钢筋混凝土桥墩延性抗震性能计算方法研究.pdf

s一 一 钢筋混凝土桥墩延性抗震性能计算 刘 书 杰 ( 上海 市政 交通设 计研 究 院有 限公 司 ， 上海 2 0 0 0 3 0 ) 方法 研 究 摘 要 ： 结合实例分析 ， 通过对 M N曲线数值分析 、 截面弯矩一 曲率 曲线数 值分析 和静力 弹塑性分析 三种计算 压弯构件 承载 力方 法 的比较研究 ， 得出截面弯矩一曲率曲线数值分析和静力 弹塑性分析 可充分考 虑桥墩 屈服后 的延性性 能 ， 并在 计算结 果上可 相互 佐证 ， 而在设计地震作用下利用 M N 曲线数值分析将结构设计成完全弹性是不切实际也不经济的。 关键词 ： 延性 ；M N曲线 ； 弯矩 一曲率曲线 ； 静力弹塑性分析 0 弓 I 言 桥梁结构是生命线工程系统 中的关键部分 ， 在地震 发生后 的紧急救援 和抗震 救灾 、 灾后 重建 中有着极 其重 要 的作 用 。因此 ， 桥 梁 在 地震 中一 旦 遭 受 了严 重 的破 坏， 必然给救灾工作造成巨大困难 ，而且可能使次生灾 害加重 ， 从 而导致非 常 巨大 的经 济损 失 。为此 ， 桥 梁 结 构地震 可靠 性和抗震性 能问题成为人们关 注 的焦点 。 桥梁结构 的抗震计算理论经历了静力法 、 反 应谱 法 和时程 分析 法三个 阶段 。 目前 ， 延 性设 计 、 减 隔震设 计 等方法 已在 各 国抗震 规 范 中得 到不 同程 度 的应 用 。 我 国现 行 抗 震 规 范 J T G TB 0 2 0 1 2 0 0 8 公 路 桥 梁 抗 震设计细则 在具体设计 方法上摈弃了 8 9版 公路工 程 抗震 设计 规范 概念 模糊 的综合 影 响 系数 C， 建 立 起 延 性构 件与 能力 保 护 构件 之 间 的梯次 关 系 ， 完 善 了桥 梁 的延 性抗 震理 论_ 1 。 延 性 ， 通常 是指 在 初 始强 度 没 有 明显 退 化 情 况 下 的非 弹性变 形 能力 ， 它 包括 两个 方面 的能力 ： 一 是承 受 较大的非弹性变形 ， 同时强度没有明显地下降 ； 二是利 用 滞 回特性 吸 收能量 的能 力 。一 般 的中大 型桥 梁结 构 均要求 在 大地震 激起 的反 复弹塑 性变 形循 环下 即使 严 重损 伤也 不致 倒塌 ， 这就 对 桥 梁 结构 的非 线 性变 形 能 力提 出 了要求 。 1 桥墩延性抗震性能的计算方法 桥梁 结构 的抗 震性 能很大 程度 上取决 于桥 墩 的抗 震性 能 。而桥 墩 的抗 震 性 能 与 截 面形 式 、 纵 向钢筋 的 配筋率 、 钢筋的强度 、 横向箍筋的配箍率及配箍形式等 因素有关 。在上述相关 因素确定的情况下 ， 用什么方 法来评价桥墩的抗震性能就显得尤其重要 。 收 稿 日期 ： 2 O 1 3 0 4 0 1 4 4 上 咯 N 。 3 2 0 1 3 一 般 钢筋 混凝 土 桥 墩均 属 压 弯 构件 ， 其 随 着 荷 载 的不 断增 加 ， 要 经历 弹 性 、 混凝 土 开 裂 、 受拉 钢 筋 屈 服 及 屈服后 延性 发展 四个 阶段 。国内规 范针对 混 凝 土构 件不 同的工 作 阶段 提 出 了相 应 的 计 算方 法 ， 主要 有 三 种 ： 截 面承 载 力 M N 曲线 数值 分 析 、 截 面 弯 矩 一 曲率 ( M一 )曲 线 数 值 分 析 及 静 力 弹 塑 性 分 析 ( P u s h o v e r)。 1 1 截面 承载 力 M N曲线数值 分 析 本方法主要计算桥墩在弹性阶段的截 面承载力 ， 其相 关公 式均需 满足 以下假 定 条件 J ： ( 1 ) 截 面在受 力 过程 中始终 保持 平 面 ； ( 2 ) 不 考虑 混凝 土 的抗 拉 能力 ； ( 3 ) 混 凝 土及钢 筋 的应 力 一应变 关 系呈线 性 。 虽然 受拉 混凝 土在 弹性工 作 阶段 也 有一 定 的塑 性 变 形 ， 但 截 面 抗 弯刚 度 较大 ， 挠 度 和 截 面 曲率 很 小 ， 荷 载 一挠度 曲线 或弯 矩 一曲率 曲线基 本接 近直 线 。 偏心 受 压 构 件 的典 型 M N 曲 线 见 图 1 ， 图 中 B ( M ， N ) 是 大 小偏 心 的 分 界 点 ， 任 意 内力 组 合 C( M， N) 若 在 AB段 表 示是 大 偏 心 受 压 ， 若 在 B D段 表 示 是 小 偏心 受压 。 图 1 正截面承载 力 M- N曲线 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 桥梁结构在使用期内遭 受强震 的概率很小 ， 在设 计地震作用下将结构设计成完全弹性是不切实际也不 经济 的 。在强 震 作 用 下 容许 结构 进 入 塑 性 ， 从 而 利 用 结 构 的延 性来 抗震 。 1 2 截 面弯 矩 一 曲率 ( M- 咖) 曲线数 值分 析 采用延性概念设计抗震结构， 要求结构具有 的延 性 能力 要超 过 延性需 求 。各 国现 行结 构抗 震设 计 规 范 所 采用 的延 性 抗震设 计 是通 过确 定强 度折 减 系数 或结 构破坏准则来 实现 的。截 面弯 矩 曲率 ( M一 咖) 曲线 数 值分 析法 即基 于 变形 破坏 准则 。 一 般用曲率延性系数 1 和位移延性系数 两个 量化 指标来评 价 结构 的 延性 。曲率延 性 系 数通 常 用 于 反应延性构件临界截面的相对延性； 位移延性系数则用 于反应 延性构件 局部 以及延 性结构整体 的相对延性 。 旷 Z y 一 一一 式 ( 1 ) 中 ： 咖 为 塑性 铰 区 截 面 的屈 服 曲率 ； 为 塑 性 铰区截 面的极 限曲率 ； 为延性构件 的屈服位移 ； 为延 性构 件 的极 限位移 。 1 I 一 1 ， n、 一 十 万 而 式 ( 2 ) 中 ： l 为 等 效 塑 性 铰 长 度 ； z 为 悬 臂 墩 的高 度 或 塑性 铰截 面到 反弯 点 的距离 。 通过对钢筋混凝土桥墩截面的 M- 4,分析( 见图 2 ) ， 可以得出其塑性铰 区域截面的曲率延性系数和各阶段 的截面承载 力 ， 并 有式 ( 2 ) 进一 步 得 到桥 墩 塑性 铰 区 域 截 面的位移延性 系数 。在 分析之前需 要做 以下假 设 ： M M My My O 戒 图 2 弯 矩一曲率 曲线 ( 1 ) 桥 墩截 面应 变分 布规 律符 合平 截 面假定 ； ( 2 ) 钢 筋与 混 凝 土 之 间充 分 黏 结 ， 变 形 协 调 ， 相 互 问没有 滑移 ； ( 3 ) 不考 虑 混凝土 的抗 拉性 能 。 在进行桥墩截面 M- 4,分析时， 屈服曲率 定义为 截 面最外层受 拉钢 筋初 始屈 服 或截 面 混凝 土 受压 区最 外层纤维初次达到峰值应变时的曲率 ； 极限曲率咖 定 义为 核心混凝 土或拉 压 钢筋 达 到极 限应 变 或 临界截 面 的抗弯能力下降到最大弯矩值的 8 5 时的曲率 。 1 3 静 力弹 塑性分 析 ( P u s h o v e r ) P u s h o v e r 分析是考虑构件的材料非线性特点， 分 析构 件进 入 弹 塑 性 状 态 至 极 限 状 态 时 结 构 响 应 的 方 法 。本分 析方 法是 一 种 基 于性 能 的耐 震设 计 方 法 ， 主 要应用 于 高阶 振型 的振 动特性 不是很 突 出的结 构 。 本分析方法允许设计人员在设计地震作用下设定 结构的破坏程度或者耗能能力， 并使结构设计满足设定 的 目标性能 。结构 的耗能能力 与结 构的变 形能力 相关 ， 所以基于性能的耐震设计经常通过评价结构的变形来 实 现 。P u s h o v e r 评价 结构 变 形性 能 时可 产 生 图 3 所 示 的荷载一变形反应谱 ， 能力谱曲线与需求谱曲线的交点 即为性 能点 ( 最大 内力及 最大位 移点 ) ， 性 能点 若处 于 目 标性能范围内， 即可判断为达到了所设定的 目标。 0 图 3能力谱与需求谱 曲线 P u s h o v e r 分析 是 用 静力 加 载 代替 动 力加 载 ， 便 于 设计人员 快速地 认识设计 的薄 弱环节 ， 以便 对结 构 的总体 和局部需求 提供合 理 的设计 。但该方法不能 反映循环荷 载对结 构产生 的累积损 伤 ， 不 同的水平 加载模式会 产生 不 同的结 果 ； 考 虑高振 型时 准确性 值得商榷 ； 分析过程 中构件的梁 一柱效应( P _ 效应 ) 不 容 忽视 。 2 实例分 析 上海 市新林 公 路 上 的 金 汇港 桥 为一 座 6 6 5 m+ 1 0 8 m+6 6 5 m 三跨 变 截 面 预 应 力 混 凝 土 连 续 梁 桥 ( 见 图 4 ) ， 截 面全 宽 3 2 6 r n ， 分 双 幅布 置 ， 中 央分 隔带 1 0 m， 三向预应力体系。主桥中墩采用 3 8 m“ 哑铃 N o 3 2 0 1 3上冯么姥 4 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 型 ” 桥墩 ， 边墩 采用 双 柱 加 预应 力 盖 梁 形 式 ， 墩 柱截 面 外形 为 1 6 1 8 m 矩 形 。 I I ll l 现状实施问床断面 I I Il I 。 图 4金汇港桥桥跨布置( 单位 ： m) 采 用 mi d a s c i v i l 2 0 1 2建 立 了全 桥三 维空 间 模 型 ， 并 对 中边墩 进 行 了截 面 M一 咖曲线 数 值 分 析 和 P u s h o v e r 分 析 ( 中墩分 析结 果见 图 5 图 7 ) ， 混 凝土 本构关 系 采用 的是 Ke n t P a r k模 型 。 C u r v a t u r e X 1 0 一 ( 1 m) 图 5中墩 M- 曲线 图 5中墩 屈 服 曲 率 和 极 限 曲 率 咖 分 别 为 0 0 0 2 4 和 0 0 3 3 ， 对应 的屈服弯矩 和极 限弯矩分别 为 1 5 8 5 6 7 k N m 和1 8 6 5 7 0 k N m。 图 6显示 中墩性 能点 位于能力谱 的塑性发展阶段 ， 图 7的能力谱曲线显示 在 P u s h o v e r 分析 的第 1 0步 和第 2 7步 中墩 分 别 达 到 了屈服弯 矩 和 极 限弯 矩 ， 结 果 分 别 为 1 5 9 0 8 2 k N m 和 1 7 6 2 8 3 k N m。 两 种计 算结果 基本 一致 。 0 5 0 45 0 4 0- 3 5 0 3 2 5 0 2 0 1 5 0 1 0 0 5 O o o Ol o 0 20 o 3 o 0 4 0 o 5 0 0 6 o 【 ) 7 o O 8 o 0 9 o 1 o 1 1 位移谱， s d 图 6 中墩能力谱 与需求谱 曲线 4 6 上 么姥 N o 3 2 0 1 3 目 Z 色 枷 _一 ， ， J ， f J ， f - o 2 0 4 0 6 0 8 0 1 o o l 2 0 1 4 o 1 6 o 1 8 0 2 0 0 2 2 0 步 骤 图 7 中墩 能 力 谱 曲线 上述 三种方 法计算 的 中边墩 承 载 能力 见 表 1 。数 据显示 从 混凝 土开裂 到截 面屈 服 承 载能 力 提高 了 2 3倍 ， 截 面屈 服后 承载能 力并 没 有 较 大 的提 高 ， 主要 是 塑性 铰 区域 的延 性 发展 。 表 1计算结果比较 k N i n 项目 M N M一 西 Pu s h o v e r 中墩顺 开裂弯矩 3 7 3 7 5 3 8 7 9 9 屈服弯矩 1 5 8 5 6 7 1 5 9 0 8 2 桥 向 极限弯矩 l 8 6 5 7 O 1 7 6 2 8 3 开裂弯矩 4 l 7 3 3 9 3 5 边墩顺 屈服弯矩 1 4 9 2 3 l 3 8 5 3 桥 向 极限弯矩 1 6 2 4 7 1 5 5 3 7 3 结 语 ( 1 ) 截 面承载 力 M N 曲线数值 分 析仅考 虑 桥墩 弹 性 阶段 的工作 性 能 ， 在抗 震设计 中并不适 宜 ， 鉴 于其 方 法 简单 易操作 ， 可 用该方 法来 初估 桥墩 尺寸 。 ( 2 ) 截 面弯矩 一 曲率 曲线 数 值 分 析结 果很 大 程 度 上取决 于混凝 土 材料本 构模 型 的选 择 和屈服 曲率 与极 限 曲率 的判 断 。 ( 3 ) 静力 弹塑 性分 析 不 仅 可 以评 价 桥 墩 进 入 弹塑 性 阶段 的 响应 和 抵 抗 能力 ， 而且 可 以 了解 桥 墩各 部 位 的屈 服顺序 ， 为设 计 、 维修 和加 固提供 计算依 据 。 ( 4 ) 两 种方法 计算 结果 相差无 几 ， 但基 于 的破 坏准 侧却不 同。基于 性能 的破坏 准则允 许设 计人 员 预先 设 定结构 的 目标性 能 ， 在 实际应 用 中有更 大 的 自主空 间 ， 将是 未来 的发展 趋势 。 参考 文献 ： 1 管仲 国， 李建 中 城市高架桥合理抗 震体 系选 择与经济性对 比 J 地震工程与工程振动 ， 2 0 1 1 ， 3 l ( 3 ) ： 9 卜9 8 2 3 J T G D 6 2 2 0 0 4公路钢筋 混凝土 及预应力 混凝土 桥涵 设计 规范I s 1- 3 范立础 ， 卓卫东 桥梁延性抗震设计 M 北京 ： 人 民交通 出 版 社 ， 2 0 0 1 猢 瑚 瑚 0 咖咖咖咖咖咖咖啪咖咖 瑚 啪啪 踮 加 昌 z 售0 暑 0 蓦 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m