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        無支座連續(xù)剛構(gòu)橋地震易損性分析

        2023-01-04 06:11:12陳逸民李建中
        都市快軌交通 2022年5期
        關(guān)鍵詞:分位剛構(gòu)橋延性

        陳 亮,陳逸民,郭 敏,李建中

        (1. 廣州地鐵設(shè)計研究院股份有限公司,廣州 510010;2. 同濟(jì)大學(xué),上海 200092)

        1 研究背景

        多跨連續(xù)剛構(gòu)橋由于具有造型輕盈美觀、連續(xù)性好、經(jīng)濟(jì)優(yōu)美等優(yōu)點(diǎn),在公路、軌道交通橋梁中得到廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的連續(xù)剛構(gòu)橋一般采用中墩墩梁固結(jié),在邊墩設(shè)置支座的連續(xù)剛構(gòu)體系。傳統(tǒng)的連續(xù)剛構(gòu)橋仍有支座的存在,支座在使用過程中由于設(shè)計或材料老化等原因,容易產(chǎn)生病害,增加了橋梁維護(hù)的成本,并且支座的更換會影響到交通系統(tǒng)的正常運(yùn)行,同時會消耗大量資源。

        無支座連續(xù)剛構(gòu)橋是最近新發(fā)展起來的一種新結(jié)構(gòu)體系,特點(diǎn)是在邊墩縮縫處不設(shè)置支座[1],邊墩與梁體采用固結(jié),目前已在廣州、長沙、福州等城市的軌道交通結(jié)構(gòu)中得到大量應(yīng)用,如圖1所示。與傳統(tǒng)連續(xù)剛構(gòu)橋相比,無支座連續(xù)剛構(gòu)橋具有以下優(yōu)點(diǎn):結(jié)構(gòu)中省去了支座的使用和維護(hù),建造的成本降低,且易于維養(yǎng)[2-3];所有橋墩與梁體均采用固結(jié),地震作用下,梁體的地震慣性力可以在橋墩間比較均勻分配、協(xié)同作用。

        圖1 軌道交通中典型的無支座連續(xù)剛構(gòu)橋Figure 1 Typical rigid-frame bridge without support in rail transit

        筆者以典型無支座連續(xù)剛構(gòu)橋為背景,研究不同墩高、近場遠(yuǎn)場地震動輸入以及碰撞效應(yīng)對于無支座連續(xù)剛構(gòu)橋的地震損傷、破壞過程的影響和地震損傷破壞風(fēng)險,對于把握無支座連續(xù)剛構(gòu)橋抗震性能、指導(dǎo)其抗震設(shè)計具有重要的應(yīng)用價值。

        2 橋梁有限元模型和地震動輸入

        以某軌道交通工程標(biāo)準(zhǔn)段4×40 m無支座連續(xù)剛構(gòu)橋為實(shí)際工程背景,全橋布置如圖2所示,上部結(jié)構(gòu)采用箱梁,墩柱采用單薄壁墩,樁基采用群樁基礎(chǔ)。

        圖2 連續(xù)剛構(gòu)橋立面布置Figure 2 Elevation layout of continuous rigid frame bridge

        采用OpenSees開源軟件[4]建立剛構(gòu)橋的有限元模型,如圖3所示。為了考慮邊界條件的影響,在計算聯(lián)的左右側(cè)各建立了一聯(lián)剛構(gòu),地震作用下,聯(lián)與聯(lián)的碰撞采用接觸單元模擬,接觸單元剛度取梁體軸向剛度[4]。主梁假定為彈性構(gòu)件,因此采用彈性梁柱單元模擬,強(qiáng)震下考慮墩柱的非線性特性,采用彈塑性纖維單元模擬。彈塑性纖維單元中核心約束混凝土與保護(hù)層混凝土采用修正Kent-Scott-Park混凝土本構(gòu)模型[5],其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系見圖4。普通鋼筋采用基于Giuffre-Menegotto-Pinto鋼筋本構(gòu)關(guān)系[6],模型考慮了鋼筋的隨動強(qiáng)化特性以及鋼筋在往復(fù)受拉過程中的包辛格效應(yīng),其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系見圖5。

        圖3 有限元模型Figure 3 Finite element model

        圖4 混凝土本構(gòu)模型Figure 4 Concrete constitutive model

        圖5 鋼筋本構(gòu)模型Figure 5 Reinforcement constitutive model

        在進(jìn)行地震動輸入時,首先要關(guān)注場地特性,依據(jù)規(guī)范中覆蓋層厚度、場地類別等參數(shù),再根據(jù)剛構(gòu)橋現(xiàn)場土質(zhì)勘察結(jié)果,橋址的剪切波速控制在150~400 m/s內(nèi)??紤]到結(jié)構(gòu)的特性,地震動持時取剛構(gòu)橋基本周期的5~10倍。采用增量動力分析法,需要綜合考慮計算結(jié)果的代表性和準(zhǔn)確性。在綜合考慮準(zhǔn)確度和計算量后,從美國太平洋地震中心地震庫中選取20條地震動作為增量動力分析的荷載輸入,并將其峰值統(tǒng)一調(diào)整為0.2g后,繪制其對應(yīng)的譜加速度值如圖6所示。

        圖6 20條地震動譜加速度值Figure 6 Spectral acceleration of 20 ground motions

        3 無支座剛構(gòu)橋橋墩損傷、破壞過程

        對于無支座剛構(gòu)橋橋墩,根據(jù)《城市橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》(CJJ166—2011),橋墩作為延性構(gòu)件,地震作用下可進(jìn)入屈服,發(fā)生損傷,但其梁體和基礎(chǔ)應(yīng)在彈性范圍工作,不發(fā)生損傷,按能力保護(hù)構(gòu)件設(shè)計。因此在研究無支座剛構(gòu)橋損傷、破壞過程時主要針對橋墩進(jìn)行研究。

        以無支座連續(xù)剛構(gòu)橋作為研究對象,采用所建立有限元模型,輸入20條地震波,對橋梁進(jìn)行增量動力分析,以研究橋墩各關(guān)鍵截面的損傷、破壞過程。

        3.1 損傷指標(biāo)

        對于無支座剛構(gòu)橋梁,其梁體采用能力保護(hù)方法設(shè)計,要求地震作用下不受損傷,因此在采用增量動力方法研究無支座橋橋墩地震損傷、破壞過程時主要針對橋墩。Choi E等[7]依據(jù)對墩柱的大量實(shí)驗,表明橋墩的地震損傷程度可以采用墩柱曲率延性作為損傷指標(biāo),并給出了墩柱損傷程度與曲率延性需求的關(guān)系,如表1所示,根據(jù)墩柱曲率延性系數(shù)從1到7定義了從無損傷到破壞的5個狀態(tài)。表中的?為曲率延性,可按下式計算:

        表1 損傷狀態(tài)與損傷指標(biāo)的關(guān)系Table 1 Relationship between damage state and damage index

        式中:?為地震作用下墩柱截面最大延性需求;?y為墩柱截面屈服曲率。

        3.2 動力增量分析方法

        動力增量分析(IDA)是一種動力參數(shù)分析方法[8],它把一條地震波記錄的加速度分別乘以一系列地震強(qiáng)度系數(shù),使之成為強(qiáng)度不同的一組地震波,結(jié)構(gòu)在這組地震荷載下依次進(jìn)行時程分析,通過將結(jié)構(gòu)的地震需求(EDP)與相應(yīng)的地震強(qiáng)度(IM)繪成連續(xù)的IDA曲線,分析結(jié)構(gòu)在不同強(qiáng)度地震荷載下的表現(xiàn)。它要求地震強(qiáng)度系數(shù)的范圍要足夠?qū)?,?yīng)使IDA曲線能覆蓋結(jié)構(gòu)從線彈性到非線性破壞的全過程,筆者采用地震動加速度峰值來代表地震動強(qiáng)度。具體計算步驟如下:

        1) 將20條地震動的加速度峰值統(tǒng)一調(diào)整為0.2 g,通過地震強(qiáng)度系數(shù)(加速度峰值調(diào)整系數(shù)),將每條地震波擴(kuò)展為一組具有不同地震強(qiáng)度(不同加速度峰值)的地震波。通過輸入各組地震波,分別對墩進(jìn)行時程分析。

        2) 取每次時程分析中墩頂或墩底截面的最大曲率延性和該時刻對應(yīng)的地震強(qiáng)度系數(shù)繪成IDA曲線,稱為曲率延性IDA曲線。

        3) 對得到的20條曲率延性IDA曲線進(jìn)行統(tǒng)計分析,求得對應(yīng)不同地震動強(qiáng)度下的結(jié)構(gòu)需求的均值及標(biāo)準(zhǔn)差,由均值可得多地震動記錄下增量動力分析的50%分位曲線[9],再由均值和標(biāo)準(zhǔn)差計算,可分別得到16%分位曲線和84%分位曲線[10]。分位數(shù)曲線可以用來衡量IDA曲線的離散程度。

        4) 將對應(yīng)結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)的曲率指標(biāo)也一同畫在相應(yīng)的曲率IDA曲線中,以判別結(jié)構(gòu)的損傷程度。

        圖8 P3墩曲率延性需求(順橋向)Figure 8 Curvature ductility demand of pier P1 (longitudinal direction)

        3.3 橋墩損傷破壞過程

        圖7、8為順橋向20條地震動輸入下,墩頂和墩底截面曲率延性需求IDA分析的均值曲線圖,圖中的虛線為16%分位曲線和84%分位曲線。由于篇幅有限,僅給出邊墩(P1)和中墩(P3)的計算結(jié)果。

        圖7 P1墩曲率延性需求(順橋向)Figure 7 Curvature ductility demand of pier P1 (longitudinal)

        圖9給出了全橋模型在順橋向地震動下,損傷破壞的全過程。圖中右側(cè)的圖例代表的是各類損傷對應(yīng)的曲率延性需求的大小。從圖9中可以清晰直觀地看出所研究剛構(gòu)橋的破壞過程,也可以通過圖中的顏色深淺判斷損傷的關(guān)鍵部位。

        圖9 順橋向損傷破壞過程Figure 9 Damage and failure process of bridge in longitudinal direction

        從以上結(jié)果可以看出:

        1) 從均值曲線上看,橋墩關(guān)鍵截面均在0.15 g~0.21 g發(fā)生輕微損傷,在0.3 g左右達(dá)到中等損傷。

        2) 中墩進(jìn)入嚴(yán)重?fù)p傷狀態(tài)對應(yīng)的地震動大小在0.5 g左右,邊墩進(jìn)入嚴(yán)重?fù)p傷狀態(tài)對應(yīng)的地震動大小在0.6 g左右。

        3) 當(dāng)PGA達(dá)到1 g時,曲率延性需求均達(dá)到完全破壞等級。

        4) 隨著PGA的增大,16%分位曲線與84%分位曲線的間隔逐步增大,反映了結(jié)構(gòu)進(jìn)入非線性后不同時程波輸入的離散性增加。

        5) 相對而言,各墩墩頂截面的曲率延性需求均大于墩底截面的曲率延性需求。

        4 無支座剛構(gòu)橋地震易損性分析

        易損性分析是一種衡量結(jié)構(gòu)構(gòu)件和結(jié)構(gòu)潛在損傷的概率方法,已廣泛應(yīng)用于地震風(fēng)險評估中。在對無支座剛構(gòu)橋地震損傷破壞過程研究的基礎(chǔ)上,本節(jié)進(jìn)一步采用地震易損性分析方法,對無支座剛構(gòu)橋的橋墩發(fā)生不同程度地震損傷的風(fēng)險進(jìn)行研究。根據(jù)表1定義的4種損傷狀態(tài):輕微損傷、中等損傷、嚴(yán)重?fù)p傷、破壞,針對某一損傷狀態(tài)下,定義地震曲率延性需求與曲率延性損傷指標(biāo)之比為損傷指數(shù)λi(i=1,2,3,4),則輕微損傷、中等損傷、嚴(yán)重?fù)p傷、破壞狀態(tài)損傷指數(shù)分別為:λ1=μ?/1;λ2=μ?/2;λ3=μ?/3;λ4=μ?/4。假設(shè)In(λi)滿足對數(shù)正態(tài)分布[8-9],則超越某一損傷狀態(tài)的概率可以按下式計算:

        式中:μλi和σλi分別為達(dá)到指定損傷狀態(tài)時,損傷指數(shù)λi的對數(shù)平均值和正態(tài)分布標(biāo)準(zhǔn)差。

        采用式(2)計算出無支座橋梁發(fā)生輕微損傷、中等損傷、嚴(yán)重?fù)p傷和破壞的超越概率如圖10、11所示。

        圖10 P1墩關(guān)鍵截面各種損傷的超越概率(順橋向)Figure 10 Exceedance probability of various damages on critical sections of pier P1 (longitudinal direction)

        從以上結(jié)果中可以看出:

        1) 隨地震強(qiáng)度增加(加速度峰值增加),橋墩的損傷程度逐漸增加,當(dāng)加速度峰值小于0.1g時,結(jié)構(gòu)發(fā)生中等損傷的概率很小,在5%以內(nèi);

        2) 當(dāng)加速峰值大于0.2 g時,中墩(P3)發(fā)生中等損傷的概率明顯上升,但邊墩(P1)發(fā)生中等損傷的概率低于10%。

        3) 地震動峰值加速度達(dá)到0.6 g后,P2、P3、P4墩發(fā)生中等損傷的概率已經(jīng)達(dá)到100%,而P1、P5墩發(fā)生中等損傷的概率也達(dá)到了95%以上;

        4) P2和P4墩在發(fā)生各類損傷的概率略大于P3墩,而邊墩P1墩和P5墩發(fā)生損傷的概率小于其余3個墩。

        圖11 P3墩關(guān)鍵截面各種損傷的超越概率(順橋向)Figure 11 Exceedance probability of various damages on critical sections of pier P3 (longitudinal direction)

        5 結(jié)論

        以無支座連續(xù)剛構(gòu)橋為研究背景,選取合適的地震動對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行增量動力分析,研究無支座連續(xù)剛構(gòu)橋的損傷破壞過程,對無支座連續(xù)剛構(gòu)橋進(jìn)行易損性分析,主要結(jié)論如下:

        1) 動力分析結(jié)果表明:橋墩關(guān)鍵截面均在0.15 g~0.21 g發(fā)生輕微損傷。在0.3 g左右達(dá)到中等損傷。各關(guān)鍵截面進(jìn)入嚴(yán)重?fù)p傷狀態(tài)和完全破壞狀態(tài)的地震動強(qiáng)度差異相對較大。隨著PGA的增大,16%分位曲線與84%分位曲線的間隔逐步增大,反映了結(jié)構(gòu)進(jìn)入非線性后不同時程波輸入的離散性增加。

        2) 當(dāng)加速峰值大于0.2 g時,中墩(P3)發(fā)生中等損傷的概率明顯上升,但邊墩(P1)發(fā)生中等損傷的概率低于10%。

        3) P2和P4墩在發(fā)生各類損傷的概率略大于P3墩,而邊墩P1墩和P5墩發(fā)生損傷的概率小于其余3個墩。

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