn)剖面和破壞概率，并得出了容易損失曲線。對幾座傾斜橋的地震損失評估和抗疲勞設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。研究部分斜拉橋的易損性,首先要得知結(jié)構(gòu)體系及構(gòu)件的易損性部位,在部分斜拉橋的眾多構(gòu)件中,墩、柱等桿系構(gòu)件的易損性部位比較明確,但是主梁在地面運(yùn)動(dòng)作用下是否會進(jìn)入彈塑性狀態(tài),最先進(jìn)入彈塑性狀態(tài)的易損部位等問題都不明確,所以有必要對部分斜拉橋的主梁的易損部位進(jìn)行分析.部分斜拉橋作為一種組合體系橋梁,由塔、梁、索等受力構(gòu)件組成,體系組成相對較復(fù)雜;且布置形式多樣,有單塔、雙塔、多塔數(shù)種型式,結(jié)構(gòu)形式靈活多樣.不同的結(jié)構(gòu)形式,構(gòu)件受力及結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性均存在較大的差異,所以不同結(jié)構(gòu)形式的部分斜拉橋,地震易損性也存在較大的差異.本文從最基本、最簡單的單塔型式的部分斜拉橋入手,研究該類橋梁的主梁的易損性部位.1拉索及施工方法已建成通車的仙港大橋主橋?yàn)?60+60)m的預(yù)應(yīng)力混凝土單塔扇形雙索面部分斜拉橋,塔、梁、墩固結(jié).由于該橋在跨度、塔高、梁高、拉索布置及恒載承擔(dān)比重、墩塔梁支承形式等各方面均有較大的代表性,故選取該橋作為背景橋.背景橋主梁為單箱雙室箱梁,中支點(diǎn)高2.5m,邊支點(diǎn)高1.6m;主塔為雙柱式塔,橋面以上高22m,橫橋向塔寬1.5m,順橋向塔寬3.0～5.5m;中墩為雙柱式墩,橫橋向?qū)?.5m,順橋向?qū)?m;邊墩為單柱式墩,橫橋向?qū)?m,順橋向?qū)?.2m;拉索每個(gè)索面對稱布置6對斜拉索,采用鋼絞線索,極限強(qiáng)度1860MPa;承臺采用7.5m×7.5m×3.0m的矩形承臺,承臺間用3.0m×3.0m的矩形截面系梁連接;基礎(chǔ)采用4根樁徑Φ150cm,樁長20m的鉆孔灌注樁.梁、塔、中墩采用C50混凝土,邊墩采用C40混凝土,承臺系梁及樁基采用C30混凝土.主橋總體結(jié)構(gòu)布置如圖1所示.2根據(jù)橋的旋轉(zhuǎn)，下層塔的主傾斜橋的主梁的易碎部分將被推到地面2.1彈性鉸的選取采用CIVILMIDAS建立背景橋的空間有限元模型,模型簡化如下:1)梁、塔、墩等桿系構(gòu)件.用彈性三維梁單元模擬梁、塔、墩及樁基.2)承臺.將承臺簡化為剛性連接,自重通過施加節(jié)點(diǎn)荷載模擬.3)斜拉索.采用柔性索單元模擬,背景橋索長較短,恒載索力比重大,彈性模量變化較小,故忽略地面運(yùn)動(dòng)作用下的彈性模量變化.4)塑性鉸.在地面運(yùn)動(dòng)作用下,塔底單元,中墩墩底和墩頂單元,邊墩墩底單元為各構(gòu)件的薄弱部位,用MIDAS中的非彈性鉸單元模擬,由于部分斜拉橋在順橋向、橫橋向兩個(gè)方向振型的藕聯(lián)效應(yīng)較小,動(dòng)力特性相對獨(dú)立,不同的輸入方式對單方向的地震反應(yīng)影響小,故模擬的塑性鉸為墩塔截面順橋向的塑性鉸.塑性鉸長度按照參考文獻(xiàn)中的相關(guān)公式確定;骨架彎線根據(jù)各個(gè)截面的彎矩—曲率確定,圖2為中墩墩底、墩頂截面的彎矩—曲率曲線;滯回模型采用雙線性Clough模型.5)邊界模擬.墩塔梁的固結(jié)通過在墩頂建立剛臂來模擬;考慮樁土效應(yīng),用m法簡化求取土彈簧剛度;邊墩板式滑動(dòng)支座和限位器的恢復(fù)力—位移模型采用雙線性Clough模型,如圖3、4所示.基于以上簡化假設(shè),建立有限元模型如圖5所示.2.2結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析在已有的關(guān)于梁橋結(jié)構(gòu)易損性分析中,大部分假設(shè):橋墩破壞時(shí),主梁還是處于彈性狀態(tài).在Khan’t關(guān)于斜拉橋的易損性研究中,假設(shè)梁的破壞為控制.基于已有的對梁橋和斜拉橋主梁易損性研究的相關(guān)假設(shè),部分斜拉橋處于梁橋與斜拉橋之間,兼有兩者的動(dòng)力特性,橋墩破壞時(shí)主梁是否進(jìn)入彈塑性狀態(tài),哪個(gè)部位率先出現(xiàn)塑性鉸都不明確.本文通過非線性動(dòng)態(tài)時(shí)程分析,確定部分斜拉橋主梁的易損性特征.選擇3條較為典型的一類場地土地面運(yùn)動(dòng)記錄作為動(dòng)態(tài)時(shí)程分析輸入的地震動(dòng),進(jìn)行結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析.在動(dòng)態(tài)時(shí)程分析時(shí),輸入地震動(dòng)的峰值加速度均調(diào)幅到0.2g.圖6所示為輸入的地震動(dòng)時(shí)程曲線及相應(yīng)的加速度反應(yīng)譜.將上面三條地震波作為輸入,經(jīng)過非線性動(dòng)態(tài)時(shí)程分析計(jì)算,可以得到結(jié)構(gòu)靜力分析及地震反應(yīng)分析內(nèi)力組合的結(jié)果,得到了基準(zhǔn)橋梁在順橋向地震動(dòng)作用下以及橫橋向地震動(dòng)作用下主梁的彎矩包絡(luò)圖,如圖7、圖8所示.根據(jù)圖7所繪的背景橋梁在水平縱向地震動(dòng)作用下主梁的彎矩包絡(luò)圖,可以確定在順橋向地面運(yùn)動(dòng)作用下,主梁在與塔梁固結(jié)的梁的根部截面和離塔的第四根索到第五根索之間的梁截面的內(nèi)力比較大,但是梁根部截面高度比近跨中截面高,截面的抗震能力不一樣,故需要確定根部截面和近跨中梁截面的彎矩—曲率曲線,圖8、圖9分別為根部截面和近跨中截面的彎矩—曲率圖.通過比較在地面運(yùn)動(dòng)作用下的主梁根部和近跨中的內(nèi)力值與截面繞X軸的等效屈服彎矩,可以確定,單塔部分斜拉橋的主梁在順橋向地震作用下的易損部位為離塔的第四根索到第五根索之間的梁截面.2.3斜拉橋主梁彈塑性分析通過非線性動(dòng)態(tài)時(shí)程分析,可以確定單塔部分斜拉橋在順橋向地面運(yùn)動(dòng)作用下和橫橋向地面運(yùn)動(dòng)作用下的易損性部位.但是主梁在哪一級強(qiáng)度的地面運(yùn)動(dòng)作用下會進(jìn)入彈塑性階段還不確定,需要通過增量動(dòng)力分析方法來研究橋梁結(jié)構(gòu)在給定地面運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度下的結(jié)構(gòu)需求參數(shù)的概率特征,以此來確定主梁進(jìn)入彈塑性階段的荷載.基于在給定地面運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)可以用對數(shù)正態(tài)分布很好的擬合,采用主梁進(jìn)入彈塑性階段的概率均服從對數(shù)正態(tài)分布的假定.對于部分斜拉橋的主梁,一方面由于部分斜拉橋的主梁的支座關(guān)系不是很明確,故不能確定其的延性位移比的計(jì)算模型;另一方面部分斜拉橋主梁的易損部位為離塔第四根索到離塔第五根所之間的梁段和主梁根部,塑性鉸的長度難以計(jì)算.基于以上兩點(diǎn),采用Hwang等確定的強(qiáng)度與變形雙重指標(biāo),定義了發(fā)生破壞的鋼筋混凝土梁的進(jìn)入彈塑性階段的量化指標(biāo),定義主梁的彈性的極限狀態(tài).經(jīng)過相關(guān)截面的彎矩—曲率分析,可得部分斜拉橋主梁近跨中段和根部段的彎矩曲率關(guān)系及彈性階段的極限狀態(tài)如表1、表2所示.為形成理想的概率分布,考慮的地面運(yùn)動(dòng)的最大峰值加速度變化范圍為0.05g到0.60g,共分為12級,各級增量為0.05g;對I類場地,各級地面運(yùn)動(dòng)均輸入50條峰值加速度調(diào)至相應(yīng)的地面運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度等級的地面運(yùn)動(dòng)加速度時(shí)程,進(jìn)行分析計(jì)算.對各個(gè)計(jì)算工況,提取各構(gòu)件易損部位在恒載作用和地面運(yùn)動(dòng)作用下的內(nèi)力或者位移組合,則可求得橋梁結(jié)構(gòu)體系在給定地面運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度下的結(jié)構(gòu)需求.通過與梁截面的彈性的極限狀態(tài)對比,可獲得在給定地面運(yùn)動(dòng)下接入彈塑性階段的概率.如表3所示.從表3看出,主梁在順橋向地面運(yùn)動(dòng)作用下,其易損性部位在近梁跨中段,0.20g開始有進(jìn)入彈塑性階段的概率,隨PGA(地面運(yùn)動(dòng)加速度)的增大概率不斷增大.基于近跨中梁在順橋向地面運(yùn)動(dòng)作用下進(jìn)入彈塑性階段的概率,根據(jù)該概率均服從對數(shù)正態(tài)分布的假定,可以回歸擬合出近跨中梁彈塑性階段的易損曲線,易損性曲線是橫坐標(biāo)為地面運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度參數(shù),縱坐標(biāo)為結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的損傷狀態(tài)的超越概率,繪制形成的曲線.如圖10所示.從圖10可以看出主梁在順橋向地面運(yùn)動(dòng)作用下進(jìn)入彈塑性階段的趨勢.3橋向地面運(yùn)動(dòng)作用通過對背景橋的非線性時(shí)程分析和增量