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        五跨先簡(jiǎn)支后連續(xù)梁橋的延性抗震設(shè)計(jì)

        2020-12-07 08:52:20易祥軍
        公路與汽運(yùn) 2020年6期
        關(guān)鍵詞:墩頂彈塑性延性

        易祥軍

        (海南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院, 海南 ???570206)

        地震激起的慣性力較大,對(duì)于普通結(jié)構(gòu),若單純依靠強(qiáng)度來(lái)抵抗地震,會(huì)造成巨大的材料浪費(fèi)。目前,大都將“小震不壞,大震不倒”的二階段設(shè)計(jì)方法作為基本設(shè)防思想,即中小震作用下結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài),以強(qiáng)度破壞為準(zhǔn)則;強(qiáng)震作用下結(jié)構(gòu)可發(fā)生一定塑性變形和有限損傷,以延性破壞為準(zhǔn)則。彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析法是隨著強(qiáng)震記錄增多和計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用發(fā)展起來(lái)的,該方法從選定合適的地震波出發(fā),通過(guò)有限元?jiǎng)恿δP徒⒌卣鹫駝?dòng)方程,通過(guò)逐步積分對(duì)方程進(jìn)行求解,計(jì)算地震動(dòng)過(guò)程中每一時(shí)刻結(jié)構(gòu)的響應(yīng),從而分析地震作用下結(jié)構(gòu)彈性和非彈性階段的內(nèi)力、位移變化。

        1 地震波的選取和調(diào)整

        地震動(dòng)輸入的不確定性是支配結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)不確定性的重要因素。地震動(dòng)的主要特性可通過(guò)幅值、頻率和持續(xù)時(shí)間來(lái)描述。

        根據(jù)特征周期與場(chǎng)地特征周期比較相近的原則選取3組地震波進(jìn)行調(diào)整,以與E2地震作用下規(guī)范反應(yīng)譜相適應(yīng)為目標(biāo)。調(diào)整前的地震波見(jiàn)表1。

        表1 調(diào)整前的地震波特性

        調(diào)整后的地震波保證有效峰值加速度和特征周期與E2地震作用下規(guī)范反應(yīng)譜相同。限于篇幅,不具體描述。地震波1調(diào)整前后加速度反應(yīng)譜曲線見(jiàn)圖1。

        2 雙折線滯回模型

        彈塑性動(dòng)力時(shí)程法分析中,實(shí)際地震荷載為反復(fù)荷載,通過(guò)定義滯回曲線的變形規(guī)律來(lái)反映。鮑雷T.等把結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的滯回延性定義為在抗力始終沒(méi)有明顯下降的情況下,結(jié)構(gòu)或構(gòu)件所能承受的反復(fù)彈塑性變形循環(huán)的能力。此外,鋼筋砼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是卸載后剛度低于初始剛度,稱為剛度退化,且剛度變形與循環(huán)荷載的履歷有關(guān)。根據(jù)剛度退化的特點(diǎn)采用Clough雙折線計(jì)算模型,初期加載時(shí)效應(yīng)點(diǎn)在2條不同斜率的骨架曲線上移動(dòng)(見(jiàn)圖2),卸載剛度按式(1)計(jì)算。根據(jù)式(1),卸載剛度隨著屈服后變形的進(jìn)展而逐漸減小。

        圖1 地震波1調(diào)整前后加速度反應(yīng)譜曲線

        (1)

        式中:KR為卸載剛度;K0為彈性剛度;Dy為卸載開(kāi)始時(shí)相應(yīng)區(qū)域的屈服變形;Dm為卸載開(kāi)始時(shí)相應(yīng)區(qū)域的最大變形,對(duì)于還未發(fā)生屈服的區(qū)域取屈服時(shí)的變形;β為確定卸載剛度的經(jīng)驗(yàn)系數(shù),一般取-0.4。

        圖2 Clough模型的滯回曲線

        3 結(jié)構(gòu)性能分析

        3.1 工程概況

        南渡江大橋位于海南省澄邁縣永發(fā)鎮(zhèn),跨越南渡江。上部結(jié)構(gòu)采用7 m×(5×30) m先簡(jiǎn)支后連續(xù)預(yù)應(yīng)力砼箱梁,梁高1.6 m;采用柱式橋墩,直徑均為1.6 m;樁直徑為1.8 m。橋型布置見(jiàn)圖3。

        采用MIDAS/Civil有限元軟件對(duì)橋梁進(jìn)行分析,采用梁格模型建模。取7聯(lián)中墩高最矮的一聯(lián)作為算例,墩高見(jiàn)表2。墩柱縱筋配筋率為0.98%(40φ25)、配箍率為0.63%(φ16@80)。等效塑性鉸長(zhǎng)度按JTG/T B02-01-2008《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》計(jì)算。計(jì)算模型見(jiàn)圖4。

        圖3 南渡江大橋連續(xù)箱梁橋型布置(一聯(lián),單位:cm)

        表2 計(jì)算模型橋墩高度

        圖4 南渡江大橋連續(xù)箱梁橋計(jì)算模型

        3.2 結(jié)構(gòu)內(nèi)力響應(yīng)分析

        順橋向和橫橋向塑性鉸的區(qū)別在于屈服特性不同:順橋向塑性鉸軸力恒定,屈服強(qiáng)度一定;橫橋向塑性鉸需考慮軸力變化,用屈服面描述屈服強(qiáng)度。二者并無(wú)本質(zhì)區(qū)別,由于篇幅所限,僅沿順橋向輸入地震波進(jìn)行分析,線性時(shí)程分析和彈塑性時(shí)程分析主要內(nèi)力對(duì)比見(jiàn)表3。

        由表3可知:地震波1、2、3作用下,考慮塑性鉸延性后,墩底彎矩分別平均折減40.7%、35.6%、36.9%,墩頂剪力分別平均折減35.0%、19.6%、28.3%。當(dāng)?shù)卣鸩ㄌ匦圆煌瑫r(shí),塑性鉸耗能對(duì)彎矩折減程度較穩(wěn)定,對(duì)剪力折減程度差別較大。即使折減程度并不一定,但始終存在一個(gè)規(guī)律,即塑性鉸可以調(diào)整結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布,使各墩原本差別較大的內(nèi)力變得均勻。如對(duì)于地震波1、2、3,線性時(shí)程分析得到的各墩底彎矩分別與平均值最大相差28.4%、69.4%、11.9%,而彈塑性時(shí)程分析得到的墩底彎矩分別與平均值最大相差7.5%、4.6%、4.9%,原因在于塑性鉸屈服后位移顯著增大的同時(shí),荷載增加緩慢,使其余未屈服的橋墩分擔(dān)了荷載。說(shuō)明塑性鉸的調(diào)節(jié)作用很顯著,這一規(guī)律對(duì)于橋墩統(tǒng)一設(shè)計(jì)非常有利。

        表3 線性時(shí)程和彈塑性時(shí)程分析內(nèi)力對(duì)比

        續(xù)表3

        3.3 塑性鉸滯回特性

        圖5~7為不同地震波作用下1#、6#墩墩底彎矩-轉(zhuǎn)角滯回曲線。

        由圖5~7可知:墩底彎矩-轉(zhuǎn)角滯回曲線外輪廓圍成一定的面積,體現(xiàn)了塑性鉸的耗能能力,面積越大,吸收能力越強(qiáng)。然而計(jì)算模型仍然不能反映結(jié)構(gòu)是否發(fā)生塑性破壞,即塑性鉸變形是否超過(guò)其延性能力,還需另行判斷。該橋各墩墩底塑性鉸延性能力與需求見(jiàn)表4。

        由表4可知:各塑性鉸延性能力有較大富余。

        圖5 地震波1作用下典型塑性鉸滯回曲線

        圖6 地震波2作用下典型塑性鉸滯回曲線

        圖7 地震波3作用下典型塑性鉸滯回曲線

        表4 南渡江大橋延性能力與需求對(duì)比

        地震波1作用下各墩能力/需求指標(biāo)平均為5.3,地震波2作用下為5.9,地震波3作用下為6.2,各橋墩在不同地震波作用下性能變化較大,說(shuō)明時(shí)程分析結(jié)果很大程度上依賴地震波選取。

        3.4 結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)分析

        3.4.1 橋墩位移安全系數(shù)

        圖8、圖9分別為該橋3#墩塑性鉸區(qū)轉(zhuǎn)角時(shí)程曲線和墩頂位移時(shí)程曲線。根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》進(jìn)行檢算,轉(zhuǎn)角位移和水平位移檢算結(jié)果分別見(jiàn)表5、表6。

        由圖8、圖9、表5、表6可知:相對(duì)于規(guī)范值,該橋轉(zhuǎn)角位移和水平位移均較小。塑性鉸區(qū)轉(zhuǎn)角位移安全系數(shù)(θu/θp)為5.25~14.88,墩頂水平位移安全系數(shù)(Δu/Δd)為3.68~7.58,結(jié)構(gòu)整體上安全。

        3.4.2 結(jié)構(gòu)殘余變形分析

        從結(jié)構(gòu)位移變化來(lái)看,最終質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的平衡位置將偏離坐標(biāo)軸,即產(chǎn)生殘余變形,表明塑性變形使結(jié)構(gòu)卸載后不能恢復(fù)到原始狀態(tài)。圖10為地震作用后結(jié)構(gòu)典型殘余變形。

        產(chǎn)生殘余變形是延性設(shè)計(jì)的一個(gè)主要缺陷,其大小對(duì)結(jié)構(gòu)的震后修復(fù)有很大影響。為能從時(shí)程曲線中讀取有效的殘余變形,在地震波數(shù)據(jù)最后添加一定長(zhǎng)度的零加速度,以地震后結(jié)構(gòu)衰減自由振動(dòng)響應(yīng)的平均偏移值來(lái)評(píng)價(jià)殘余變形。地震波3結(jié)束后10 s內(nèi),3#墩墩底轉(zhuǎn)角、墩頂位移及上部結(jié)構(gòu)位移見(jiàn)圖11和表7、表8。

        圖8 3#墩塑性鉸區(qū)轉(zhuǎn)角位移時(shí)程曲線

        圖9 3#墩墩頂水平位移時(shí)程曲線

        表5 轉(zhuǎn)角位移檢算結(jié)果

        表6 水平位移檢算結(jié)果

        圖10 地震作用后結(jié)構(gòu)殘余變形示意圖

        由表7、表8可知:墩頂殘余位移和上部結(jié)構(gòu)殘余位移基本是毫米級(jí),而且其中位移值是偏保守的。從圖11曲線變化趨勢(shì)來(lái)看,若繼續(xù)延長(zhǎng)零加速度段,位移平均值將更小??傊Y(jié)構(gòu)殘余位移處于可接受范圍內(nèi)。另外,墩頂殘余位移比上部結(jié)構(gòu)殘余位移大,前者7 mm左右,后者5 mm左右,體現(xiàn)了橡膠支座自復(fù)位能力的重要作用。

        圖11 地震波3作用下結(jié)構(gòu)殘余位移時(shí)程曲線

        表7 各墩墩底、墩頂殘余變形

        表8 上部結(jié)構(gòu)質(zhì)心殘余水平位移m

        4 結(jié)論

        結(jié)合工程實(shí)例,闡述了彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析法的過(guò)程,主要結(jié)論如下:

        (1) 彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析結(jié)果很大程度上依賴于地震波的選取,隨機(jī)性很大。

        (2) 塑性鉸屈服后可調(diào)整結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布,使各墩內(nèi)力趨于均勻。

        (3) 對(duì)延性構(gòu)件(橋墩)位移安全系數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià),驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)的安全性。

        (4) 分析了結(jié)構(gòu)殘余變形,體現(xiàn)了橡膠支座自復(fù)位能力的重要作用。

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