國內(nèi)外橋梁抗震性能評價與加固研究

國內(nèi)外橋梁抗震性能評價與加固研究

1延性抗震設計近20年來，美國、日本等地的地震工作者先后提出了分類防御的地震設計理念。對于發(fā)生可能性大、頻率高的中、小地震,為不使結(jié)構(gòu)因累積損傷而影響其使用功能,要求結(jié)構(gòu)處于彈性范圍內(nèi)工作,以強度作為破壞準則。對于在結(jié)構(gòu)壽命期內(nèi)發(fā)生概率小的大地震,作為一種突發(fā)的特殊荷載,如果要求結(jié)構(gòu)彈性地抵抗這種作用,既不經(jīng)濟也不現(xiàn)實,應當允許結(jié)構(gòu)產(chǎn)生塑性變形和有限度損傷。這時宜以結(jié)構(gòu)延性(通常定義為結(jié)構(gòu)彈塑性最大變形與結(jié)構(gòu)屈服極限變形之比)作為破壞準則,以達到“大震不倒”的要求。目前應用較普遍的能力設計和延性設計的抗震設計思想正是通過有選擇地設計出具有一定延性能力的結(jié)構(gòu)構(gòu)件,以實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)整體的保護,達到最佳的抗震目的。目前我國公路橋梁中有相當一部分橋齡已經(jīng)很長,雖然病害問題尚未到大量暴露之時,但值得注意的是已有不少橋梁發(fā)生老化、破損、裂縫等現(xiàn)象,危橋數(shù)目逐年增多,承載能力明顯下降。此外,我國公路目前執(zhí)行的《公路工程抗震設計規(guī)范》(JTJ004-89)采用單一的設防標準,沒有采取足夠的構(gòu)造措施來保證橋梁的整體延性。而已有的國外震害表明,未考慮延性抗震設計的橋梁即使在中等強度地震(如美國1989年的LomaPrieta和1994年的Northridge地震)作用下也可能發(fā)生倒塌或嚴重破壞。有關已建橋梁的評價和加固的相關內(nèi)容已經(jīng)成為國外同行的研究熱點。我國有自己的實際國情,如何確保地震區(qū)已經(jīng)建造的橋梁在未來可能發(fā)生的地震作用下安全可靠地運行,最大限度地避免人員傷亡,減輕震災帶來的經(jīng)濟損失,已成為工程界必須面對的現(xiàn)實問題。因此,及時開展相關問題研究,對于我國已建橋梁按照更為先進的設計思想進行抗震性能評價,并根據(jù)評價的結(jié)果提出相應的抗震加固措施,具有十分重要的意義。2結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定性分析已建橋梁的地震性能評價,重點在于對有效變形和抗震能力的量化分析。目前常用的手段有能力/需求比分析法、推倒分析法與能力譜法、非線性時程反應分析法3種。(1)強度/能力比能力/需求比分析由美國應用技術委員會在20世紀80年代中期提出。該法將橋梁在彈性反應中得到的內(nèi)力響應(需求)在結(jié)構(gòu)不同部位與結(jié)構(gòu)強度(能力)之比稱為作用的需求/能力比。在簡單情形下比值(需求/能力)超過1就意味著結(jié)構(gòu)失效。在較復雜情形(延性得到保證),比值超過1(如在2～3之間)也是可以接受的。1989年美國LomaPrieta地震后能力/需求比分析方法被廣泛應用。該法也有一些基本缺陷,如不能準確得到地震作用引起的軸力,認為需求/能力比大于1的截面都有危險,假定截面的彎矩需求/能力比可以給出構(gòu)件的延性需求等。(2)結(jié)構(gòu)推高學法的結(jié)構(gòu)體系分析推倒分析法最早是1975年由Freeman等提出的,1978年以后雖有一定發(fā)展,但未引起更多的重視。70年代初美國科學家和工程師提出了基于性能及基于位移的設計方法,引起了日本和歐洲同行的極大興趣,該方法也隨之受到重視。推倒分析方法本質(zhì)上是一種靜力分析方法,是對結(jié)構(gòu)進行靜力單調(diào)加載下的彈塑性分析。具體講,即在結(jié)構(gòu)分析模型上施加某種方式模擬地震水平慣性力的側(cè)向力,并逐級單調(diào)加大,構(gòu)件如有開裂或屈服,修改其剛度,直到結(jié)構(gòu)達到預定的狀態(tài)。其優(yōu)點突出體現(xiàn)在:與振型分解反應譜法相比較,它考慮了結(jié)構(gòu)的彈塑性特性;與時程分析法相比較,其輸入數(shù)據(jù)簡單,工作量較小。目前推倒分析方法在各國橋梁抗震規(guī)范及指南中使用比較廣泛。美國運輸部公路橋梁抗震加固指南、美國加州抗震設計規(guī)范、ATC-40、FEMA-356、日本橋梁抗震設計規(guī)范、韓國抗震規(guī)范、美國鐵路工程協(xié)會標準(AREMA)、歐洲規(guī)范等均將推倒分析法列入其中作為常規(guī)計算方法。我國《建筑抗震設計規(guī)范》(GBJ-2001)也采用了此法。國外也已開發(fā)出一系列可實現(xiàn)結(jié)構(gòu)推倒分析的商業(yè)軟件,如SAP2000、GTSTRUDL、DRAIN-2DX、OpenSees等。國內(nèi)應用較為廣泛的是SAP2000,該軟件由美國加州大學伯克力分校開發(fā)。在推倒分析法的基礎上,發(fā)展起來一種介于結(jié)構(gòu)彈塑性動力分析和彈性動力分析之間的結(jié)構(gòu)抗震性能評估法——能力譜法,屬于簡化彈塑性評估方法(也有人把它歸為推倒分析方法中的一部分)。該法把加速度-位移格式的結(jié)構(gòu)能力譜與代表地震需求的反應譜相比較,可以非常直觀地評估結(jié)構(gòu)的地震性能。能力譜與需求譜的交點,表示地震需求;能力譜的末點表示結(jié)構(gòu)的極限能力。如果結(jié)構(gòu)的能力譜穿過需求譜,即表示該結(jié)構(gòu)可以抵抗與需求譜相應大小的地震作用。目前該方法正在廣泛深入研究中,ATC-40采用了此法。(3)建立非線性時程的計算模型雖然非線性時程反應分析是目前在評價橋梁地震行為中相對而言最成熟、最完善的一種分析方法,但在現(xiàn)有橋梁抗震評價的應用上還存在一些尚待解決的問題。首先,現(xiàn)在只有不多的計算程序能夠考慮比較符合實際的空間模型、如墩柱雙軸非彈性響應的相互作用、彎曲和剪切強度的相互作用、節(jié)點特性的模擬以及對屈服后負剛度和退化滯回響應的退化行為的建模。如果不能建立符合實際的力學計算模型,非線性時程分析的復雜性對實際使用并不能發(fā)揮更好的指導作用。而且,為了確定對應不同指定極限狀態(tài)的響應,需要進行一系列不同地震烈度輸入下的反應分析,并且由于怎樣模擬非一致的支承運動的不確定性,使計算工作量非常大,計算結(jié)果也過度依賴于選取的加速度時程曲線,離散性很大,因此為得到較可靠的計算結(jié)果通常要計算許多時程樣本,并加以統(tǒng)計平均。3采用推倒法評價橋的抗疲勞性能3.1推高學質(zhì)量分析方法推倒分析方法是通過對結(jié)構(gòu)施加單調(diào)遞增水平荷載進行分析的一種非線性靜力分析方法。該方法通常將相鄰伸縮縫之間的橋梁結(jié)構(gòu)當作空間獨立框架考慮,上部結(jié)構(gòu)常假定為剛性。對每個框架施加單調(diào)增加的荷載或位移,使其逐漸倒塌,從而確定主要受力構(gòu)件并得到框架的力-變形曲線。從每個框架的自振頻率分析和設計反應譜可以估計出等效的彈性反應譜,這樣便得到框架在倒塌前能夠承受的最大設計地震力水平了。加州橋梁抗震設計規(guī)范使用了推倒分析方法進行橋梁抗震設計,規(guī)定按開裂截面等效剛度建立分析模型,在等位移原則的基礎上,計算出結(jié)構(gòu)的能力位移曲線后,與彈性分析得到的需求曲線比較,來判定結(jié)構(gòu)能否承受指定地震力的作用。推倒分析法實施的主要過程如下所示:(1)準備數(shù)據(jù),進行結(jié)構(gòu)建模,確定結(jié)構(gòu)的物理常數(shù)(尺寸、材料特性等)和截面的彎矩-曲率關系。(2)計算結(jié)構(gòu)在自重荷載作用下的內(nèi)力作為初始內(nèi)力。(3)使用某一側(cè)向力加載方式對結(jié)構(gòu)進行加載,逐步增大荷載使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)第一個塑性鉸。(4)改變結(jié)構(gòu)的剛度,繼續(xù)增大荷載,使結(jié)構(gòu)再一次出現(xiàn)塑性鉸。(5)重復3、4步,使塑性鉸依次出現(xiàn)直至結(jié)構(gòu)達到考慮的極限狀態(tài)。(6)繪制結(jié)構(gòu)的力-位移曲線,即推倒分析曲線。3.2推斷分析中的一些詳細問題3.2.1結(jié)構(gòu)性能抗震性提到極限狀態(tài),就需要提及基于性能(performance-based)的抗震設計理論。該理論是90年代由美國科學家和工程師首先提出的,引起了我國、日本和歐洲地震工程界同行的極大興趣,紛紛展開多方面的研究?；谛阅芸拐鹪O計的基本思想是使被設計的建筑物在使用期間滿足各種預定功能或性能目標要求。結(jié)構(gòu)性能抗震設計理論提出了多級設計的理念,其所確定的抗震性能目標包含人身安全與財產(chǎn)損失兩個方面?；谛阅艿目拐鹪O計趨勢是將結(jié)構(gòu)構(gòu)件、非結(jié)構(gòu)構(gòu)件、內(nèi)部設施、裝修等多種因素考慮進去,由此劃分的抗震性能水準要更具體細致。我國現(xiàn)行建筑抗震設計規(guī)范的3個性能水準:不壞,可修,不倒,主要針對主體結(jié)構(gòu)的破壞程度;張新培指出結(jié)構(gòu)性能分為3級,生命安全水準,防止損傷水準,保證使用功能水準,與這3級結(jié)構(gòu)性能水準相應的3種極限狀態(tài)是防倒塌極限狀態(tài),損傷控制極限狀態(tài),抗震正常使用極限狀態(tài);根據(jù)美國聯(lián)邦緊急救援提供的資料,基于性能的抗震研究可以沿用4個性能水準,基本完好,輕微破壞,生命安全,不倒塌;李應斌等則認為,結(jié)構(gòu)抗震性能等級劃分可以按結(jié)構(gòu)的性能水準分為5級,基本完好、輕微破壞、中等破壞、嚴重破壞和倒塌,同時指出設防水準和設防目標緊密相關,并給出了一種設防地震等級與性能水準和設防目標的關系圖。綜上可見,在評價具體橋梁時,應考慮經(jīng)濟因素并結(jié)合橋梁的重要性進行極限狀態(tài)的確定。3.2.2層纖維模型法截面彎矩-曲率分析時應使用約束混凝土強度,其常見本構(gòu)模型有Mander模型,Sheikh模型,Park模型,Kent-Park模型等。計算時可采用其中一本構(gòu)模型,將鋼筋應力-應變關系簡化為理想彈塑性,利用層纖維模型便可以計算出約束混凝土的截面彎矩-曲率全過程曲線,使用能量法將該曲線等效為理想彈塑性,就可以用于推倒分析。軸力對截面彎矩-曲率關系曲線影響很大,在推倒分析過程中還應根據(jù)軸力的變化水平不斷地調(diào)整該關系曲線,計算時一般可以使用截面的PMM曲面,即軸力與彎矩相互作用的曲面。3.2.3橋臺剛度的確定和正行等對橋梁結(jié)構(gòu)無論橫橋向抗震分析還是順橋向抗震分析,均應注意橋臺剛度的模擬。該剛度的存在能夠使地震力在橋臺和橋墩之間的分配比較合理,從而使墩柱的地震需求比較準確,也可以對全橋的抗震性能做一個合理的評定。UCDavis實驗室通過大比例尺橋臺模型試驗得到了力-變形結(jié)果和被動土壓力試驗結(jié)果,由此提出了臺后填土的初始剛度,該數(shù)據(jù)可以根據(jù)橋臺類型、尺寸進行比例調(diào)整以滿足實際計算需要。順橋向計算時,可采用有效剛度的概念來考慮伸縮縫間隙和臺后填土的作用;橫橋向計算時,可采用相鄰排架剛度的一半作為橋臺的名義剛度。此外,橋臺如果采用樁基礎,應該將樁基礎的剛度也考慮在內(nèi)。3.2.4結(jié)構(gòu)加載模式側(cè)向力加載模式是指側(cè)向力沿結(jié)構(gòu)高度的分布,理論上講,加載模式應能夠代表設計地震作用下結(jié)構(gòu)慣性力的分布。不同的加載模式將影響推倒分析方法對結(jié)構(gòu)抗震性能的評估,所以確定符合結(jié)構(gòu)質(zhì)量分布特點的側(cè)向力加載模式顯得比較重要。橋梁推倒分析中常用的加載方式有2大類:第1類包括一階模態(tài)分布、等效水平力分布以及SRSS分布,第2類是均勻分布或可調(diào)整的分布(即采用迭代方法求解)。第1類的特點是水平力和質(zhì)量分布相適應,第2類的特點是分布力隨著結(jié)構(gòu)屈服引起的變形而變化。目前不同加載方式的優(yōu)劣,研究者尚未達成共識。參考美國規(guī)范和歐洲規(guī)范,本文使用研究方向的一階模態(tài)作為側(cè)向力加載方式。4下部結(jié)構(gòu)設計該算例橋位于云南嵩待路,9度區(qū),上部結(jié)構(gòu)為4孔29.5m的組合工型梁,下部結(jié)構(gòu)采用樁柱基礎,墩柱為雙柱型式,柱直徑1.4m。該橋結(jié)構(gòu)型式和設計均屬于典型的公路橋梁,可以作為一般橋梁的代表,作為分析與研究的算例也是比較合適的。4.1橋梁抗震能力需求分析根據(jù)正在編制的公路橋梁抗震規(guī)范的征求意見稿和國內(nèi)外的研究成果,公路橋梁抗震性能評價可歸結(jié)為對橋梁(各構(gòu)件)的位移和強度的能力需求分析。橋梁構(gòu)件分為延性構(gòu)件和能力保護構(gòu)件,延性構(gòu)件一般指橋梁墩柱,能力保護構(gòu)件包括橋臺、基礎、上部結(jié)構(gòu)、支座、蓋梁、承臺、墩與蓋梁和承臺的連接部位(節(jié)點)等。使用推倒分析進行橋梁抗震性能評價時,橋梁(各構(gòu)件)的位移和強度的能力需求分析包括以下4個步驟:(1)確定橋梁的抗震設防分類和地震動參數(shù),采用等效剛度的全橋模型進行地震作用及其作用效應的線性分析,獲得橋梁各墩柱的位移需求;(2)對橋梁進行推倒分析,確定各墩柱及全橋的位移能力;(3)根據(jù)推倒分析獲得的構(gòu)件內(nèi)力,在考慮超強系數(shù)的情況下,按照有關設計規(guī)范驗算墩柱抗剪強度;(4)根據(jù)推倒分析結(jié)果進行能力保護構(gòu)件的強度驗算。4.2內(nèi)相對于墩柱剛性順橋向分析時,取2橋臺間的3墩4跨結(jié)構(gòu)作為空間獨立框架進行分析,并認為上部結(jié)構(gòu)在水平面內(nèi)相對(于墩柱)剛性。墩柱取開裂截面計算截面特性,墩頂和墩底均設置PMM塑性鉸。以非線性彈簧單元模擬橋臺對全橋的剛度,橋臺為重力式,所以彈簧剛度只考慮臺后填土和初始間隙的影響。橫橋向分析時,橋臺等效彈簧剛度取相鄰排架墩剛度的一半進行需求分析。計算模型如圖1所示。4.3抗剪能力驗算全橋順橋向和橫橋向能力需求曲線比較圖如圖2、圖3所示(圖中通過原點的斜直線為需求曲線)。由此可見,橋梁墩柱的抗彎性能可以滿足設計地震的作用,橋墩墩柱的抗剪能力經(jīng)驗算也可滿足要求。進行能力保護構(gòu)件強度驗算時,取分析構(gòu)件為隔離體,將求解的邊界條件作用在隔離體上,應注意使用墩柱的超強彎矩以及超強彎矩對應的剪力。結(jié)果表明,蓋梁、擋塊等的強度均滿足設計地震要求。對節(jié)點抗剪強度驗算采用應力驗算方法,即根據(jù)主應力計算結(jié)果檢驗其是否滿足最小節(jié)點尺寸的要求,同時檢查受剪鋼筋布置是否滿足要求。結(jié)果表明,節(jié)點尺寸設計滿足要求,但箍筋數(shù)量不足且其布置不合理,應給予加強。5強度抗加固性能評價由于經(jīng)