考虑刚度退化的铁路低配筋混凝土桥墩抗震评估方法.pdf

第 3 2 卷 ， 第 3 期 2 0 1 1年 5月 中 国 铁 道 科 学 CH I NA RAI LW AY SCI ENCE Vo 1 3 2 No 3 M a y， 2 01 1 文章编 号 ：1 0 0 1 4 6 3 2 ( 2 0 1 1 )0 3 0 0 4 1 0 6 考虑 刚度退化 的铁路低 配筋混凝土桥墩抗震评估方法 卢明奇 ，杨庆 山 ，杨 娜 ( 北京交通大学 土木 建筑工程学院 ，北京 1 0 0 0 4 4 ) 摘要：根据已有试验结果 ，得到适用于铁路低配筋混凝土桥墩的荷载位移双折线模型。选取 4类场地的 3 2 0条实际地震记录，利用该双折线模型研究 4 类场地的强度折减系数谱值随桥墩屈服后刚度折减系数变化的规 律 。结果表 明 ：在 考虑 桥墩屈服后刚度退化 的情况下 ，强度折 减系数 谱值 随桥墩屈 服后 刚度折减 系数 的增大 而 降低 ，说 明低 配筋 混凝土桥墩屈服后 的刚度退化越 大 ，桥墩 对地震 的强 度需求越 大 。通 过对 4类 场地 强度折减 系数谱的统计分析，给出考虑刚度退化的三折线型强度折减系数谱以及据此的铁路低配筋混凝土桥墩抗震评估 方法 。 关键词：混凝土桥墩；低配筋 ；刚度退化；刚度折减系数；强度折减系数谱；抗震性能；评估方法 中图分类号 ：U4 4 3 2 2 ：U4 4 2 5 5 文献 标识码 ：A 我 国 铁路 工程抗震设计规范 ( GB 5 0 1 1 1 2 0 0 6 ) 1 中规定钢筋混凝 土桥墩 主筋全截 面配筋率 不应小 于 0 5 ，箍筋 不小 于主筋配 筋率 的 1 4 ， 且不小 于 0 3 ，以满足延性设计 的要求 。但 是 ， 目前仍有大量 已建铁路桥梁桥墩仅配有少量护面钢 筋，截面配筋率低于规范要求 ，这些铁路桥墩截面 延性较差 ，在地震作用下易于破坏 。有必要对上述 低配筋混凝 土桥墩的抗震性能进行评估 ，以便对其 进行加固处理 。目前对铁路混凝土桥墩抗震性能的 研究_ 2 主要是通过试 验方法从桥墩抗震性能 即 自 身能力的角度进行探讨 ，而对低配筋混凝土桥墩的 抗震评估方法研究较少 。本文进行铁路低配筋混凝 土桥墩抗震评估方法研究。 1 铁路低 配筋混凝土桥墩荷载位移 曲 线模 型 文献 E 4 对铁路低 配筋 昆凝土桥墩模型进行 了低周反复加载 试验 ，在 试验 中考虑 了不 同配筋 率、配箍率和剪跨 比对其抗震性能的影响作用 ，试 验桥 墩模 型 的主要 参数 见 表 1 。本 文 根 据文 献 4 试 验结 果绘 制 了不 同配 筋率 和配 箍 率试件 的荷载 位 移 曲线 ，如 图 1 所示 。 表 1 铁路低配 筋混凝土桥墩 试验模型参数 4 4 。 5 3 5 翼 ：3 ： 曩 。 l 1 。 5 5 2 0 3 O 4 O 5 O 6 O 7 O 8 O 位移 mm 试验模 型荷 载位 移曲线 由 图 1 可 见 ，其 荷 载位移 曲线均 可近似 表示 为 图 2所示 的双折线模型。图 2中，K 为低配筋混凝 收稿 日期 ：2 0 1 0 1 l 1 3 ；修订 日期 ：2 0 1 1 - 0 3 0 5 基金项 目：国家 自然科学基金青年科学基金资助项 目 ( 5 1 0 0 8 0 1 3 ) ；山东省交通科技计划项 目 ( 2 0 0 9 Y0 0 7 ) ；北京交 通大学基本科研业 务 费专项基金资助项 目 ( 2 0 0 9 J B M0 6 0 ) 作 者介绍 ：卢 明奇 ( 1 9 7 8 一 一) ，男 ，黑龙江齐齐哈尔人 ，讲师 ，博士 。 0 1 图 O 4 2 中国铁道科学 第 3 2卷 土桥墩初始刚度 ；O t 为刚度折减 系数 ；P ， 和 分别为屈服力、屈服位移 和极 限位移 ；y为极 限状态时荷载下降系数 。 P 图 2 低配筋混凝土桥墩荷载位移双折线模型 由图 2可得桥墩 的极限位移 一 4 - 一 4- ( 1 ) 桥墩的位移延性系数 一 一 1 4- ( 2 ) 。 a 根据 铁路工程抗震设计规范 ( G B 5 0 1 1 1 2 0 0 6 ) ，建议取荷载下降至 0 8倍最大抗力作为破 坏抗 力 ，即 当 达 到 极 限 位 移 时 对 应 的 荷 载 ( 1 7 ) P = = ： 0 8 P y ， 所 以 ) ， 可取为 0 2 。 2 铁路低配筋混凝土桥墩强度折减系 数谱 强度 折减 系数 反 映 了结 构在地震 作用 下的强 度 需求 ，是基于位移和能力谱抗震设计的重要指标。 目前 ，国内外研究者已经对强度折减系数谱展开 了 一 系 列 的 研 究 ，并 取 得 了很 多 重 要 的 研 究 成 果 n 。但研究多是在给定体系的位移延性系数且 忽略屈服后刚度和强度退化对强度折减系数影响条 件下进行 的。对 于低 配筋混凝 土桥 墩，由式( 2 ) 可知，其位移延性系数与刚度折减系数以及极限状 态下荷载下降系数均相关 。因此 ，本文采用图 2所 示的低配筋混凝土桥墩荷载位移双折线模型，考虑 屈服后刚度和强度退化的影响，进行低配筋混凝土 桥墩 的强度折减系数谱研究 。 2 1 地震 记 录的选取 本文从美 国 P E E R地震 记录数据库中选取了 与 铁路工程抗震设计规范 ( GB 5 0 1 1 1 2 O O 6 ) 相符的 I 类场地各 8 O条 ，合计 3 2 0条地震记 录 ，根据不同场地类型， 计算其动力放大系数 谱 曲线并进行统计平均，将得到的平均谱曲线与 铁 路工程抗震设计规范 ( G B 5 0 1 1 1 -2 0 0 6 )中的 设计谱曲线进行 比较，如 图 3所示 。可见选取的 4 类场地地震动记录特性符合我国规范要求。 2 2 强度折减系数谱 本文用上述选取 的不 同场地 的 3 2 0条地震记 录，采用图 2所示的荷载位移双折线模型考虑刚度 和强度退化，计算 4 类场的强度折减系数谱 ，计算 中刚度折减系数 口分别取 0 0 5 ，0 1 ，0 2和 0 4 ， 阻尼比 取 5 ，得到图 4所示不同场地的平均强 度折减系数谱。由图 4 可见，强度折减系数谱值随 着 a增大而降低 ，说明低配筋混凝土桥墩的屈服后 刚度退化越大，桥墩对地震的强度需求将增大。 图 5 给出了周期分别为 0 2 ，2 0和 3 0 S ，阻 尼比 为 5 时不 同场地平均强度折减系数与 a的 关系曲线。由图 5 可见 ，不同场地的平均强度折减 系数 R随0 的增大而减小 ；周期越长 ，R值越大 ； 当 a较小时，不同周期 的 R差别较大，当 a较大 时，不同周期的R差别不大。 为方便实际工程应用 ，本文根据计算得到的 4 类场地不同刚度折减系数 a下的平均强度折减系数 谱，提出了图 6所示 的 3 折线型强度折减系数谱。 通过统计回归，得到 了不 同场地条件 、a 0 4情 况下图 6中控制点 A，B和 c的坐标 ，见表 2 ，其 中 为场地特征周期。 3 铁路低配筋混凝土桥墩抗震评估方 法 利用本文提出的考虑屈服后刚度退化的三折线 型强度折减系数谱可对低配筋混凝土桥墩进行抗震 评估 ，具体步骤如下。 ( 1 ) 按 照铁 路 工 程 抗 震 设 计 规 范 ( GB 5 0 1 1 1 2 O 0 6 )建议的 J9 设计谱 曲线和设计地 震动参数计算弹性加速度谱曲线 。 ( 2 )通过静力弹塑性分析得到低配筋混凝土桥 墩结构的能力谱 曲线 ，通常为图 2 所示的双折线形 式 ，由能力谱曲线得到刚度折减系数、结构 自振周 期和强度最大值 。 ( 3 )根据已知的场地条件、刚度折减系数和结 构 自振周期，利用本文提出的三折线型强度折减系 第 3期 考虑刚度退化的铁路低配筋混凝土桥墩抗震评估方法 4 3 2 5 O 2 0 0 1 5 O 1 0 0 O 5 O 7 0 6 0 螽5 o 垛 羹 o 黑3 0 2 O 1 O 8 0 7 - 0 0 5 o 辖 餐 4 _() 3 O 2 0 1 0 0 ( a )I 类场地 5 1 0 2 0 3 0 4 O 5 O 、 督 _ K R 2 5 0 2 o o 1 5 O 1 0 0 0 5 O 0 1 0 2 0 3 0 40 5 0 周期 s ( b ) I I 类场地乒5 周期 s 周期 s ( c )I I I 类场地 5 ( d ) 1V类场地 5 图 3 不 同场 地条件下的动力放大 系数谱 曲线 周期， s ( a ) I 类场地乒5 7 O 6 0 鬟 -0 蔷4 o 骥 3O 20 1 0 周 期 s ( b )I I 类场地4 -： 5 周期f s 固娟f s ( c ) I I I 类场地 5 ( d ) 类场地乒5 图 4 不 同场 地条件下的平均强度折减 系数谱 餐 饕 需 籁 暖 中国铁道科学 第 3 2卷 纛 楚 蕊 口 ( a ) I 类场地乒5 O 垛 骥 鳝 骥 ( b ) I 1 类场地乒5 ( c ) I 类场地 5 ( d ) 类场地乒5 图 5 不同场地的平均强度折减系数与 a 关系曲线 图 6 3折线 型强度折减系数谱 数谱确定适用于该桥墩的强度折减系数 ，并以此强 度折减系数对上述得到的弹性加速度谱曲线进行折 减 ，得到设 计地震 作用 下桥墩 的强度 需求谱 。 ( 4 )比较桥墩能力谱曲线最大值与同周期下桥 墩强度需求谱值 ，若前者大于后者 ，则桥墩满足设 计地震作用下的强度需求；反之，则不满足 ，需进 行抗震加固。 现应用上述方法对某铁路低配筋混凝土简支梁 桥桥 墩 进 行 抗 震 评 估 。该 桥 位 于 8度 地 震 区 ( 0 3 g ) ，类场地 ，第 1分 区。双柱式桥墩墩高 为 1 5 m，墩身 为 z z mx3 3 m 的矩 形截面 ，立柱 间距为 2 4 m，如图 7 所示 。上部简支箱梁重量为 5 0 3 6 t 。墩身材料采用 C 3 5混凝土，墩柱采用 8 2 根 1 6 mm的纵筋和 1 O mm的箍筋 ，箍筋 间距为 1 0 0 mm。纵筋配筋率 为 0 2 2 7 ，体积配箍率为 0 2 2 2 9 5 表 2 4 类场地下 3折线型强度折减 系数谱控制点坐标 场地 I 类 类 类 拳 O 0 8+O 4 1 Tg O O 8+ 0 4 1 O 0 8+O 4 1 0 0 8 + 0 41 竺 ! l _ 3 2 + 3 3 8 e ( 一 o 1 6 ) 1 2 9+ 3 9 e ( 一 0 l 4 1 2 2 + 2 7 4 e ( 一 o 0 2 0 9 5 + 2 6 4 e ( - o 2 4 ) 一 0 3 7 +4 6 8 O 3 7 +4 6 8 O 3 7 + 4 6 8 一 O 3 7+ 4 6 8 1 L 3 5 + 7 0 3 e ( 一 a 3 5 ) 1 2 7 + 6 9 2 e ( a o 1 3 ) 1 3 7 七 7 C一。 o 1 3 ) 1 2 9 + 6 3 6 e ( 一a o I 5 ) 1 4 3 + 7 6 8 e ( 一 o 1 3 ) 1 2 5 + 8 0 8 e ( 一 o o 1 3 ) I 3 7 + 9 4 8 e 卜 n 1 3 ) 1 4 8+ 1 0 4 8 e ( 一 o 1 1 ) 籁峨鳝辗 麓 第 3期 考虑刚度退化的铁路低配筋混凝土桥墩抗震评估方法 4 5 ( a ) 正面 ( b ) 侧面 ( c ) 截面 图 7 双柱式桥墩 首 先 由 铁 路 工 程 抗 震 设 计 规 范 ( G B 5 0 1 1 1 -2 0 0 6 )建议的 口 设计谱曲线得到设防 烈度为 8度的弹性加速度谱 曲线 ，如图 8所示。然 后利用静力弹塑性分析方法计算该双柱式桥墩的能 力谱 曲线 ，如图 9所示 。由图 9 得到刚度折减系数 12 一-0 0 7 ，结构 自振 周期 丁一0 6 2 S ，能力谱 曲线 的强度最大值为 0 5 3 7 。再 由图 6和表 2 ，根据 已 知的刚度折减系数和结构 自振周期 ，求得对应于该 圈 8 8 度区弹性加速度设计谱和折减后的加速度谱 周期下的强度折减系数谱值 R=4 2 9 。按照所求得 的强度折减系数对弹性加速度谱曲线进行折减 ，如 图 8所示。上述该双柱式桥墩的能力谱曲线的强度 最大值为 0 5 3 7 ，而图 8中对应于 T=0 6 2 S 时的 谱值为 0 1 6 9 ，显然前者大于后者 ，桥墩满足设计 地震作用下的强度需求 ，无需进行抗震加固。 j 型 熟 位移谱值 m 图 9 双柱式桥墩的能力谱曲线 4 结论 ( 1 )铁路低配筋混凝土桥墩的荷载位移曲线呈 双折线形 ，因此需考虑刚度折减系数 a 对地震强度 需求的影响作用。 ( 2 )强度折减系数谱值随着 a增大而降低 ，说 明低配筋混凝土桥墩的屈服后刚度退化越大，桥墩 对地震的强度需求越大；a较小时 ，不 同结构周期 的R值差别较大， 较大时 ，不同结构周期的 R值 差别不大。 ( 3 )本文在对 4 类场地 的强度折减系数谱统计 分析 的基础上提出了考虑屈服后刚度退化的三折线 型强度折减系数谱 ，并给出了据此的低配筋混凝土 桥墩抗震评估方法。 参 考 文 献 中华人民共和国铁道部GB S 0 1 1 1 - - 2 0 0 6铁路工程抗震设计规范 S 北京：中国计划出版社，2 0 0 6 刘庆华 ，阎贵平低配筋混凝 土桥 墩抗震 性能的实验研究 E J 3 北方交通大学学报 ，1 9 9 6 ，2 0 ( 5 ) ：5 1 7 5 2 1 ( I I U Qi n g h u a ， YAN Gu i p i n g Ex p e r i me n t a l S t u d i e s o n S e i s mi c B e h a v i o u r o f R e i n f o r c e d C o n c r e t e B r i d g e P i e r s E J J o u r n a l o f No r t h e r n J i a o t o n g Un i v e r s i t y，1 9 9 6 ，2 0 ( 5 ) ：5 1 7 5 2 1 i n Ch i n e s e ) P I NTO A V，MOLI NA J ，TS I ONI S GCy c l i c Te s t s o n L a r g e - S c a l e Mo d e l s o f Ex i s t i n g B r i d g e P i e r s wi t h Re c t a n g u l a r Ho l l o w C r o s s S e c t i o n J E a r t h q u a k e E n g i n e e r i n g a n d S t r u c t u r a l D y n a mi c s ，2 0 0 3 ， 3 2( 1 3 ) ： 1 9 9 5 2 0 1 2 鞠彦忠低配筋圆端型铁路桥墩的抗震性能研究 D 北京：北京交通大学，2 0 0 4 ( J U Ya n z h o n g S t u d y o n Se i s mi c P e r f o r ma n c e o f Ro u n d - En d e d Ra i l wa y Pi e r s wi t h Lo w Lo n g i t u d i n a I S t e e I Ra t i o L 【 t 3 e ij i n g ： B e i j i n g J i a o t o n g Un i v e r s i t y ， 2 0 0 4 i n C h i n e s e ) 孙卓 ，李建 中，闫贵平 ，等钢筋混凝 土单柱式桥墩抗震 性能试 验研究 同济大学 学报 ： 自然 科学版 ，2 0 0 6 ， 3 4 ( 2 )： 1 6 0 1 6 4 ( S UN Z h u o，LI J i a n z h o n g，YAN Gu i p i n g，e t a 1 Ex p e r i me n t a l S t u d y o n S e i s mi c Pe r f o m a n c e o f Re i n f o r c e d Co n c r e t e 下 1 2 3 4 5 r L 4 6 中国铁道科学 第 3 2卷 On e - C o l u mn B r i d g e P i e r s J J o u r n a l o f T o n g j i Un i v e r s i t y ：N a t u r a l S c i e n c e ，2 0 0 6 ，3 4( 2 ) ：1 6 0 1 6 4 i n Ch i n e s e ) L 6 CHUNG Y S ， P AR K C K，L E E D HS e i s mi c P e r f o r ma n c e o f R C B r i d g e P i e r s S u b j e c t e d t o Mo d e r a t e E a r t h q u a k e s L J S t r u c t u r a l E n g i n e e r i n g a n d Me c h a n i c s ， 2 0 0 6 ，2 4( 4 ) ： 4 2 9 4 4 6 L 7J O R D AZ M，P E R E Z R L E E s t i ma t i o n o f S t r e n g t h - R e d u c t i o n F a c t o r s E l a s t o - P l a s t i c S y s t e rns ： a Ne w Ap p r 0 a c h r J E a r t h q u a k e En g i n e e r i n g a n d S t r u c t u r a l Dy n a m i c s ，1 9 9 8 ， 2 7：8 8 9 9 0 1 8 L E E L H， HA N S ， OH Y HD e t e r mi n a t i o n o f D u c t i l i t y F a c t o r s E l a s t o - P 1 a s t i c Hy s t e r e t i c Mo d e l s r J E a r t h q u a k e E n g i n e e r i n g a n d S t r u c t u r a l Dy n a mi c s ， 1 9 9 9 ，2 8 ：9 5 7 9 7 7 9 F M F AR P I C a p a c i t y S p e c t r u m Me t h o d B a s e d o n I n e l a s t i c Dema n d S p e c t r a J E a r t h q u a k e E n g i n e e r i n g a n d S t r u c t u r a l Dy n a mi c s ，1 9 9 9 ，2 8 ( 9 )：9 7 9 9 9 3 1 0 卓卫东，范立础结构抗震设计中的强度折减系数研究 J 地震工程与工程振动，2 0 0 1 ，2 1( 2 ) ：8 4 8 8 ( Z HUO We i d o n g ， F A N L i c h u On S t r e n g t h R e d u c t i o n F a c t o r s Us e d f o r Sei s mi c De s i g n o f S t r u c t u r e s r J E a r t h q u a k e En g i n e e r i n g An d En g i n e e r i n g Vi b r a t io n，2 0 0 1，2 1 ( 2 ) ：8 4 8 8 i n Ch i n e s e ) 1- 1 1 王东升，李宏男，王国新统计意义一致的弹塑性设计位移谱 J 大连理工大学学报， 2 0 0 6 ，4 6( 1 ) ：8 7 9 2 ( W ANG Do n g s h e n g，LI Ho n g n a n，W ANG Gu o x i n S t a t i s t i c a l P r o p e r t y - C o n s i s t e n t El a s t i c - Pl a s t i c Di s p l a c e me n t De s i g n S p e c t r a J J o u r n a l o f D a l i a n Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y ， 2 0 0 6 ，4 6( 1 ) ：8 7 9 2 i n C h i n e s e ) S e i s mi c Ev a l u a t i o n M e t h o d o f RC Ra i l wa y Pi e r s wi t h Lo w S t e e l Ra t i o s Co ns i d e r i ng S t i f f n e s s De g r a d a t i o n L U Mi n g q i ，YANG Qi n g s h a n ，YANG Na ( S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g ，B e i j i n g J i a o t o n g Un i v e r s i t y ， B e ij i n g 1 0 0 0 4 4 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：Fr o m t h e e x i s t i n g e x p e r i me n t a l r e s u l t s ，i t c a n b e f o u n d t h a t t h e P一 l o a d d i s p l a c e me n t c u r v e o f RC r a i l wa y p i e r s wi t h l o w s t e e l r a t i o s c a n b e d e s c r i b e d a s a d o u b l e - b r o k e n l i n e mo d e 1 Th e n t h e t o t a l o f 3 2 0 e a r t h q u a k e r e c o r d s f o r 4 t y p e s o f s o i l c o n d i t i o n s we r e s e l e c t e d ，a n d t h e r u l e t h a t t h e s t r e n g t h r e d u c t i o n f a c t o r s p e c t r a f o r 4 t y p e s o f s o i l c o n d i t i o n s v a r y i n g wi t h t h e s t i f f n e s s r e d u c t i o n f a c t o r s wa s s t u d i e d b y t h e p r o p o s e d d o u b l e - b r o k e n - l i n e mo d e 1 I t c a n b e s e e n t h a t u n d e r t h e c o n d i t i o n o f c o n s i d e r i n g s t i f f n e s s d e g r a d a t i o n ，t h e v a l u e s o f t h e s t r e n g t h r e d u c t i o n f a c t o r s p e c t r a wi l l d e c r e a s e wi t h t h e i n c r e a s i n g o f t h e s t i f f n e s s r e d u c t i o n f a c t o r s I t i n d i c a t e s t h a t t h e s e i s mi c s t r e n g t h d e ma n d s wi l 1 i n c r e a s e i f t h e s t i f f n e s s d e g r a d a t i o n o f RC r a i l wa y p i e r s wi t h l o w s t e e l r a t i o s b e c o me s d i s t i n c t i v e Fr o m t h e s t a t i s t i c a l a n a l y s i s o f t h e s t r e n g t h r e d u c t i o n f a c t o r s p e c t r a f o r 4 t y p e s o f s o i l c o n d i t i o n s ，t h e t r i l i n e a r s t r e n g t h r e d u c t i o n f a c t o r s p e c t r a c o n s i d e r i n g s t i f f ne s s de gr a d a t i o n we r e gi v e n a n d t h e s e i s m i c e va l ua t i o n me t h o d o f RC r a i l wa y pi e r s wi t h l o w s t e e l r a t i o s wa s pr o po s e d Ke y wo r d s ： RC p i e r；Lo w s t e e l r a t i o；St i f f ne s s de g r a da t i o n；S t i f f n e s s r e du c t i o n f a c t o r ；St r e n g t h r e du c t i o n f a c t o r s p e c t r a ；S e i s mi c b e h a v i o r ；Ev a l u a t i o n me t h o d ( 责任编辑吴彬)