鋼管混凝土拱橋地震破壞評估研究

鋼管混凝土拱橋地震破壞評估研究

0鋼管混凝土構(gòu)件抗震能力該拱橋具有光滑、美觀、彈性、施工方便、維護(hù)方便、透水性強(qiáng)、抗疲勞防滑等優(yōu)點(diǎn)，在中國得到廣泛應(yīng)用。2008年的汶川大地震中,震區(qū)的320座橋梁中,許多公路橋梁受到嚴(yán)重破壞甚至倒塌。因此,眾多學(xué)者針對鋼管混凝土拱橋的抗震性能進(jìn)行了研究,但對地震作用下破壞評估的研究還相當(dāng)欠缺。建筑結(jié)構(gòu)在地震作用下破壞準(zhǔn)則有單參數(shù)破壞準(zhǔn)則、彎曲破壞比、損傷線性累積破壞準(zhǔn)則、能量破壞準(zhǔn)則、雙參數(shù)破壞準(zhǔn)則、基于理想彈塑性恢復(fù)力模型的改進(jìn)破壞準(zhǔn)則和雙參數(shù)地震破壞模型。史慶軒開展了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)基于性能的抗震研究,并建立了抗震破壞評估模型;Park等建立了鋼筋混凝土構(gòu)件的地震損傷模型;Chung等建立了混凝土結(jié)構(gòu)的損傷模型;McCabe等建立了結(jié)構(gòu)混凝土結(jié)構(gòu)的損傷評估模型。這些研究中的雙參數(shù)破壞準(zhǔn)則共同點(diǎn)是顯式包含了位移和耗能參數(shù)。于琦等將結(jié)構(gòu)的最大變形與滯回耗能需求同時(shí)引入往復(fù)Pushover分析,利用隱式雙參數(shù)破壞準(zhǔn)則進(jìn)行鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)地震損傷評估;Ghosh等采用Park-Ang損傷模型結(jié)合能量法進(jìn)行多層平面框架的損傷評估。在橋梁抗震能力評估研究中,各國學(xué)者認(rèn)為影響梁式橋抗震能力的主要因素為橋墩的抗震能力,這在多次地震中已經(jīng)損傷的橋梁分析結(jié)果中得到了證實(shí),因此大部分橋梁的抗震評估工作均集中在橋墩的抗震能力研究。在鋼管混凝土結(jié)構(gòu)方面,郭蓉等通過研究7根方鋼管混凝土柱在低周反復(fù)荷載作用下的滯回性能,獲得了各構(gòu)件破壞時(shí)的累積滯回耗能;文永慶對鋼骨-鋼管混凝土柱雙參數(shù)破壞準(zhǔn)則進(jìn)行了研究,分別以配骨指標(biāo)、套箍系數(shù)、剪跨比和軸壓比作為參數(shù),研究了Park-Ang雙參數(shù)破壞準(zhǔn)則,并對鋼管混凝土結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行評估,在此基礎(chǔ)上,提出了耗能因子β的計(jì)算公式;邱法維等通過試驗(yàn)研究了鋼管混凝土柱滯回耗能和累積損傷,并推薦在抗震評估中使用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)地震損傷系數(shù);閻宇通過試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法,以長細(xì)比、軸壓比、幅厚比作為控制參數(shù),研究了低周反復(fù)水平荷載作用下方鋼管混凝土柱滯回耗能和變形的雙參數(shù)損傷模型,并通過數(shù)據(jù)擬合得到了損傷因子?？梢?各國的鋼管混凝土橋梁抗震研究主要針對整橋和主要構(gòu)件的抗震性能進(jìn)行定性分析,有些研究建立了構(gòu)件的抗震損傷破壞模型,有些研究建立了抗震損傷評估模型,然而對鋼管混凝土構(gòu)件的抗震能力進(jìn)行定量分析的較少,對鋼管混凝土拱橋整橋抗震能力進(jìn)行定量分析的還未見報(bào)道。因此,本文中在上述研究背景下根據(jù)鋼管混凝土拱橋的受力特點(diǎn)和破壞模式提出基于變形或內(nèi)力和累積耗能的鋼管混凝土拱橋構(gòu)件的雙重破壞準(zhǔn)則,建立鋼管混凝土拱橋構(gòu)件和整體的破壞評估模型,并對南寧的一座鋼管混凝土拱橋進(jìn)行破壞評估。1單元的極限、軸承和變形1.1鋼管混凝土力學(xué)性能拱肋弦桿是鋼管混凝土拱橋的主要承重構(gòu)件,其力學(xué)性能較鋼筋混凝土構(gòu)件有很大的優(yōu)越性,本文中在文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上根據(jù)鋼管混凝土構(gòu)件的工作機(jī)理和力學(xué)特性,同時(shí)考慮鋼管混凝土拱肋的受力特點(diǎn)研究弦桿的破壞模式。鋼管混凝土極限軸力Nu為式中:Asc為鋼管混凝土截面面積;fscy為鋼管混凝土極限抗壓強(qiáng)度。鋼管混凝土極限彎矩Mu為式中:γm為抗彎承載力計(jì)算系數(shù);Wscm為截面抗彎模量。典型的鋼管混凝土η-ζ關(guān)系曲線見圖1,其中η=N/Nu,ζ=M/Mu,N為弦桿的軸力,M為弦桿的彎矩。圖1中曲線為強(qiáng)度極限曲線,曲線分為2個(gè)部分,其中A′B′段以直線表示,B′C′D′段以二次拋物線表示,其中式中:ξ為鋼管混凝土含鋼率。1.2拉壓極限強(qiáng)度拱肋中的腹桿為空鋼管,主要起支撐作用,受力方式為軸向受力,破壞模式為軸向拉壓破壞,其強(qiáng)度極限為截面達(dá)到破壞狀態(tài)時(shí)的強(qiáng)度。假定鋼材本構(gòu)模型為二折線模型,則極限狀態(tài)下的軸力與應(yīng)變分別為式中:fau為鋼管拉壓極限強(qiáng)度;D為鋼管外徑;t為鋼管壁厚;εu為極限應(yīng)變。1.3軸向力較小且正確控制的破壞模式拱肋的橫向聯(lián)系為空鋼管,其主要作用是提高橫向剛度,增強(qiáng)側(cè)向穩(wěn)定性,受力方式為承受軸向力和彎矩作用,由于軸向力比較小,所以破壞模式為受彎破壞。其強(qiáng)度極限為截面達(dá)到破壞狀態(tài)時(shí)的強(qiáng)度。橫向聯(lián)系截面尺寸與強(qiáng)度極限狀態(tài)應(yīng)力見圖2。強(qiáng)度極限狀態(tài)對應(yīng)的彎矩式中:fu為抗彎極限強(qiáng)度。強(qiáng)度極限狀態(tài)對應(yīng)的曲率φu和應(yīng)變εu分別為式中:R為鋼管半徑;fy為塑性屈服強(qiáng)度;Es為彈性模量;G為剪切模量。1.4下吊桿拉伸鋼管混凝土拱橋吊桿結(jié)構(gòu)主要承受拉應(yīng)力,在拉應(yīng)力作用下吊桿拉伸,吊桿的材料主要為高強(qiáng)鋼絞線,其強(qiáng)度極限狀態(tài)對應(yīng)的軸力為式中:A為吊桿橫截面面積;fuk為極限抗拉強(qiáng)度。對應(yīng)的極限應(yīng)變εu一般為0.035。1.5u3000極限彎矩鋼管混凝土拱橋吊桿橫梁主要承受彎矩作用,破壞模式為受彎破壞,本文中以鋼橫梁為例。由于假設(shè)鋼材為理想彈性塑性體,當(dāng)達(dá)到強(qiáng)度極限狀態(tài)時(shí),截面全部屈服破壞,此時(shí)極限彎矩為式中:h為截面高度;hf′為受壓翼緣的厚度;b為翼緣寬度;tw為腹板厚度。強(qiáng)度極限狀態(tài)下全截面達(dá)到屈服狀態(tài),中性軸仍位于形心處,此時(shí)的極限彎曲曲率為2管道混凝土拱橋破壞評價(jià)模型2.1雙重破壞準(zhǔn)則基于構(gòu)件的內(nèi)力或變形和能量的雙重破壞準(zhǔn)則,主要是根據(jù)構(gòu)件在地震力作用下,產(chǎn)生內(nèi)力或變形和累積耗能,當(dāng)2個(gè)因素達(dá)到構(gòu)件的承受能力,構(gòu)件就發(fā)生破壞,在一定數(shù)量的構(gòu)件發(fā)生破壞的情況下,整體結(jié)構(gòu)將不能繼續(xù)承受荷載,從而發(fā)生倒塌。雙重破壞準(zhǔn)則中,鋼管混凝土拱橋各構(gòu)件破壞指數(shù)表達(dá)式如下:弦桿腹桿橫向聯(lián)系吊桿吊桿橫梁式中:λ為壓彎系數(shù)(即軸力和彎矩組合系數(shù));l為弦桿構(gòu)件長度;λm為地震過程弦桿截面最大的壓彎系數(shù);λu為弦桿的極限壓彎系數(shù),其值為1;a,b,c為系數(shù),εm為地震過程構(gòu)件截面所達(dá)到的最大軸向應(yīng)變;Eh為截面累積能量;n為積分點(diǎn)個(gè)數(shù);i為積分點(diǎn)編號;σ為應(yīng)力矩陣;εel為彈性應(yīng)變矩陣;V為積分點(diǎn)體積;Eepl為塑性應(yīng)變能;Es′為應(yīng)力硬化能;β為系數(shù),根據(jù)文獻(xiàn)回歸統(tǒng)計(jì)得出β=0.1387;φm為地震過程構(gòu)件截面達(dá)到的最大彎曲曲率。2.2同一種構(gòu)件的破壞指數(shù)計(jì)算橋梁整體的評估模型由各構(gòu)件的評估模型分層次來建立。為了更準(zhǔn)確地確定各構(gòu)件的破壞指數(shù),根據(jù)每根構(gòu)件在地震過程中累積的地震能量來計(jì)算其在同類構(gòu)件破壞指數(shù)中的作用大小,用權(quán)重系數(shù)w來表示,則弦桿的破壞指數(shù)為式中:(Ij)xg為第j根弦桿構(gòu)件的破壞指數(shù);(Wj)xg為第j根弦桿構(gòu)件對應(yīng)的權(quán)重系數(shù);Ej為第j根弦桿構(gòu)件累積能量;∑Ej為拱肋第j根弦桿累積的總能量。同理可得出其他構(gòu)件破壞指數(shù)的表達(dá)式。則拱橋整體破壞指數(shù)為同理可求出其他部分的累積耗能和權(quán)重值。2.3橋梁結(jié)構(gòu)地震破壞評估在地震作用下,根據(jù)地震作用的大小,橋梁會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的損傷和破壞,所以需要對橋梁整體進(jìn)行結(jié)構(gòu)地震破壞評估。地震破壞評估包括建立合理的結(jié)構(gòu)地震破壞模型,確定地震破壞性能目標(biāo)及相關(guān)指數(shù)的允許值。根據(jù)文獻(xiàn),定義結(jié)構(gòu)不同破壞程度的破壞指數(shù)和橋梁的地震破壞指數(shù)范圍,見表1。3設(shè)計(jì)跨徑長為7度,凈截面為7.廣西南寧永和大橋?yàn)橄鲁惺阶兏叨辱焓戒摴芑炷翢o鉸拱橋,抗震設(shè)防烈度為7度,凈跨徑336m,計(jì)算跨徑346m,設(shè)計(jì)凈矢高為76.873m。拱肋上、下弦桿斷面形狀為平放的啞鈴形,弦桿外徑Φ1220,壁厚20mm。綴板寬1015mm,厚20mm。腹桿鋼管規(guī)格Φ610×10。3.1構(gòu)建有限元模型采用考慮剪切變形的空間梁單元模擬上、下弦桿、豎斜腹桿、弦管綴管、鋼橫梁;用空間桿單元模擬吊桿;用空間板單元模擬弦管鋼綴板、混凝土綴板、臨時(shí)鉸處加強(qiáng)鋼板和橋面系;拱腳在橋墩處采用固定約束。桁架拱的鋼管、腹桿、綴管、綴板和橫撐系用Q345鋼,鋼橫梁等用Q235鋼,吊桿用鋼絲繩,混凝土標(biāo)號C50。設(shè)橋縱向?yàn)閄軸,橫向(河流方向)為Y軸,豎向?yàn)閆軸,全橋有限元模型共3672個(gè)節(jié)點(diǎn),6874個(gè)單元,有限元模型如圖3所示。分析時(shí)假定:在地震過程中地震動(dòng)的3個(gè)主軸方向保持不變,分別于橋梁的縱軸、橫軸和豎軸重合,且地震動(dòng)的傳播方向與橋梁的縱軸向重合。3.2彈性模量、密度和強(qiáng)度C50混凝土彈性模量Ec=34500MPa,密度為2550kg·m-3,軸心抗壓標(biāo)準(zhǔn)值fck=32MPa。Q345鋼的彈性模量Ec=206GPa,密度為7850kg·m-3;在t≤16mm時(shí),取fy=345MPa;在16mm<t<35mm時(shí),取fy=325MPa;fu=470MPa。吊桿彈性模量Ep=195000MPa,密度為7850kg·m-3;強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fpk=1260MPa;強(qiáng)度極限值fuk=1860MPa。3.3不同部位的力學(xué)指標(biāo)計(jì)算可得鋼管混凝土拱橋各個(gè)部分的力學(xué)指標(biāo)如下:拱肋弦桿橫向聯(lián)系吊桿吊桿橫梁3.4變曲線的計(jì)算和作用激勵(lì)的確定首先對計(jì)算模型進(jìn)行非線性分析,數(shù)值模型中鋼材和吊桿采用二折線的本構(gòu)模型,混凝土采用多線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型,對應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的計(jì)算選用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010—2002)公式。同時(shí)從X,Y,Z這3個(gè)方向進(jìn)行地震作用激勵(lì),地震波采用El-Centro波,不同烈度的地震按照相應(yīng)的地震波強(qiáng)度進(jìn)行折減,3個(gè)方向的地震波峰值比例取為1∶1∶0.6。地震波持時(shí)為10s,地震激勵(lì)頻率為時(shí)間間隔0.02s,共分500步,采用Newmark-β方法求解結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動(dòng)力方程。3.5結(jié)構(gòu)整體的地震破壞指數(shù)計(jì)算結(jié)果分別對該橋在加速度峰值為0.2g,0.4g,0.8g(g為重力加速度)的地震作用和恒載作用下的損傷破壞進(jìn)行評估,相當(dāng)于8度、9度、10度地震作用。選用已建立的鋼管混凝土各部件破壞模型,計(jì)算出弦桿的軸力、彎矩和累積能量,腹桿的軸力和累積能量,橫向聯(lián)系的彎矩和累積能量,吊桿的拉力和累積能量,吊桿橫梁的彎矩和累積能量,并根據(jù)破壞模式中的強(qiáng)度極限及變形狀態(tài)計(jì)算出構(gòu)件累積能量,由此得出拱橋結(jié)構(gòu)整體的地震破壞指數(shù)。計(jì)算結(jié)果見表2~4。由表2~4中數(shù)據(jù)可得到如下結(jié)論:(1)拱肋中的弦桿和腹桿是整橋耗能的主要部分,其破壞指數(shù)在整橋破壞指數(shù)中占據(jù)很大的比重。(2)在不同加速度的地震作用下,弦桿和腹桿的破壞程度決定了鋼管混凝土拱橋破壞程度,而橫向聯(lián)系、吊桿和吊桿橫梁在地震作用下?lián)p傷破壞程度較小,對整橋的破壞程度影響不大。(3)在3種不同強(qiáng)度地震波的作用下,整橋的破壞指數(shù)分別為0.098,0.134,0.314,說明該橋在8度地震(加速度峰值為0.2g)的地震波作用下基本完好,9度地震(加速度峰值為0.4g)時(shí)屬輕微破壞,10度地震(加速度峰值為0.8g)時(shí)屬中等破壞。(4)在3種不同強(qiáng)度地震作用下,腹桿的破壞指數(shù)均比較高,且都屬輕微破壞狀態(tài),是鋼管混凝土拱橋抗震的薄弱位置。4抗側(cè)力(1)本文中基于鋼管混凝土拱橋的受力特