近海隔震橋梁抗震性態(tài)指標的量化研究

近海隔震橋梁抗震性態(tài)指標的量化研究

近海隔震橋梁性態(tài)邏輯隨著我國海洋主權和海陸資源的日益重視，我們特別注重沿海綜合開發(fā)，需要進行資源勘探，促進區(qū)域經(jīng)濟快速發(fā)展和主權保護。隨著隔震技術的不斷成熟和隔震支座的不斷研發(fā)更新,隔震支座已經(jīng)在建筑和橋梁領域得到廣泛應用。跨海大橋作為生命線系統(tǒng)和城市之間經(jīng)濟往來的重要樞紐,其重要性不可替代,而采用隔震技術可有效抵御地震災害,保證震后及時運營和道路暢通,對國家社會經(jīng)濟活動有著不可估量的作用。隔震技術的采用對跨海大橋的抗震、加固及運營至關重要,但是關于近海隔震橋梁的性態(tài)水準劃分,目前國內(nèi)外還沒有統(tǒng)一的標準,也缺乏統(tǒng)一的認知,因此開展近海隔震橋梁的性態(tài)水準劃分與量化分析,對于近海隔震橋梁在地震作用下的表現(xiàn)具有重要意義。國內(nèi)外學者對橋梁結構的性態(tài)設計已經(jīng)進行了大量研究。陸本燕在分析了國內(nèi)外127個以彎曲破壞為主的鋼筋混凝土圓形截面試驗結果的基礎上,以位移角為量化指標,將鋼筋混凝土橋墩在地震作用下破壞等級劃分成5個性能水平;孫穎對規(guī)則橋梁在地震作用下的性態(tài)水準給予了較明確的定性描述,以墩頂漂移率為參數(shù)指標,給出了不同性態(tài)水準的目標值;劉艷輝討論了城市高架橋性態(tài)水準的量化過程,建立了各性態(tài)水準與鋼筋拉應變和混凝土壓應變的對應關系,建立了各性態(tài)水準與破壞指標的量化關系;鄒勤建立了近海隔震橋梁的抗震設防標準,并將橋梁結構劃分為5種性態(tài)水平,結合各類橋梁相應的地震動水準建立了12個結構最低性態(tài)目標。本文建議了近海隔震橋梁的性態(tài)水準劃分方法,并建立量化指標與其對應關系。選取墩柱位移延性比和支座剪應變作為量化指標,利用公式法和Pushover法計算量化指標限值,通過動力增量時程分析,研究墩柱響應與隔震支座變形的對應關系,并對兩種計算方法得到的性態(tài)量化指標進行對比分析。1國內(nèi)關于結構性態(tài)抗震性態(tài)設計的研究現(xiàn)狀結構抗震性態(tài)水準是指結構或非結構構件在可能會遭遇的地震作用下所預期的最大容許破壞,或容許的極限破壞。不同國家對于抗震性態(tài)水準有不同的劃分。目前,國內(nèi)外建筑結構領域主要采用美國Vision2000、ATC40、FEMA273/274等提出的結構性能水準劃分方法,大體上劃分為正常使用、立即入住、生命安全、防止倒塌4個等級。我國由謝禮立等主編的《建筑工程抗震性態(tài)設計通則》對建筑結構性態(tài)水準也給出了建議,將性態(tài)水準劃分為充分運行、運行、基本運行、生命安全、接近倒塌5個等級。橋梁結構方面,相關學者做了較多的研究,美國HAZUS99也對橋梁結構性態(tài)水準進行了劃分。目前,相關研究者和規(guī)范針對橋梁結構抗震設計性態(tài)水準的劃分可見表1。2不充分充放電關于隔震橋梁在地震作用下的性態(tài)水準劃分和性態(tài)指標的量化分析的相關文獻較少,目前還處于初步研究階段,考慮橋梁墩柱和隔震支座的共同影響的相關研究也并不充分。因此,本文根據(jù)近海隔震橋梁在遭受地震動作用下的破壞特點,考慮支座與橋梁墩柱的對應關系,參考前人的研究及我國規(guī)范條文的相關規(guī)定,將近海隔震橋梁的性態(tài)水準劃分為充分運行狀態(tài)、運行狀態(tài)、基本運行狀態(tài)、生命安全狀態(tài)和防止倒塌狀態(tài)5個不同等級,根據(jù)墩柱和支座損傷狀態(tài),將隔震橋梁的損傷等級劃分為無破壞、輕微破壞、中等破壞、嚴重破壞和倒塌破壞(支座對應為完全破壞),表2中給出了5種性態(tài)水準及對應破壞狀態(tài)的定性描述。3種破壞指標的量化表2給出了近海隔震橋梁性態(tài)水準的明確定義和具體描述,但是在實施基于性態(tài)的抗震設計過程中需要有具體的參數(shù)來對破壞指標進行量化。從歷次震害調(diào)查來看橋梁的震害表現(xiàn)為墩柱破壞、地基破壞和支座破壞,針對近海隔震橋梁,地基破壞主要是由于地基液化導致,在橋梁選址時應避開活動斷層及鄰近地段、避開可能液化的軟弱地層以及對地基采用深基基礎。因此,針對跨海隔震橋梁,未來可能出現(xiàn)的震害將會是橋墩和支座的破壞,本文主要對橋梁墩柱和支座進行性態(tài)指標量化分析。橋梁墩柱的損傷指標可選取結構的位移延性、曲率延性、位移角和墩頂漂移率作為墩柱損傷指標的相關參數(shù),支座損傷指標可采用支座剪應變、相對位移延性比作為量化指標。本文對隔震橋梁最易遭受地震動破壞作用下的橋梁墩柱和隔震支座的性態(tài)指標分別選擇位移延性比和剪切應變作為量化指標。參考Hwang對墩柱指標量化的研究,位移延性比μd可表示為:式中:Δ為墩頂響應最大相對位移;Δcy1為鋼筋首次屈服時墩頂相對位移。墩頂損傷可定義為:各極限狀態(tài)對應的墩頂相對位移與鋼筋首次屈服時墩頂相對位移之比,μcy1為鋼筋首次屈服位移延性比;μcy為等效屈服位移延性比;μc2為墩柱保護層混凝土壓應變達到0.002時的位移延性比;μcmax為最大破壞位移延性比,μcmax=μc2+3。國內(nèi)外針對橋梁結構橡膠隔震支座損傷指標的量化已經(jīng)有了較多的研究,Zhang選取了剪切應變作為支座損傷指標,將支座性能狀態(tài)劃分為輕微破壞、中等破壞、嚴重破壞、倒塌破壞4個等級,并且建議了其破壞指標限值分別為:100%、150%、200%、250%。Choi選取支座位移量分別為0mm、50mm、100mm、150mm為支座的4種極限破壞狀態(tài)的損傷指標限值,李立峰選取相對位移延性比作為支座損傷指標,將支座損傷狀態(tài)劃分為無損傷、中等損傷、嚴重損傷、完全破壞4個等級,并且建議了3個指標限值分別為:1、1.5、2.5。我國《公路橋梁抗震設計細則》(JTG/TB02-01–2008)也規(guī)定了減隔震支座在不同地震作用下最大相對位移量限值:即E1地震作用下支座剪應變應小于100%,E2地震作用下支座剪應變應小于250%?？紤]到近海隔震橋梁遭受海蝕環(huán)境的影響較大,遭受風浪及氯鹽腐蝕的作用使橋梁結構構件易遭受破壞,墩柱塑性鉸區(qū)域由于浸入水下區(qū),實際發(fā)生震害時應盡量避免橋墩發(fā)生較大損傷而導致鋼筋遭受海水中氯離子侵蝕,因此對隔震支座性能需提出更高要求,使支座具有足夠的位移變形能力耗散地震能量而不發(fā)生破壞,同時為了避免支座位移變形過大而導致上部結構位移過大和支座螺栓松動,本文定義近海隔震橋梁橡膠支座4種破壞狀態(tài)的指標限值分別為150%、200%、250%、300%。對墩柱破壞指標限值及支座破壞指標限值定義如表3所示。4統(tǒng)計分析方法目前,國內(nèi)外針對規(guī)則橋梁和城市高架橋梁的墩柱能力指標量化分析已有較多研究,主要有單墩擬靜力試驗或者利用數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析的方法,但是對于近海隔震橋梁,由于其墩柱截面尺寸較大、截面形式不規(guī)則、縱筋及箍筋數(shù)目較多等原因,利用現(xiàn)有試驗方法難以取得較好的結果,相關數(shù)據(jù)統(tǒng)計也并不充分,因此,本文選擇大型有限元軟件建立纖維模型進行非線性時程分析求取能力需求指標。目前,墩柱能力指標有兩種計算方法:基于塑性鉸的公式法和Pushover分析方法。4.1計算方法的確定基于塑性鉸的公式法計算損傷指標時需對鋼筋混凝土截面進行彎矩-曲率分析,即采用非線性應力-應變關系描述組成截面的材料,準確計算一定軸壓下鋼筋混凝土截面的彎矩-曲率關系。在進行截面彎矩-曲率分析時,一般采用以下假定:(1)平截面假定;(2)忽略剪切變形的影響;(3)鋼筋和混凝土之間的黏結滑移忽略不計。公式法是建立橋梁墩柱位移損傷量化指標的常用方法。利用彎矩-曲率分析得到截面屈服曲率和極限曲率后,可以通過塑性鉸公式得到相應的屈服位移和極限位移。此外,公式法假設在屈服狀態(tài)時,曲率沿墩高呈三角形線性分布,當墩柱達到極限狀態(tài)時,墩身部分依然保持屈服狀態(tài)時的曲率分布形式不變,其塑形變形主要集中在墩底等效塑性鉸長度Lp范圍內(nèi)均勻分布。這種假設認為墩柱除了塑形鉸以外其上部區(qū)域均為彈性,結構只發(fā)生一階彎曲變形。等效塑性鉸長度Lp一般按擬靜力試驗得到的經(jīng)驗公式計算,我國《公路橋梁抗震細則》也給出了等效塑性鉸長度計算方法。目前國內(nèi)外采用的經(jīng)驗塑性鉸公式主要有4種,見表4。為了避免不同塑性鉸公式計算結果所帶來的差異性,本文采用我國《公路橋梁抗震設計細則》定義的塑性鉸公式來計算性態(tài)指標。4.2結構體系的地震響應隨著基于性態(tài)的抗震設計方法的產(chǎn)生和發(fā)展,靜力Pushover方法得到了研究人員越來越多的重視,目前已經(jīng)被美國ATC-40、FEMA273等規(guī)范廣泛采用。我國Pushover法在建筑領域已經(jīng)得到較多的應用,在橋梁結構領域也引入到抗震規(guī)范中,進行Pushover分析一般基于以下兩個假定:(1)多自由度體系等效為單自由度體系,結構的地震反應以第1階振型為主,忽略高階振型的影響;(2)地震反應過程中,假定結構側向加載沿高度方向上的形狀向量不變。即該法適于低墩橋,而對于高墩橋,則應該考慮高階振型的影響。Pushover推倒分析是指在墩柱模型中施加選定側向加載模式的荷載,并逐漸加大,墩柱發(fā)生屈服則修改其剛度,將結構推至預設的目標位移或者結構開始呈現(xiàn)不穩(wěn)定的狀態(tài)為止,計算得到結構的內(nèi)力和變形,得到結構在預期地震作用下的抗震性能狀態(tài)。當墩底截面曲率達到最大時,墩頂位移也同時達到最大,用此方法可以得到墩柱不同破壞模式的性態(tài)指標。本文將利用公式法和Pushover法計算量化指標限值,通過增量動力時程分析,研究墩柱響應和隔震支座變形的對應關系,并對兩種計算方法得到的性態(tài)量化指標進行對比分析。5工程計算的示例分析5.1梁單元模型和性態(tài)分析本文研究對象為我國近海地區(qū)的某跨海隔震連續(xù)梁橋,并取其一聯(lián)進行分析,該聯(lián)為6跨,全聯(lián)等跨分布,每跨為85m,總長510m,上部結構為鋼與混凝土組合箱形連續(xù)梁,橋面板混凝土等級為C60,墩柱為八角形薄壁空心墩,墩高19m,橋墩采用C50混凝土,橋墩墩高及截面尺寸相同;縱筋和箍筋均采用HRB335級鋼筋,支座布置方案為過渡墩采用LRB800,其他墩柱采用LRB1600;每個墩柱上并列布置4個隔震支座;設防烈度為8度,場地類別為Ⅲ類,特征周期為0.65s。采用大型通用有限元軟件Midas/Civil建立有限元分析模型,如圖1所示。由于在地震作用下主梁結構基本上處于彈性狀態(tài),實際發(fā)生震害時主梁發(fā)生破壞概率較小,所以可采用彈性梁單元模擬。墩柱具有較大的延性能力,允許進入彈塑性狀態(tài),墩柱采用纖維塑性鉸單元模擬,墩底固結。保護層混凝土和核心混凝土的本構采用Mander本構模型,鋼筋的本構采用雙折線模型,如圖2和圖3所示。由于橋梁結構中墩和邊墩截面形式及墩柱配筋完全相同,限于篇幅,僅對中墩進行計算分析。首先,對橋梁中墩利用Midas/Civil已有程序進行墩柱彎曲-曲率分析,并利用SAP2000程序進行驗證,所得結果基本一致。其次,采用加速度常量加載模式、基本振型加載模式、靜力荷載加載模式分別對橋梁墩柱進行Pushover分析,得到截面屈服曲率和極限曲率對應的墩頂位移并計算位移延性比,公式法則通過塑性鉸模型計算得到位移延性比。由不同方法得到的不同破壞狀態(tài)對應的損傷指標見表5。為了直觀對比不同計算方法所得的性態(tài)指標限值,驗證Pushover法計算所得的指標限值的準確性,將定義的量化指標DS值與位移延性比和5種破壞狀態(tài)下的極限位移繪于圖4中。由圖4可知,Pushover分析中采用3種不同側向加載模式所得結果基本相同,表明墩柱主要受一階振型影響,采用Pushover法與公式法得到的位移延性比相差不大;兩種方法計算的輕微破壞和中等破壞指標限值結果幾乎一致,說明在彈性階段,公式法和Pushover法計算結果相差不大;當結構處于嚴重破壞和倒塌破壞階段,墩柱進入彈塑性狀態(tài),由公式法和Pushover法得到的位移限值誤差逐漸增大,公式法計算結果比Pushover法偏小,其原因是由于墩柱屬于延性構件,基于塑性鉸的公式法中假定僅在墩柱底部形成塑性鉸機制,塑性鉸以上部分在震害條件下僅處于彈性狀態(tài)。因此,利用Pushover對橋梁墩柱進行指標量化能取得較準確結果,可作為橋梁結構性能評估的有效工具。5.2墩頂位移和應變量將橋梁墩柱劃分成19個單元并建立彈塑性纖維絞單元模型,利用Midas/Civil對隔震橋梁整體進行增量動力時程分析。選取El-Centro波、Northridge波、Taft波對橋梁結構縱橋向進行非線性時程分析。由于地震動的隨機性,以及為了反映結構在遭受地震動作用下從完好到倒塌的全過程,分別將3條天然地震波的峰值加速度調(diào)整為0.1g~1.0g、0.2g~3.2g、0.2g~2.0g,共36組地震波。建立相應分析工況,提取每一級地震動作用下的墩頂最大位移和支座相對位移,計算墩柱位移延性比及支座剪應變,結果如表6~表8。由表6~表8可見,隨著地震動強度的不斷增大,墩頂位移和支座相對位移也不斷增大;LRB1600支座的剪應變大體上大于LRB800支座,尤其當?shù)卣饎虞斎胼^大時更是如此,說明隨輸入地震動的增大,中墩支座比邊墩支座更易產(chǎn)生較大變形從而更快達到極限變形而破壞,因此可選擇中墩支座作為最不利情況進行分析,在El-Centro波0.5g、Northridge波2.8g、Taft波1.4g作用下,當隔震支座剪應變達到284.3%、258.7%、266.3%時,墩柱位移延性達到1.208、1.244、1.117,表明當支座處于嚴重破壞狀態(tài)時,由3種不同側向加載模式Pushover分析計算得到的位移延性比均處于中等破壞狀態(tài)。即橋梁結構遭受震害導致隔震支座需要更換時能保證結構整體處于基本運行狀態(tài),與本文定義的性能狀態(tài)一致;當支座的剪切變形達到358.8%、288%、340.5%時,支座處于完全破壞階段或者臨近完全破壞,墩柱墩頂最大位移分別為1.648、1.419、1.660,此時墩柱結構仍處于中等破壞階段,表明當支座發(fā)生完全破壞時,橋梁墩柱不會發(fā)生嚴重破壞甚至倒塌,僅需要簡單修復就可以投入使用,說明震害變形均集中在隔震支座,支座對橋墩具有很好的保護作用。6評估結果分析本文采用Pushover分析方法,計算了近海隔震橋梁性態(tài)水準量化指標限值,采用增量動力時程分析方法,對近海隔震橋梁進行了非線性動力時程分析,根據(jù)不同地震動強度作用下墩頂位移延性和隔震支座剪切應變,對近海隔震橋梁進行了性態(tài)水準劃分和性態(tài)指標限值的分析。主要結論如下:(1)將隔震橋梁在地震作用下的性態(tài)水準劃分為充分運行、運行、基本運行、生命安全和防止倒塌5種狀態(tài),并將結構損傷狀態(tài)定義為無破壞、輕微破壞、中等破壞、嚴重破壞和倒塌破壞。(2)利用公式法與Pushover法計算性態(tài)量化指標限值,計算結果相差不大,公式法計算結果偏小,3種不同側向加載模式對其指標限值影響不大,利用Pushover法計算墩柱指標限值具有合理性。(3)將增量動力分析方法的結果與本文利用Pushover分析方法計算出的性態(tài)水準下的量化指標限值進行了比較,驗證了Pushover分析方法的合理性,可以作為隔震橋梁結構易損性分析和橋梁結構性能評估的參考依據(jù)。(4)對于高墩大跨橋梁利用Pushover分析方法計算量化指標限值時,需考慮高階振型的影響。橋梁墩柱在3條天然地震波作用下,墩頂最大位移及墩底最大曲率見圖5(a),由圖可知,隨著墩底曲率不斷增大,墩頂最大位移也不斷增大,同