大型高架橋梁地震破壞模式研究

大型高架橋梁地震破壞模式研究

1地震正演模擬的必要性隨著城市規(guī)模的擴(kuò)大和人口的增加，交通問題變得越來越明顯。目前我國解決城市交通問題的一個重要手段是發(fā)展立體交通,即通過大量修建高架橋梁來緩解地面交通壓力。這些橋梁既是日常交通的重要樞紐,也是發(fā)生災(zāi)害時的重要生命線工程。由于我國是一個多地震國家,很多中心城市都位于地震高烈度區(qū),準(zhǔn)確預(yù)測地震作用下高架橋梁的安全性和抗災(zāi)能力,是一個非常關(guān)鍵的問題。因此有必要采用精細(xì)化的非線性數(shù)值方法,準(zhǔn)確模擬橋梁的各種破壞模式。同時,由于高架橋梁規(guī)模越來越大,傳統(tǒng)的局部橋段分析已經(jīng)不足以滿足現(xiàn)代防災(zāi)工程的要求。因而非常有必要進(jìn)行基于高性能計算的大規(guī)模高架橋梁非線性分析,考慮行波效應(yīng)導(dǎo)致不同橋段不同位置的地震輸入差異,以真實模擬地震破壞。本文基于大型非線性計算軟件和高性能并行計算機(jī),對某大型高架橋梁體系進(jìn)行了考慮行波效應(yīng)的地震破壞模擬,并討論了橋梁的不同破壞形態(tài),為深入研究高架橋梁體系在地震災(zāi)害下的破壞模式和安全狀況提供了手段和依據(jù)。2結(jié)構(gòu)破壞破壞根據(jù)國內(nèi)外大量地震災(zāi)害資料,高架橋梁的破壞模式主要包括:(1)橋墩的破壞。包括橋墩鋼筋的屈服、混凝土的壓碎等,如圖1所示;(2)橋墩和上部結(jié)構(gòu)連接破壞。很多高架橋梁上部結(jié)構(gòu)和橋墩之間采用簡支支座,在強(qiáng)烈地面運(yùn)動下,很可能出現(xiàn)落梁破壞,如圖2所示;(3)上部結(jié)構(gòu)之間的碰撞破壞。上部結(jié)構(gòu)間由于振動不同步,產(chǎn)生相對運(yùn)動,進(jìn)而相互碰撞,造成橋面破壞或者加劇橋墩和上部結(jié)構(gòu)連接破壞,導(dǎo)致落梁。因此,為了準(zhǔn)確模擬地震作用下高架橋梁的破壞,在建立數(shù)值分析模型時,就必須對以上破壞模式加以考慮。2.1初始有限元模型建立現(xiàn)階段,我國高架橋梁多為鋼筋混凝土橋墩,在動力荷載作用下,橋墩的鋼筋可能會屈服,混凝土?xí)_裂甚至?xí)粔核?且橋墩受到的軸力將會發(fā)生變化,軸力和彎矩間復(fù)雜的耦合關(guān)系,將會明顯影響橋墩的承載力和延性。因此,大量已有研究表明,基于材料本構(gòu)模型的鋼筋混凝土桿件纖維模型,是分析此類結(jié)構(gòu)非線性問題的較好手段。因此,本文基于清華大學(xué)土木工程系在通用有限元軟件MSC.MARC基礎(chǔ)上開發(fā)的纖維模型有限元程序THUFIBER,來建立橋墩的有限元模型。THUFIBER程序?qū)?gòu)件截面劃分成若干混凝土纖維或鋼筋纖維(圖3),根據(jù)截面曲率和應(yīng)變計算得到每根纖維的應(yīng)變,再由應(yīng)變根據(jù)鋼筋和混凝土的滯回本構(gòu)模型(圖4)得到纖維應(yīng)力,最后積分得到截面彎矩和軸力。由于采用了比較準(zhǔn)確的材料本構(gòu)模型,因而可以較好地模擬鋼筋混凝土構(gòu)件在復(fù)雜軸力下的強(qiáng)度、延性和滯回行為。2.2主體結(jié)構(gòu)的模擬在實際橋梁中,上部結(jié)構(gòu)內(nèi)部(主梁、橋板等)在地震下一般可以避免破壞,而上部結(jié)構(gòu)和橋墩之間的交界部位、以及上部結(jié)構(gòu)之間卻可能發(fā)生接觸、碰撞、脫落等破壞。因此與橋墩數(shù)值模型中重點(diǎn)考慮材料非線性和幾何非線性有所不同,上部結(jié)構(gòu)的破壞模擬主要是接觸和分離導(dǎo)致的邊界非線性。由于計算量等限制,已有的研究大多對此類接觸破壞進(jìn)行了簡化處理,很難真實模擬落梁破壞以及上部結(jié)構(gòu)之間的相互接觸。因此,本文基于高性能并行計算機(jī),對上部結(jié)構(gòu)和橋墩之間的相互作用,完全采用基于面-面接觸的精確接觸模型加以模擬。接觸模型允許大范圍的接觸、分離、滑動甚至脫落,從而可以真實模擬落梁破壞。箱梁上部結(jié)構(gòu)采用殼單元建模;墩頂橫梁采用實體單元建模;橫梁和上部結(jié)構(gòu),以及上部結(jié)構(gòu)之間,均考慮了面-面接觸行為。2.3橋墩底部坐標(biāo)由于分析的高架橋梁長度近1500m,節(jié)段數(shù)超過130個,因此必須考慮地震的行波效應(yīng)。根據(jù)每個橋墩底部的坐標(biāo)相對于設(shè)定震中的距離,就可以得到地震波到達(dá)的時刻、以及各個方向的分量。嚴(yán)格的地震行波效應(yīng)分析還需要考慮震源類型、覆蓋層土體特性等因素建立符合該場地特點(diǎn)的多點(diǎn)地震輸入。本文為了簡化起見,同時也為了便于對比分析,選用了Kobe地震波,并僅考慮了不同輸入點(diǎn)時間上的差異。3凝土纖維模型分析最終建立的全橋模型如圖5所示。其中,南北方向橋梁為雙墩四車道結(jié)構(gòu),東西向為獨(dú)墩兩車道結(jié)構(gòu)。計算軟件采用通用有限元軟件MSC.MARC2005r2以及清華大學(xué)在MSC.MARC軟件基礎(chǔ)上開發(fā)的鋼筋混凝土纖維模型程序THUFIBER。在清華大學(xué)土木工程系防災(zāi)減災(zāi)數(shù)字平臺的曙光64位高性能并行計算工作站上進(jìn)行計算。需要特別指出的是,與一般的顯式有限元碰撞分析不同,本次分析采用的是隱式有限元分析,每步計算都精確校驗節(jié)點(diǎn)不平衡力直至滿足收斂標(biāo)準(zhǔn),有效保證了分析結(jié)果的可靠性。分析時首先施加自重荷載,程序自動根據(jù)橋墩和上部結(jié)構(gòu)之間的接觸關(guān)系計算出接觸面的法向應(yīng)力和摩擦力,然后輸入地震荷載。地震荷載在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生內(nèi)力,如果內(nèi)力高于橋墩的開裂或屈服承載力,則橋墩會出現(xiàn)開裂或者屈服破壞;如果內(nèi)力高于接觸面的接觸力或摩擦力,則會發(fā)生接觸面之間的分離或相對滑移。為了比較不同參數(shù)的影響,分別討論了以下工況:4方向高架落梁的成因各個工況計算得到的橋梁破壞主要為以下兩種類型:(1)東西向獨(dú)墩高架橋主要為落梁破壞;(2)南北向雙墩高架橋主要為橋墩腳部塑性鉸破壞。東西向發(fā)生落梁的主要原因是因為獨(dú)柱橋墩的抗扭性能較差,在地震作用下發(fā)生了扭轉(zhuǎn),使得橋面系一角從主梁上脫落,進(jìn)而發(fā)生傾倒落梁破壞(圖6)。但是,由于該方向高架橋的剛度較小,自振周期較長,在地震作用下吸收的能量較小,且橋墩較高,因此橋墩雖然開裂,但沒有進(jìn)入塑性。南北向高架橋的雙墩結(jié)構(gòu)剛度較大,且穩(wěn)定性較好,因此沒有出現(xiàn)落梁破壞。但是墩腳受到的地震力較大,大量出現(xiàn)塑性鉸。下面將針對這兩種不同破壞模式,比較不同工況計算結(jié)果的差異。4.1不同地震輸入對落梁位置的影響因為工況2、4未考慮上部結(jié)構(gòu)的非線性,因此可能發(fā)生落梁破壞的有1、3、5、6四個工況。這四個工況計算得到的落梁節(jié)段分布如圖7中黑色區(qū)域所示,不同地震輸入對落梁位置影響很大。可見要準(zhǔn)確預(yù)測大型高架橋梁的破壞模式,進(jìn)而分析城市交通系統(tǒng)在地震災(zāi)害下的魯棒性,必須要考慮震中位置以及行波效應(yīng)的影響。4.2同一橋墩不同工況的計算結(jié)果在地震作用下,南北向高架橋的橋墩腳部均進(jìn)入塑性階段。由于數(shù)據(jù)量較大,為節(jié)省篇幅,以位于分析模型中心位置的雙向交叉點(diǎn)南北向高架橋橋墩為例,在基本工況下計算得到的底部彎矩-曲率關(guān)系如圖8(a)所示。此時橋墩的鋼筋拉應(yīng)變已經(jīng)超過1%,說明此時橋墩已經(jīng)基本進(jìn)入破壞階段。除了基本工況外,工況4、5、6橋墩也出現(xiàn)塑性破壞,將同一橋墩不同工況的計算結(jié)果對比如圖8(b~d)所示。由圖8(b)可見,不考慮上部結(jié)構(gòu)和橋墩之間接觸,按照通常結(jié)構(gòu)力學(xué)方法分析時,會過高估計上部結(jié)構(gòu)和橋墩之間的協(xié)同工作能力,進(jìn)而會低估橋墩的變形,不能正確預(yù)測橋墩受到的破壞。而不同地震輸入也對橋墩的最大變形情況和損傷累積情況有著明顯的影響?？梢娙绻獪?zhǔn)確預(yù)測橋梁的破壞模式,行波效應(yīng)、上部結(jié)構(gòu)和橋墩之間的接觸效應(yīng)都應(yīng)該加以正確考慮。4.3要注意要考慮橋墩與橋墩之間的相對變形仍然以位于分析模型中心位置的雙向交叉點(diǎn)南北向高架橋為例,將不同工況計算得到的上部結(jié)構(gòu)之間的相對變形、上部結(jié)構(gòu)和橋墩之間的相對變形、以及橋墩底部和頂部變形差的最大值繪于圖9中?？梢缘玫揭韵陆Y(jié)論:(1)無論是否考慮行波效應(yīng),當(dāng)考慮上部結(jié)構(gòu)和橋墩之間的接觸時,上部結(jié)構(gòu)之間都有較大的相對變形,并可能出現(xiàn)相互碰撞(相對變形量>預(yù)留伸縮縫長度)。(2)如果不考慮行波效應(yīng),認(rèn)為所有橋墩底部同時受到相同幅度的地震力作用,則會明顯高估橋墩的相對變形(比考慮行波效應(yīng)要高近一倍)。同樣,上部結(jié)構(gòu)和橋墩之間的相對變形也會明顯增加。需要說明的是,本算例分析采用的是Kobe波,其主脈沖作用較強(qiáng),因此考慮行波效應(yīng)相當(dāng)于減弱了主脈沖的作用,故會得到上述結(jié)論。但是對于其他類型的地震波,則未必會有相同的結(jié)論。應(yīng)根據(jù)具體情況具體分析。(3)不考慮上部結(jié)構(gòu)和橋墩之間的接觸效應(yīng),則會過高估計橋墩和上部結(jié)構(gòu)之間的共同工作能力,進(jìn)而會低估橋墩的最大變形。圖8(b)和圖9均可觀察到此類現(xiàn)象。特別值得關(guān)注的是,當(dāng)橋墩底部截面進(jìn)入破壞軟化階段時(圖8(a,b)),由于損傷集中效應(yīng),該截面的變形集中程度要遠(yuǎn)高于整體變形差異(圖9中基本工況橋墩總變形只比工況4大22%,但是圖8(b)中基本工況橋墩最大塑性轉(zhuǎn)角比工況4大超過1倍)。由此亦可看出,當(dāng)進(jìn)行破壞模擬時,由于模型進(jìn)入強(qiáng)非線性階段,很多內(nèi)力和變形的發(fā)展都不再是成比例變化,因此,必須在建模時恰當(dāng)考慮結(jié)構(gòu)的各種破壞可能,才能真正準(zhǔn)確預(yù)測結(jié)構(gòu)的破壞形式。(4)工況3不考慮橋墩的非線性時,橋墩的剛度相對基本工況偏大,使得橋墩和上部結(jié)構(gòu)之間的相對變形比基本工況有明顯增加。當(dāng)橋梁設(shè)計或者施工預(yù)留的橋臺支撐面積不足時,這