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        圓端空心墩地震損傷評(píng)估及抗震性能目標(biāo)研究

        2019-03-13 06:10:18吳維洲邵長(zhǎng)江胡晨旭章健華
        高速鐵路技術(shù) 2019年1期
        關(guān)鍵詞:空心試件構(gòu)件

        吳維洲 邵長(zhǎng)江 胡晨旭 章健華

        (1.成蘭鐵路有限責(zé)任公司, 成都 610032; 2.西南交通大學(xué), 成都 610031)

        橋墩地震損傷機(jī)理和狀態(tài)評(píng)估方法是混凝土橋墩抗震研究的重要內(nèi)容,能夠快速準(zhǔn)確的定量震損結(jié)構(gòu)的損傷等級(jí),進(jìn)而確定搶修策略及維修加固方法,是震后搶險(xiǎn)救災(zāi)、搶通保通的關(guān)鍵性基礎(chǔ)問(wèn)題,也是災(zāi)后重建、恢復(fù)經(jīng)濟(jì)、發(fā)展生產(chǎn)的重要技術(shù)和理論手段。因而,運(yùn)用合理方法定量描述結(jié)構(gòu)的地震損傷,對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)以及損傷評(píng)估至關(guān)重要。

        空心墩是山區(qū)高墩大跨橋梁的優(yōu)選墩型,如何評(píng)估在強(qiáng)震區(qū)鐵路高墩橋梁在未來(lái)地震下的損傷情況,給出抗震設(shè)計(jì)的性能目標(biāo),對(duì)于提升此類橋梁的抗震性能具有重要意義。國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)發(fā)展了多種地震損傷模型,主要包括強(qiáng)度準(zhǔn)則、延性損傷、剛度退化損傷、變形損傷、低周疲勞損傷、能量損傷等單參數(shù)損傷模型。隨著實(shí)際震害經(jīng)驗(yàn)的增加,人們逐漸認(rèn)識(shí)到單一首超破壞或累積損傷難以真實(shí)反應(yīng)構(gòu)件的破壞機(jī)理?;谏鲜稣J(rèn)識(shí),各國(guó)學(xué)者相繼提出了大量雙參數(shù)地震損傷模型。

        Park和Ang[1]最早根據(jù)試驗(yàn)資料提出了以最大位移和累積滯回耗能為參數(shù)的損傷模型,引領(lǐng)了雙參數(shù)損傷模型的研究熱潮,但因采用位移與能量的線性組合,存在位移項(xiàng)對(duì)破壞狀態(tài)損傷指標(biāo)的影響隨位移的增大而減小、能量項(xiàng)對(duì)破壞狀態(tài)損傷指標(biāo)的影響隨位移的增大而增大、上下界不收斂、極限損指標(biāo)大于1.0等問(wèn)題,其他研究人員從不同角度提出了改進(jìn)模型,如Kunnath[2]等引入構(gòu)件屈服變形的改進(jìn)模型;王東升[3]等人基于加載路徑有關(guān)的能量項(xiàng)加權(quán)因子模型;Kumar[4]等人考慮加載歷程的模型;牛荻濤[5]等人的變形與耗能的非線性組合模型;李軍旗[6]等人損傷變量變化率與強(qiáng)度衰減率成正比模型;傅劍平[7]等人針對(duì)位移引進(jìn)指數(shù)函數(shù)調(diào)節(jié)項(xiàng)的模型;付國(guó)[8]等人的耗能分解為有效耗能與無(wú)效耗能的模型;羅文文[9]等人基于Miner準(zhǔn)則的模型;陳林之[10]等人考慮上下界不收斂問(wèn)題和模型;曾武華[11]等人基于標(biāo)準(zhǔn)化塑性變形與標(biāo)準(zhǔn)化累積滯回耗能組合模型,這些模型雖然形式多樣,但從根本上均認(rèn)為損傷指數(shù)是正則化最大變形和滯回能耗的線性疊加,能夠同時(shí)考慮變形與滯回耗能對(duì)構(gòu)件損傷的影響,使得計(jì)算公式簡(jiǎn)單易行,能夠在構(gòu)件層次上反映結(jié)構(gòu)的損傷特性。因此,被廣泛用于各類結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的地震損傷評(píng)估。

        鑒于空心墩與實(shí)心墩力學(xué)性能的差異,以及不同的損傷模型適用范圍不同,上述基于鋼筋混凝土實(shí)心墩柱試驗(yàn)結(jié)果建立的損傷模型對(duì)空心墩的適用性尚不明確。為準(zhǔn)確評(píng)估地震荷載作用下空心墩的損傷狀態(tài),需對(duì)既有損傷模型進(jìn)行深入的研究,從而得出鐵路圓端空心墩地震損傷評(píng)估的推薦公式和評(píng)估方法。

        1 損傷評(píng)估模型

        根據(jù)上述文獻(xiàn),在已有的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、構(gòu)件損傷模型中,基于變形與能量的Park-Ang損傷模型應(yīng)用范圍最廣,以下分別介紹該模型及其改進(jìn)形式。

        Park和Ang較早注意到剛度退化的影響,根據(jù)大量梁柱構(gòu)件的破壞試驗(yàn),提出了最大變形-累積耗能的線性組合損傷模型[1],開(kāi)啟了地震損傷評(píng)估方法的研究熱潮。

        (1)

        式中:δm——構(gòu)件在地震下的最大變形;

        δu——構(gòu)件在單調(diào)荷載下的極限變形能力;

        Fy——構(gòu)件的屈服強(qiáng)度;

        dE——塑性應(yīng)變能的增量。

        參數(shù)β如下:

        β=(-0.357+0.73λ+0.24n0+0.31ρt)0.7ρw

        (2)

        式中:λ——剪跨比;

        n0——軸壓比;

        ρt——配筋率;

        ρw——配箍率。

        Kunnath等人在Park-Ang模型基礎(chǔ)上,考慮構(gòu)件屈服變形δy的影響,提出了改進(jìn)模型的形式[2]:

        (3)

        式中:δy——構(gòu)件屈服位移。其余同式(1)。

        王東升等人通過(guò)引入與加載路徑有關(guān)的能量項(xiàng)加權(quán)因子改進(jìn)了Kunnath地震損傷模型[3]:

        (4)

        式中:Ei——第i個(gè)滯回環(huán)所包圍的面積(即滯回耗能);

        βi——與加載路徑有關(guān)的能量項(xiàng)加權(quán)因子。

        與此類似,Kumar等人考慮了加載歷程對(duì)構(gòu)件損傷的影響,給出的Park-Ang改進(jìn)模型[4]:

        (5)

        式中:δm,j——最大變形;

        Nj——首次產(chǎn)生δm,j的半周期數(shù);

        N——半周期總數(shù);

        Ei——第i個(gè)半周的累積塑性耗能;

        β,c——參數(shù),β=0.11,c=1,其余參數(shù)同上。

        牛荻濤等人提出了變形與耗能的非線性組合形式[5]:

        (6)

        式中:α、β1——組合系數(shù),α=0.138 7,β1=0.081 4;

        E、Eu——結(jié)構(gòu)的滯回耗能,結(jié)構(gòu)的極限滯回耗能。

        李軍旗等認(rèn)為循環(huán)荷載的損傷表現(xiàn)在最大變形時(shí)構(gòu)件產(chǎn)生的強(qiáng)度退化,而加載歷程對(duì)累積損傷的貢獻(xiàn)反映在強(qiáng)度衰減上[6]:

        (7)

        式中:ηp——強(qiáng)度衰減系數(shù);m=1.3+3.5n0(n0為軸壓比)。

        傅劍平等人的改進(jìn)模型中位移項(xiàng)對(duì)損傷指標(biāo)的影響隨位移的增大而增大,能量項(xiàng)對(duì)損傷指標(biāo)的影響隨位移的增大而減小,從而修正了Park-Ang模型的缺陷[7],模型如下:

        (8)

        式中:μm——構(gòu)件的最大延性系數(shù),其余符號(hào)同上。

        付國(guó)等人修正了Park-Ang模型的能量項(xiàng),把滯回耗能劃分為有效耗能及無(wú)效耗能,考慮了有效耗能部分以及不同加載幅值下滯回耗能對(duì)構(gòu)件破壞的影響[8]:

        (9)

        (10)

        式中:ei——第i次加載的有效耗能因子;

        Ei——第i次加載的累積塑性耗能;

        δim——第i次加載的位移幅值,其余符號(hào)同前。

        針對(duì)Park-Ang模型無(wú)法考慮最大滯回耗能與加載路徑的關(guān)系、單調(diào)加載時(shí)損傷指數(shù)大于1等問(wèn)題,羅文文等基于疲勞理論和Miner準(zhǔn)則,提出了修正模型[9]:

        (11)

        β、γ——均為參數(shù),其余符號(hào)同上。

        陳林之等人根據(jù)PEER數(shù)據(jù)庫(kù)和自有試驗(yàn)結(jié)果對(duì)能量項(xiàng)加權(quán)系數(shù)進(jìn)行回歸分析得到改進(jìn)模型[10]:

        (12)

        式中:參數(shù)及符號(hào)同上。

        曾武華等人提出基于歸一化塑性變形及歸一化、化累積耗能的損傷模型,解決了Park-Ang模型上下界不收斂的問(wèn)題,在輕微破壞和中等破壞極限狀態(tài)下?lián)p傷指標(biāo)限值相對(duì)于損傷指標(biāo)離散性顯著降低。塑性變形引起的損傷DD和滯回能量引起的累計(jì)損傷DE的組合形式的損傷指標(biāo)[11]。

        D=1-(1-DD)/(1+DE)

        (13)

        DD=δm-δy/(δu-δy)

        (14)

        DE=Eh/(Fyδu)

        (15)

        式中:Eh——地震反應(yīng)循環(huán)中力-位移曲線所包圍面積總和。

        2 圓端空心墩擬靜力試驗(yàn)

        為研究鐵路圓端空心墩的地震損傷機(jī)理及評(píng)估方法,設(shè)計(jì)并進(jìn)行了5個(gè)空心墩的擬靜力試驗(yàn),加載系統(tǒng)如圖1所示,設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

        圖1 擬靜力加載系統(tǒng)

        表1 模型設(shè)計(jì)參數(shù)

        3 損傷評(píng)估

        3.1 損傷過(guò)程描述

        試驗(yàn)加載的滯回曲線,如圖2、圖3所示,限于篇幅,在此僅給出部分橋墩的實(shí)測(cè)結(jié)果。由試驗(yàn)現(xiàn)象可知,5個(gè)空心墩的損傷情況大致相同,經(jīng)歷了混凝土出現(xiàn)微裂縫、局部出現(xiàn)貫通裂縫及縱筋屈服、混凝土保護(hù)層脫落、混凝土保護(hù)層大面積剝落及縱筋裸露、縱筋壓屈(S-A3為縱筋斷裂)這一過(guò)程。5個(gè)試驗(yàn)墩均為彎曲破壞,塑性鉸區(qū)域混凝土裂縫較寬,裂縫數(shù)量多且較為集中,極限狀態(tài)下,角隅處縱筋裸露明顯,受壓區(qū)混凝土壓潰現(xiàn)象顯著,損傷情況較為嚴(yán)重。

        圖2 試件S-A1滯回曲線

        圖3 試件S-A2滯回曲線

        3.2 損傷水平劃分及損傷狀態(tài)評(píng)估

        鋼筋混凝土的破壞狀態(tài)及抗震性能目標(biāo)可劃分為5個(gè)等級(jí)[12]:(1)基本完好:僅有局部不貫通的微裂紋;(2)輕微損傷:產(chǎn)生內(nèi)外貫通的細(xì)小微裂紋;(3)中等損傷:裂紋清晰可見(jiàn),局部混凝土保護(hù)層剝落或產(chǎn)生碎片;(4)嚴(yán)重?fù)p傷:宏觀裂紋顯著變寬,局部混凝土保護(hù)層完全剝落;(5)倒塌狀態(tài):核心混凝土壓碎或縱筋拉斷、壓屈、橫向鋼筋拉斷等。

        為分析方便,現(xiàn)將上述損傷模型依次編號(hào)為M1-M11?;谏鲜瞿P偷牡卣饟p傷演化曲線,如圖4所示(僅列出S-A1)。由空心墩的損傷指數(shù)發(fā)展曲線可知,空心墩損傷指數(shù)發(fā)展趨勢(shì):前期增長(zhǎng)較為緩慢,隨著循環(huán)次數(shù)的增加,損傷指數(shù)的增加較快。不同模型的損傷曲線的離散性很大。

        圖4 S-A1損傷演化曲線

        對(duì)比試驗(yàn)現(xiàn)象及各損傷狀態(tài)下不同損傷模型的損傷指標(biāo),如表2所示。由表2可以發(fā)現(xiàn):

        (1)Park-Ang、傅劍平等人能夠合理評(píng)估構(gòu)件的無(wú)損傷狀態(tài)及輕微損傷程度,而傅劍平等人的公式卻高估了構(gòu)件后期的損傷水平,在嚴(yán)重?fù)p傷時(shí),損傷指標(biāo)大于1,與試驗(yàn)現(xiàn)象不吻合。

        表2 空心墩不同損傷程度的損傷指標(biāo)均值及標(biāo)準(zhǔn)差

        (2)Kunnath、Kumar等人在前期低估了構(gòu)件的輕微損傷,對(duì)構(gòu)件中等損傷的評(píng)估較為合理,但高估了后期嚴(yán)重?fù)p傷狀態(tài);王東升等人的公式、Bracci公式低估了構(gòu)件各個(gè)狀態(tài)(除基本無(wú)損壞狀態(tài))的損傷,與試驗(yàn)結(jié)果差異較大。

        (3)牛荻濤等人高估了基本無(wú)損壞狀態(tài)的損傷,對(duì)輕微損傷和中等損傷的評(píng)估較為合理,與試驗(yàn)現(xiàn)象吻合,低估了后期嚴(yán)重?fù)p傷狀態(tài)的破壞程度。

        (4)李軍旗、付國(guó)、羅文文等人均低估了構(gòu)件輕微損傷的破壞,對(duì)中等狀態(tài)的損傷評(píng)估趨于合理,李軍旗公式低估了構(gòu)件嚴(yán)重?fù)p傷狀態(tài)及倒塌狀態(tài)的破壞程度,而付國(guó)、羅文文對(duì)后期損傷狀態(tài)的評(píng)估較為合理,能夠反映構(gòu)件實(shí)際的損傷過(guò)程,與試驗(yàn)結(jié)果一致。

        (5)曾武華等人模型能夠合理反映整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中構(gòu)件的破壞情況,與構(gòu)件的實(shí)際損傷程度較一致,可作為空心墩損傷評(píng)估的推薦方法。

        選擇位移比作為彎曲破壞試驗(yàn)構(gòu)件的量化指標(biāo),同時(shí)引入損傷指數(shù)(D)表征試件的損傷程度,建立位移比與損傷指數(shù)的聯(lián)系。采用曾武華等人損傷模型[11]計(jì)算各橋墩不同工況下的損傷指數(shù),該指數(shù)在[0,1]之間單調(diào)增長(zhǎng),D=0表示構(gòu)件完好無(wú)損,D=1表示構(gòu)件完全破壞,當(dāng)D為其它值時(shí),構(gòu)件處于相應(yīng)的損傷狀態(tài)。橋墩各特征狀態(tài)下的位移比與損傷指數(shù)計(jì)算結(jié)果,如表3所示。

        表3 試驗(yàn)構(gòu)件性能量化結(jié)果

        3.3 性能目標(biāo)量化

        為了更直觀描述各變形狀態(tài)下試件的損傷程度,通過(guò)損傷指數(shù)對(duì)橋墩損傷狀態(tài)進(jìn)行量化,并于不同水準(zhǔn)對(duì)應(yīng)起來(lái)(見(jiàn)表4),通過(guò)該表可知:試件位移比在0.5以內(nèi)時(shí),損傷指數(shù)在0.15以內(nèi),損傷程度很小,試件處于功能良好狀態(tài);當(dāng)試件位移比在0.5~1.3之間時(shí),損傷指數(shù)在0.2~0.4之間,試件開(kāi)始進(jìn)入非線性,發(fā)生微小損傷;當(dāng)位移延性比達(dá)到3時(shí),損傷指數(shù)達(dá)到0.75,損傷程度很大,試件經(jīng)歷強(qiáng)非線性、進(jìn)入嚴(yán)重?fù)p傷階段;當(dāng)位移比超過(guò)4時(shí),損傷指數(shù)超過(guò)0.85,損傷程度非常大,試件承載力下降到最大側(cè)向力的85%。

        表4 基于損傷指數(shù)的性能目標(biāo)量化

        4 結(jié)論

        文章利用5個(gè)鐵路圓端型空心墩的擬靜力試驗(yàn)結(jié)果,分別計(jì)算出11個(gè)損傷模型關(guān)于構(gòu)件的損傷指標(biāo),并與試驗(yàn)現(xiàn)象對(duì)比分析,可得出以下結(jié)論:

        (1)橋墩均發(fā)生了典型的彎曲破壞,表現(xiàn)較好的延性性能。

        (2)對(duì)比試驗(yàn)現(xiàn)象和量化結(jié)果,曾武華損傷模型適于鐵路混凝土圓端空心墩的地震損傷評(píng)估。

        (3)位移比、損傷指標(biāo)和損傷現(xiàn)象的對(duì)比表明,作者建立的三者之間定量關(guān)系,可以合理確定鐵路圓端空心墩的抗震性能目標(biāo)。

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