圆形中空高墩的抗震性能研究

圆形中空高墩的抗震性能研究

目前，中国横跨山川、峡谷和河流的桥梁主要是高架桥。例如，位于江西省福州市福滩桥旁的松头江大桥。最大高差为99m，莆田铁路景山大桥高73.5m，黄汉侯铁路纵目沟大桥主墩高105m。在地震多发的西南、西北山区铁路桥梁的兴建中,高墩被广泛应用,而目前国内学者对高墩桥梁地震反应的研究也取得了阶段性的进展。王菲等研究了高墩大跨连续刚构桥的施工阶段和成桥阶段的稳定性;李建中等运用增量动力分析方法(IDA),计算了高墩的屈服位移、极限位移和位移延性,说明了高阶振型对高墩屈服位移、极限位移和位移延性系数的影响;夏修身等对铁路高墩进行弹塑性地震反应分析,结果表明,高墩既可能在墩中和墩底分别形成塑性铰,也可能在墩中及墩底均形成塑性铰;卢皓等运用增量动力分析方法和基于高阶振型的非线性经历推导方法(MPA),针对墩高为60m、90m的高墩桥梁计算高墩的屈服位移、极限位移、位移延性以及临界状态的墩高曲率分布,评价了不同地震动作用下高阶振型对桥墩延性能力的影响;梁智垚应用增量动力分析方法和pushover方法,分别对非规则高墩桥梁和中、低墩规则桥梁横桥向和纵桥向破坏过程和延性能力进行了研究,讨论了墩身质量和高阶振型对高墩的影响。这些研究都是针对混凝土实体高墩而进行的。在高墩的设计中,截面形式对墩柱的力学性能有很大影响,其中中空截面的混凝土墩柱有明显的优越性,如截面开展大,抗弯刚度大,自重轻,能够降低地震反应,抗震性能好等。另外,墩身高度在30m以上的高墩,如将实体墩身改为厚壁式空心墩身,可节省圬工20%～30%,墩身高在50m以上时可用钢筋混凝土空心墩,节省圬工可达50%左右。目前国内外学者对空心墩柱进行了试验研究及理论分析,推动了空心墩的抗震性能研究。Priestley、Park进行了一系列空心墩的拟静力抗震试验及分析,结果表明,抗弯中性轴位置对空心墩延性抗震能力影响很大。孙治国建立钢筋混凝土空心墩纤维梁柱单元模型,分析了空心墩柱的滞回性能,研究了不同纵筋配筋率、壁厚混凝土强度、剪跨比等因素对空心墩柱延性变形能力的影响。但是,目前国内外罕有针对空心截面高墩的地震破坏风险分析。为了保证我国西部高地震风险区广泛采用的钢筋混凝土圆形空心高墩铁路桥梁的安全性,本文针对圆形混凝土空心高墩的地震易损性进行了研究和1曲线拟合法和增量动力分析方法结构易损性是指对于地面运动的给定参数值,结构构件发生超过某个损伤程度的条件概率,易损性分析是一种基于概率的结构抗震性能评估方法,易损性分析的结果通常用易损性曲线来描述,易损性曲线能够以直观的形式描述桥梁的损伤,这些曲线可以表示为不同强度地震作用下,桥梁结构的地震反应超过不同损伤指标的概率。易损性分析主要有经验分析法和理论分析法,地震易损性的研究发展过程表明,理论分析法技术成熟,应用较广,适合用于分析复杂结构的地震易损性。理论易损性曲线的生成方法主要有超越损伤状态的频数统计法、直接回归概率需求模型线性拟合法和能力需求比模型的曲线拟合法。超越损伤状态的频数统计法需要大量的分析结果,直接选用统计结果是否超越损伤概率容易造成误差,与直接回归概率需求模型的方法相比,能力需求比的曲线拟合法采用二次多项式回归,能减小回归曲线的离散性,并且直接采用能力需求比的拟合标准差计算易损性曲线,更具有客观性,因此本文采用能力需求比模型的曲线拟合法计算易损性曲线。增量动力分析方法是对一条特定地震动输入,通过设定一系列单调递增的地震强度指标,并对每个地震强度指标下的地震输入进行结构弹塑性时程分析,可以得到一系列结构的弹塑性地震响应。增量动力分析方法通过对地震动强度调幅能够反映结构在不同强度作用下的抗震性能,能够对结构的抗震能力做出较为全面、准确的分析,在足够多地震动输入的情况下进行增量动力分析能够全面模拟结构的抗震性能。增量动力分析方法直到最近才得到大量应用,是因为增量动力分析方法依赖于大量的弹塑性时程分析,美国Berkley加州大学的太平洋地震研究中心(PEER)开发的OpenSees(OpenSystemforEarthquakeEngineeringSimulation)的纤维模型由材料特性和截面配筋布置出发,可以同时考虑轴力和弯矩对截面滞回关系的影响,因而理论上精度较高,适应性较广,计算速度相对较快,适合用于进行大量的弹塑性时程分析。本文直接将增量动力分析求得的地震需求除以某一损伤状态对应的损伤指标,将其与地震动强度画在对数正态坐标系下,并进行最小二乘法的二次多项式回归,得到回归均值λ和标准差σ,如式(1)和式(2),并利用式(3)计算结构在不同水平地震作用下结构的损伤超越概率。式中a,b,c——回归统计分析得到的系数;Sr——各离散点对于回归曲线的残差平方和;2输入地震动的影响地震动的模拟是对结构进行地震反应分析的关键步骤,不同地震动输入由于强度、频谱、持时等特性的不同,结构响应差别可能会很大,地震记录表明,即使是同次地震,在同一场地上不同方向上得到的地震记录也不完全相同,对结构和构件进行弹塑性时程分析的结果表明,地震反应随地震动输入的不同,结构或构件的位移、内力等响应量有很大的差异,由于地面运动的不确定性会直接影响到桥梁结构震后的性能状态,因此,要保证能够得到合理的增量动力分析,必须合理的输入地震动。根据已有文献表明,10～20条地震记录对于增量地震分析已经能够取得较好的精度,为充分考虑实际地震动的随机性,同时考虑到我国地震记录较少,本文以《铁路工程抗震设计规范》(GB50111—2006)规定的地震动设计反应谱为目标谱,从美国太平洋地震工程研究中心(PEER)数据库中选取了15条地震记录,根据文献对中美两国规范中的场地土类别的判定,按美国NEHRP规范得到的地表以下30m范围内不考虑是否存在岩石的土层平均剪切波速vs30在510m/s与260m/s之间的场地对应于中国规范的Ⅱ类场地,选取的地震波震中距均大于20km,经过不同程度放大的Ⅱ类场地地震波反应谱与目标谱的对比如图1所示。3结构动力分析选取一座99m高铁路桥梁的圆形斜坡式空心高墩,墩身一坡到底,内坡75:1,外坡40:1,桥墩混凝土强度等级为C35,纵筋采用HRB335级,空心截面按构造在外侧和内侧分别配筋,墩身构造示意图如图2所示。墩身第一阶频率为0.41197Hz,周期为2.427s,第一阶振型质量参与系数仅为44.37%。进行增量动力分析时,利用OpenSees(OpenSystemforEarthquakeEngineeringSimulation)建立圆空心高墩的弹塑性有限元动力分析模型,计算模型中墩柱采用弹塑性纤维梁柱单元模拟,桥墩截面划分为23个纤维单元,为了考虑顶部和底部由实体向空心过渡段墩的抗震性能,以2.6m划分单元,墩身以5m划分单元。约束混凝土纤维的应力应变关系采用Mander模型,钢筋纤维采用Menegotto-Pinto模型。进行增量动力分析时,采用集中质量模型,墩身质量分布在相应节点处,并将与墩柱相邻左右各半跨上部结构质量等效为墩顶集中质量1892t。4计算结果和分析4.1损伤指标选取已有研究表明,高墩在地震作用下,高阶振型引起的地震反应显著,在墩底、墩顶、墩身中部都有可能出现塑性铰,墩底最大曲率与墩顶最大位移发生的时间不同步,材料损伤与变形之间不是一一对应的关系,对于高墩结构无法使用位移损伤指标,因此本文选取从应变状态计算的截面曲率作为墩柱损伤指标。本文利用截面分析软件Xtract对墩身控制截面进行恒载作用下的弯矩曲率分析,控制截面采用各损伤状态对应的曲率作为损伤指标。根据实际震害资料表明,上部梁体在地震中一般不会发生明显的破坏,因此本文不考虑梁体的损伤。墩柱的破坏等级分为无损伤、轻微损伤、中等损伤、完全损伤4个等级,损伤状态及损伤指标描述如表1所示,控制截面各损伤状态下的损伤指标如表2所示。4.2确定地震动强度指标根据陆新征对不同地震动强度指标与结构地震响应指标之间的相关性的研究,以及对结构抗震分析合理选用地震动强度指标提供的建议,本文采用峰值地面加速度PGA作为地震动强度指标。通过一组调幅系数逐一调整选定的15条地震动强度,将每一条地震动调整为峰值加速度PGA从0.1g到1.2g之间的地震动记录,并逐一进行增量动力时程分析,得到圆空心高墩的地震需求响应,绘制出能力需求比与地震动峰值加速度的对数IDA曲线。如图3～图7所示。4.3损伤概率和超越概率图8给出了墩柱不同截面的易损性曲线,从上述分析及图中结果可以看出,由于保护层混凝土开裂时的曲率φc和等效屈服曲率φy比较接近,即表2中第2列轻微损伤状态对应的曲率和第3列中等损伤状态对应的曲率比较接近。图8(a)～(c)中,墩柱不同截面的轻微损伤状态和中等损伤状态的易损性曲线比较接近。图(a)中不同地震动强度等级对应的不同损伤状态的损伤概率大于图(b)和图(c),说明墩底比墩身和墩顶更容易发生损伤。从图8中可以看出,墩底轻微损伤概率90%对应的PGA为0.267g,完全损伤概率50%对应的PGA为1.09g;墩身中部截面轻微损伤概率90%对应的PGA为0.583g,当PGA为1.2g时完全损伤概率为22%;墩顶截面轻微损伤概率90%对应的PGA为0.724g,当PGA为1.2g时完全损伤概率为3.4%。墩身和墩顶在PGA为1.2g时完全损伤的超越概率不足50%,均比较小,说明墩柱的抗震性能很好。钢筋混凝土圆形空心高墩地震损伤超越概率分布的三维图用OXYZ坐标系统表示如图9(a)所示,其中X轴表示损伤的超越概率,Y轴表示地震强度,Z轴表示墩柱标高。钢筋混凝土圆形空心高墩三种损伤超越概率沿墩高的分布如图9(b)、(c)和(d)所示。从图中可以看出,在三种损伤状态下,随着地震动强度的增加,墩柱各截面损伤概率均会增高;在同一地震强度水平下轻微和中等损伤的超越概率中,墩柱各截面的超越概率均较高,而墩柱底部截面在三种损伤超越概率在各截面均中是最高的,说明墩柱底部是最易损的部位。5结构易损性分析本文以99m高的圆空心高墩为例,研究了15条地震动作用下,基于增量动力分析的易损性分析方法,考虑高阶振型的贡献,以材料损伤应变对应的截面曲率为损伤指标得到圆空心高墩的易损性曲线,研究圆空心高墩的抗震性能。根据对圆空心高墩易损性曲线的分析,得到以下结论:(1)由于高阶振型的贡献,墩底最大曲率与墩顶最大位移发生的时间不同步,材料损伤与变形之间不是一一对应的关系,对于高墩结构无法使用位移损伤指标,高墩结构进行易损性分析时,应选取合适的损伤指标,本文选取控制截面的曲率作为损伤指标。(2)从高墩各截面的易损性曲线可以看出,墩底轻微损伤概率90%对应的PGA为0.267g,墩身中部截面轻微损伤概率90%对应的PGA为0.583g,墩顶截面轻微损伤概率90%对应的PGA为0.724g,在地震作用下,墩底、墩身中部、墩顶都易发生破坏,墩底比墩身中部和墩顶更容易发生破坏。(