钢筋混凝土桥梁结构横向塑性倒塌分析.pdf

1 8 6 科技研究 城 市道桥 与防洪 2 0 1 4 年 1 0 月第 1 0 期 钢筋混凝土桥梁结构横向塑性倒塌分析 黄华 ( 上海市政工程设计研究总院( 集团) 有限公司武汉分院， 湖北武汉 4 3 0 0 7 7 ) 摘 要： 通过将桥墩墩顶在单位水平向地震力作用下的变位分解为桥墩的弹性弯曲变位、 基础平动产生的变位及基础转动产生的变 位之和， 将各墩用刚性的上部结构相连接 ， 从而建立了桥梁横桥向抗震性能评估的塑性倒塌分析模型。通过计算对应于不同极限状 态的结构等效弹性反应惯性力及等效地震加速度 ， 对桥梁结构在地震作用下的安全性及抗震能力作出评价。 关键词 ： 桥梁结构 ； 延性分析 ； 塑性倒塌分析； 抗震性能评估 中圈分类号： U 4 4 2 5 * 5 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 9 7 7 1 6 ( 2 0 1 4 ) 1 0 - 0 1 8 6 0 3 0 引言 1 桥墩的荷载 一变形关系及延性能力 桥梁工程为生命线工程f 一般指城市供水、 供 电、 供气、 电信 、 交通等基础设施) 之一， 而其破坏 造成震后救灾工作的巨大困难， 使次生灾害加重。 特别是对现代化城市， 将影响生产的正常运转， 导 致巨大的经济损失 ， 因此， 对桥梁结构进行抗震分 析意义重大。对桥梁结构作抗震性能的全面评估 ， 应包括纵向地震作用与横向地震作用下结构的抗 震性能，目前常用的分析方法是采用非线性地震 反应分析方法，并从能力设计原则对结构的抗震 性能进行综合评价【 l 】 。 桥梁结构作为一个完整的受力体系，在地震 作用下其破坏是从局部开始的，尤其是下部结构 的破坏会直 接导致承 载能力完全 丧失后 落梁 、 倒 塌等事故。对桥梁结构的抗震分析主要是对下部 墩柱抗震性能 的研究 ， 目前 常用的分析方法包括 线弹性反应谱法、 弹塑性动力时程分析法、 等效静 力分析法( P u s h o v e r ) 等。桥梁结构的塑性倒塌分 析方法是近年来应用比较广泛的一种非线性塑性 倒塌机理分析方法，通过分析结构的非线性变形 能力来评价它的抗震能力。塑性倒塌分析在对逐 个桥墩进行塑性倒塌分析的基础上，将各墩用刚 性的上部结构相连接，通过计算对应于不同极限 状 态( 正常使用极 限状 态 、 结构最 终极 限状 态 ) 的 等效 弹性反应惯性力及地震加速度 ，再与设计反 应谱或桥址处的实际反应谱加速度进行比较， 从 而判断桥梁结构的安全性及抗震能力。该方法与 通常的非线性动力分析相比， 具有计算简单、 结果 明确等优点 。 收稿 日期 ： 2 0 1 4 - 0 5 2 0 作者简介： 黄华( 1 9 7 9 一 ) ， 男， 湖北荆州人 ， 硕士， 工程师， 从事 桥梁设计工作。 一 般而言 ，桥墩承受单位水平 向地震 力作用 时， 其地震力中心处总变位 可分解为桥墩自身弹 性弯曲变位 1 、 由弹性基础平动产生的变位 2以 及转动产生的变位 3 。上述各项相对于地震力中 心处的刚度分别为 ： K i = ( i = 1 、 2 、 3 ) 【 4 ( 1 ) DZ 故地震力中心处桥墩等效刚度为： 三 K e = l l 1 ( = 1 、 2 、 3 ) ( 2 ) 式中： K 2 、 K 3 可根据 “ m法”来计算确定； K 1 为桥 墩自身水平抗推刚度。 奇= = 寺 ( ) = ( 卿u ) 一 式中： M y 、 Mu为钢筋混凝土桥墩墩底截面屈服弯 矩、极限弯矩； tp y 、 为钢筋混凝土桥墩墩底截面 屈服 曲率 、 极 限曲率 ； A y 、 A u为地 震力 中心 处结 构 的屈 服位 移 、极 限位移 。A y = 咖 ； A u= + 印( 一 ) ( 一 0 5 ) ； 为墩底至地震力中心处的 高度； L p 为 墩底等效塑性铰长度， 一般按拟静力试 验得到的经验公式计算 。 墩底截面的屈服( 极限) 弯矩 、 屈服( 极限) 曲 率可采用专业软件 U C F y b e r 程序 ， 将钢筋混凝土截 面离散为一 系列 的纤维单元 来进行 弯矩 曲率 ( P M 一 ) 分析得到( 见图 1 ) 。 其中， 约束混凝土的 本构关系可采用 Ma n d e r 模型建立【 1 ， 钢筋取为理 想 弹塑性材料 ， 采用理想双线型本构模 型( B i l i n e a r s t e e l mo d e ) 。 根据弯矩 一曲率分析曲线， 可以得到结构最大 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 4 年 l 0月第 1 0 期 城 市道桥 与防洪 科技研究1 8 7 M u M y e M y 图 1 墩 厩 截 面 M- tp 曲率延性系数 ， 相应的， 结构最大位移延性 系数为 。 I I 2 塑性倒塌分析 根据上节确定的桥墩等效抗推刚度 ，将各墩 用上部结构联系成整体，各墩简化成初始刚度与 桥墩抗推刚度相同的弹簧进行塑性倒塌分析。 图 2 为变形后的结构体系。 图 2 变形后 的结构体 系 ( 1 ) 体 系弹性工作 阶段 当各墩均尚未屈服时( 弹性工作阶段) ， 在桥 梁质心处作用单位地震荷载 P = I ， 则在刚度中心处 受到 1的横 向力 以及 M= y的弯矩 。 由 Z = 0 ， 可得 z _ = L K 对 点取 力矩平衡， 有0 r f ， 即： 1 Y K f l =l 体系质心处位移 ： = Z T + ： L+ L K ie K i 厶 e 厶A 1 f = 1 则任一桥墩 i 地震力中心处位移为 ： 一 = + = 一+ K K i =1 l 各墩等效屈服地震荷载为 毋 ，其中， D 为第 i 墩的屈服位移； 对应于结构体系的等效地震 荷载为 V F = m i n ( V ) ， 结构体系质心位移 研 ，而此时地震加速度为： g ， 式中： W为体 rr 系的有效重量 ； g为重力加速度。 ( 2 ) 体系塑性工作阶段 当体系进入塑性工作状态，因屈服后体系刚 度 中心不断变化 ，对体系进行倒塌分析时必须跟 踪各墩 刚度变化 ，不断调整刚度 中心及体 系有效 刚度。设在质心处作用地震荷载 P时， 第 i + 1 号至 第 号墩屈服， 屈服刚度为 。 ： 。 屈服后桥墩当产生 西 ( = 1 ， n ) 的位移时， 相 应产生 的荷载为 ： E = K j 一 ) = ( K j 碍) 碍 = + 1 ， n ) 由结构体系平动内力平衡Z = 0 ， 可得： ZT= P _ ( K j 一 碍 ) K l e + = 1 j = i + l 由M= 0 ， 可得转角： 一 ( 一 ) 0 = 生 一 K fe + 碍， ，； l = 1 j = i l 式 中： Z = l ， i ， j = i + l ， ， l 。 故任一桥墩 i 地震力中心处位移为： = + O y ,= P _ ( 一 碍 ) L一 + n + 碍 = 1 、 j = i + l 一 ( 一 ) 竹 + ) ， = 1 j = i + l 若简化计算， 考虑屈服后刚度为零， 即 = 0 ， 则： P - 6 i = + = L 一+ K l e f 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 型堇 窒 一P V - Z 壅 道桥与防洪 = 】 恸 霎 荷 挚 P 为 结 构 的 实 际 地 震 反 应 时 各 主 皂 结 构 的 延 性 ， 美 墓 婪 銮 竺 荷 载 可根据 采用 等位移原理确定： 工 承 烈 = 而 篓 采 用 等 位 移 假 定 是 可 行 的 ， 短 苎 竺 堑 梁 采 用 等 位 移 假 羹 曼 的 结 构 可 案 甭 兰 壶 折减系数进行修正【2 】 ： 一 刚 f 0 7 1 1 ： 0 一I s (， 短 周 期 ) 【 【 u 起刷 期 ) 式 中 ： - 2 订 、 ； 为 体 系 的 有 效 质 量 ； 为 结 太 ， 受 的对应最终 倒塌极 限状 态 的等效地震加速度为： 一 一 伙 ： g 舶 矍 r= 计 璺 应 谱 或 实 际 计 算 的 桥 址 场 羹 窭 方 仃 速 度 进 行 的安全性和抗震能力 。 一 ；日 某城市三跨变截面连续箱梁桥跨布置为 3 4 m+5 5 肼 m + 3 4 m= 1 23 m ， 上部结构为 翥 粱 ， 桥 面 度 2 2 5 m ；桥 妄 菇 蓑14 m , m ， 墩 高 筠 鉴 享 。 、 磐 埋 地 质 勘 察 告 ， 二 ： 地震加 梁结构 的 主 要 设 计 参 数 见 表l ： 一 g 。 价 表 1 桥梁 结构主要 设计参数 ( 墩 柱 J 堡 0 月 第1 0 期 表 2 桥墩主要计算参数 ：= 2 带墩 屈 服弯矩 胞 k N m。1 0 77 0 0 1 0 7 7 13 0 屈服曲率 如 l ， m m 1 2 3 E一 0 6 1 2 3 E一 0 6 塑性 铰长度 三 m O 8 0 0 8 0 墩顶屈服 位移 m 4 。5 2 E o 2 4 5 2 E 0 2 塑性转角 r a d 1 8 5 E一0 2 1 8 s 五 = 一 n 口 限曲 u l ， mm 4 7 4 E- - 0 5 4 7 4 E - 0 5 极限位移 = 2 ) + m O 2 3 2 0， ， 至 ! ! 。 一 ： ：=： ，B 十 2 2 7 E + 0 5 管 编 差 度 后 ( 地 基 柔 度 根 据 “ 算 确 毒 ) ，结 构 等 效 弹 性 刚 度 经 计 哥 “ 骞 凰 ： 3 3 6 E + o 5 ( k N m ) ( 为 墩 号 ) 故 结 构 等 效 周 期 2 订 、 = 0 9 6 。 休 塞 3 结 论 可 知 ， 该 桥 采 用 了 实 煮 f 较 大 。 该 荔 蔷 要 竺 等 鍪 震 加 速 竿 ， 萼 抗 震 设 防 的 要 求 ； 在 8 毒 作 用 下 ，各桥墩均进入屈服状态 ， 垲辰 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 9 2 成果应用 城 市道桥 与防洪 2 0 1 4 年 1 0 月第 1 0 期 范围控制在 6 0 C8 0 C 。采用 3 0 3 结语 终压温度范围控制在 。采 用 t 钥 恫 胶轮压路机静压 2遍 。 2 3 试验路段检测 阶段 2 3 1 温度检测 试验路段现场温度测试见表 1 1 。 表 1 1 试 验路段 现场温度测试 结果 项 目 嵩 摊 铺 温 度 初 压 温 度 备 注 从表 1 l 数据可以得出， 掺 1 0 D A T之后沥青 混凝土在生产拌和、 运输、 摊铺整体实施过程中， 与未掺相比降温幅度达到 2 0 C 2 5 C 。 2 3 2 取样检测数据 现场试验数据如表 1 2 、 表 1 3所示 。 表 1 2 拌和站 沥青混合料取 样检测 结果 删项 目 压湖 检测 结 果 4 5 2 3 4 6 9 6 8 2 9 3 _ 1 基于表面 活性 平台的温拌 沥青 ( WMA) 技 术 优点 ( 1 ) 通过试验段 ， 在保证沥青混 合料路用性 能 的前提下， 拌和温度可降低至 1 2 0 o C 1 4 0 C， 摊铺 温度控制在 1 1 0 。I=一1 2 5 ，初 压温度范 围为 1 0 0 1 2 0o C。 ( 2 ) 减少燃料消耗 ， 节省 2 0 3 0 。 ( 3 ) 减烟尘少排放 5 0 以上， 降低对环境的污 染和对施工人员健康的损害。 ( 4 ) 减轻热拌过程中沥青的老化， 延长沥青路 面的使用寿命。 ( 5 ) 延长施工季节 。 3 2 基 于表面 活性 平台的温拌 沥青 ( WMA) 适 用 的场合 ( 1 ) 尤其适用于沥青路面建设和维修养护中的 薄层罩面和超薄罩面 。 ( 2 ) 尤其适用于有更高环保要求的城市道路的 建设和维修养护 。 ( 3 ) 尤其适用于隧道道面的铺筑 。 ( 4 ) 适用于 旧料 比例较高 的再生混合料 。 参 考文献 1 】 J rr J 0 5 2 2 0 0 0 ， 公路工程沥青及沥青混合料试验规程 s 】 2 】吕伟 民 沥 青混 合料 设计 原理 与方 法【 M】 上海 ： 同济 大 学 出版 社， 2 0 0 0 3 】 J T G F 4 0 2 0 0 4 ， 公路沥青路面施工技术规范 s 】 ( 上接第 1 8 8页) 表 3 桥梁抗震 性能评估 4 结语 本文通过建立桥梁横桥向抗震性能评估的塑 性倒塌分析模型，通过计算对应于不同极限状态 的等效 弹性 反应惯性力及等效地震加速度 ，对桥 梁结构在地震作用下 的安全性及抗震能力作 出评 价 。该方法与通常的非线性动力分析相 比， 具有计 算简单、 结果明确等优点。 在桥墩延性抗震设计 中 ，应充分考虑土 与桥 梁结构的相互作用，计算分析应尽量与地震作用 下的真实情况相一致。虽然桩土效应对结构体系 的延性变形性能的影 响不大 ，且结构 刚度 的减小 虽然增长了结构周期 ，但结构的整体抗震能力仍 有所下降， 必须得到足够的重视。 参 考文献 【 1 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 2 1 范立础， 李建中， 王君杰 高架桥梁抗震设计 M I 北京： 人民交通 出版社 ， 2 0 0 1 【 3 C J J 1 6 6 2 0 1 1 城市桥梁抗 震设计规 范 s 】 4 】4代本明 箍筋约束混凝土桥墩延性与柱支梁桥抗震性能研究 D 】 南京： 东南大学， 2 0 0 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m