近海隔震桥梁抗震性态指标的量化研究

近海隔震桥梁抗震性态指标的量化研究

近海隔震桥梁性态逻辑随着我国海洋主权和海陆资源的日益重视，我们特别注重沿海综合开发，需要进行资源勘探，促进区域经济快速发展和主权保护。随着隔震技术的不断成熟和隔震支座的不断研发更新,隔震支座已经在建筑和桥梁领域得到广泛应用。跨海大桥作为生命线系统和城市之间经济往来的重要枢纽,其重要性不可替代,而采用隔震技术可有效抵御地震灾害,保证震后及时运营和道路畅通,对国家社会经济活动有着不可估量的作用。隔震技术的采用对跨海大桥的抗震、加固及运营至关重要,但是关于近海隔震桥梁的性态水准划分,目前国内外还没有统一的标准,也缺乏统一的认知,因此开展近海隔震桥梁的性态水准划分与量化分析,对于近海隔震桥梁在地震作用下的表现具有重要意义。国内外学者对桥梁结构的性态设计已经进行了大量研究。陆本燕在分析了国内外127个以弯曲破坏为主的钢筋混凝土圆形截面试验结果的基础上,以位移角为量化指标,将钢筋混凝土桥墩在地震作用下破坏等级划分成5个性能水平;孙颖对规则桥梁在地震作用下的性态水准给予了较明确的定性描述,以墩顶漂移率为参数指标,给出了不同性态水准的目标值;刘艳辉讨论了城市高架桥性态水准的量化过程,建立了各性态水准与钢筋拉应变和混凝土压应变的对应关系,建立了各性态水准与破坏指标的量化关系;邹勤建立了近海隔震桥梁的抗震设防标准,并将桥梁结构划分为5种性态水平,结合各类桥梁相应的地震动水准建立了12个结构最低性态目标。本文建议了近海隔震桥梁的性态水准划分方法,并建立量化指标与其对应关系。选取墩柱位移延性比和支座剪应变作为量化指标,利用公式法和Pushover法计算量化指标限值,通过动力增量时程分析,研究墩柱响应与隔震支座变形的对应关系,并对两种计算方法得到的性态量化指标进行对比分析。1国内关于结构性态抗震性态设计的研究现状结构抗震性态水准是指结构或非结构构件在可能会遭遇的地震作用下所预期的最大容许破坏,或容许的极限破坏。不同国家对于抗震性态水准有不同的划分。目前,国内外建筑结构领域主要采用美国Vision2000、ATC40、FEMA273/274等提出的结构性能水准划分方法,大体上划分为正常使用、立即入住、生命安全、防止倒塌4个等级。我国由谢礼立等主编的《建筑工程抗震性态设计通则》对建筑结构性态水准也给出了建议,将性态水准划分为充分运行、运行、基本运行、生命安全、接近倒塌5个等级。桥梁结构方面,相关学者做了较多的研究,美国HAZUS99也对桥梁结构性态水准进行了划分。目前,相关研究者和规范针对桥梁结构抗震设计性态水准的划分可见表1。2不充分充放电关于隔震桥梁在地震作用下的性态水准划分和性态指标的量化分析的相关文献较少,目前还处于初步研究阶段,考虑桥梁墩柱和隔震支座的共同影响的相关研究也并不充分。因此,本文根据近海隔震桥梁在遭受地震动作用下的破坏特点,考虑支座与桥梁墩柱的对应关系,参考前人的研究及我国规范条文的相关规定,将近海隔震桥梁的性态水准划分为充分运行状态、运行状态、基本运行状态、生命安全状态和防止倒塌状态5个不同等级,根据墩柱和支座损伤状态,将隔震桥梁的损伤等级划分为无破坏、轻微破坏、中等破坏、严重破坏和倒塌破坏(支座对应为完全破坏),表2中给出了5种性态水准及对应破坏状态的定性描述。3种破坏指标的量化表2给出了近海隔震桥梁性态水准的明确定义和具体描述,但是在实施基于性态的抗震设计过程中需要有具体的参数来对破坏指标进行量化。从历次震害调查来看桥梁的震害表现为墩柱破坏、地基破坏和支座破坏,针对近海隔震桥梁,地基破坏主要是由于地基液化导致,在桥梁选址时应避开活动断层及邻近地段、避开可能液化的软弱地层以及对地基采用深基基础。因此,针对跨海隔震桥梁,未来可能出现的震害将会是桥墩和支座的破坏,本文主要对桥梁墩柱和支座进行性态指标量化分析。桥梁墩柱的损伤指标可选取结构的位移延性、曲率延性、位移角和墩顶漂移率作为墩柱损伤指标的相关参数,支座损伤指标可采用支座剪应变、相对位移延性比作为量化指标。本文对隔震桥梁最易遭受地震动破坏作用下的桥梁墩柱和隔震支座的性态指标分别选择位移延性比和剪切应变作为量化指标。参考Hwang对墩柱指标量化的研究,位移延性比μd可表示为:式中:Δ为墩顶响应最大相对位移;Δcy1为钢筋首次屈服时墩顶相对位移。墩顶损伤可定义为:各极限状态对应的墩顶相对位移与钢筋首次屈服时墩顶相对位移之比,μcy1为钢筋首次屈服位移延性比;μcy为等效屈服位移延性比;μc2为墩柱保护层混凝土压应变达到0.002时的位移延性比;μcmax为最大破坏位移延性比,μcmax=μc2+3。国内外针对桥梁结构橡胶隔震支座损伤指标的量化已经有了较多的研究,Zhang选取了剪切应变作为支座损伤指标,将支座性能状态划分为轻微破坏、中等破坏、严重破坏、倒塌破坏4个等级,并且建议了其破坏指标限值分别为:100%、150%、200%、250%。Choi选取支座位移量分别为0mm、50mm、100mm、150mm为支座的4种极限破坏状态的损伤指标限值,李立峰选取相对位移延性比作为支座损伤指标,将支座损伤状态划分为无损伤、中等损伤、严重损伤、完全破坏4个等级,并且建议了3个指标限值分别为:1、1.5、2.5。我国《公路桥梁抗震设计细则》(JTG/TB02-01–2008)也规定了减隔震支座在不同地震作用下最大相对位移量限值:即E1地震作用下支座剪应变应小于100%,E2地震作用下支座剪应变应小于250%。考虑到近海隔震桥梁遭受海蚀环境的影响较大,遭受风浪及氯盐腐蚀的作用使桥梁结构构件易遭受破坏,墩柱塑性铰区域由于浸入水下区,实际发生震害时应尽量避免桥墩发生较大损伤而导致钢筋遭受海水中氯离子侵蚀,因此对隔震支座性能需提出更高要求,使支座具有足够的位移变形能力耗散地震能量而不发生破坏,同时为了避免支座位移变形过大而导致上部结构位移过大和支座螺栓松动,本文定义近海隔震桥梁橡胶支座4种破坏状态的指标限值分别为150%、200%、250%、300%。对墩柱破坏指标限值及支座破坏指标限值定义如表3所示。4统计分析方法目前,国内外针对规则桥梁和城市高架桥梁的墩柱能力指标量化分析已有较多研究,主要有单墩拟静力试验或者利用数据统计分析的方法,但是对于近海隔震桥梁,由于其墩柱截面尺寸较大、截面形式不规则、纵筋及箍筋数目较多等原因,利用现有试验方法难以取得较好的结果,相关数据统计也并不充分,因此,本文选择大型有限元软件建立纤维模型进行非线性时程分析求取能力需求指标。目前,墩柱能力指标有两种计算方法:基于塑性铰的公式法和Pushover分析方法。4.1计算方法的确定基于塑性铰的公式法计算损伤指标时需对钢筋混凝土截面进行弯矩-曲率分析,即采用非线性应力-应变关系描述组成截面的材料,准确计算一定轴压下钢筋混凝土截面的弯矩-曲率关系。在进行截面弯矩-曲率分析时,一般采用以下假定:(1)平截面假定;(2)忽略剪切变形的影响;(3)钢筋和混凝土之间的黏结滑移忽略不计。公式法是建立桥梁墩柱位移损伤量化指标的常用方法。利用弯矩-曲率分析得到截面屈服曲率和极限曲率后,可以通过塑性铰公式得到相应的屈服位移和极限位移。此外,公式法假设在屈服状态时,曲率沿墩高呈三角形线性分布,当墩柱达到极限状态时,墩身部分依然保持屈服状态时的曲率分布形式不变,其塑形变形主要集中在墩底等效塑性铰长度Lp范围内均匀分布。这种假设认为墩柱除了塑形铰以外其上部区域均为弹性,结构只发生一阶弯曲变形。等效塑性铰长度Lp一般按拟静力试验得到的经验公式计算,我国《公路桥梁抗震细则》也给出了等效塑性铰长度计算方法。目前国内外采用的经验塑性铰公式主要有4种,见表4。为了避免不同塑性铰公式计算结果所带来的差异性,本文采用我国《公路桥梁抗震设计细则》定义的塑性铰公式来计算性态指标。4.2结构体系的地震响应随着基于性态的抗震设计方法的产生和发展,静力Pushover方法得到了研究人员越来越多的重视,目前已经被美国ATC-40、FEMA273等规范广泛采用。我国Pushover法在建筑领域已经得到较多的应用,在桥梁结构领域也引入到抗震规范中,进行Pushover分析一般基于以下两个假定:(1)多自由度体系等效为单自由度体系,结构的地震反应以第1阶振型为主,忽略高阶振型的影响;(2)地震反应过程中,假定结构侧向加载沿高度方向上的形状向量不变。即该法适于低墩桥,而对于高墩桥,则应该考虑高阶振型的影响。Pushover推倒分析是指在墩柱模型中施加选定侧向加载模式的荷载,并逐渐加大,墩柱发生屈服则修改其刚度,将结构推至预设的目标位移或者结构开始呈现不稳定的状态为止,计算得到结构的内力和变形,得到结构在预期地震作用下的抗震性能状态。当墩底截面曲率达到最大时,墩顶位移也同时达到最大,用此方法可以得到墩柱不同破坏模式的性态指标。本文将利用公式法和Pushover法计算量化指标限值,通过增量动力时程分析,研究墩柱响应和隔震支座变形的对应关系,并对两种计算方法得到的性态量化指标进行对比分析。5工程计算的示例分析5.1梁单元模型和性态分析本文研究对象为我国近海地区的某跨海隔震连续梁桥,并取其一联进行分析,该联为6跨,全联等跨分布,每跨为85m,总长510m,上部结构为钢与混凝土组合箱形连续梁,桥面板混凝土等级为C60,墩柱为八角形薄壁空心墩,墩高19m,桥墩采用C50混凝土,桥墩墩高及截面尺寸相同;纵筋和箍筋均采用HRB335级钢筋,支座布置方案为过渡墩采用LRB800,其他墩柱采用LRB1600;每个墩柱上并列布置4个隔震支座;设防烈度为8度,场地类别为Ⅲ类,特征周期为0.65s。采用大型通用有限元软件Midas/Civil建立有限元分析模型,如图1所示。由于在地震作用下主梁结构基本上处于弹性状态,实际发生震害时主梁发生破坏概率较小,所以可采用弹性梁单元模拟。墩柱具有较大的延性能力,允许进入弹塑性状态,墩柱采用纤维塑性铰单元模拟,墩底固结。保护层混凝土和核心混凝土的本构采用Mander本构模型,钢筋的本构采用双折线模型,如图2和图3所示。由于桥梁结构中墩和边墩截面形式及墩柱配筋完全相同,限于篇幅,仅对中墩进行计算分析。首先,对桥梁中墩利用Midas/Civil已有程序进行墩柱弯曲-曲率分析,并利用SAP2000程序进行验证,所得结果基本一致。其次,采用加速度常量加载模式、基本振型加载模式、静力荷载加载模式分别对桥梁墩柱进行Pushover分析,得到截面屈服曲率和极限曲率对应的墩顶位移并计算位移延性比,公式法则通过塑性铰模型计算得到位移延性比。由不同方法得到的不同破坏状态对应的损伤指标见表5。为了直观对比不同计算方法所得的性态指标限值,验证Pushover法计算所得的指标限值的准确性,将定义的量化指标DS值与位移延性比和5种破坏状态下的极限位移绘于图4中。由图4可知,Pushover分析中采用3种不同侧向加载模式所得结果基本相同,表明墩柱主要受一阶振型影响,采用Pushover法与公式法得到的位移延性比相差不大;两种方法计算的轻微破坏和中等破坏指标限值结果几乎一致,说明在弹性阶段,公式法和Pushover法计算结果相差不大;当结构处于严重破坏和倒塌破坏阶段,墩柱进入弹塑性状态,由公式法和Pushover法得到的位移限值误差逐渐增大,公式法计算结果比Pushover法偏小,其原因是由于墩柱属于延性构件,基于塑性铰的公式法中假定仅在墩柱底部形成塑性铰机制,塑性铰以上部分在震害条件下仅处于弹性状态。因此,利用Pushover对桥梁墩柱进行指标量化能取得较准确结果,可作为桥梁结构性能评估的有效工具。5.2墩顶位移和应变量将桥梁墩柱划分成19个单元并建立弹塑性纤维绞单元模型,利用Midas/Civil对隔震桥梁整体进行增量动力时程分析。选取El-Centro波、Northridge波、Taft波对桥梁结构纵桥向进行非线性时程分析。由于地震动的随机性,以及为了反映结构在遭受地震动作用下从完好到倒塌的全过程,分别将3条天然地震波的峰值加速度调整为0.1g~1.0g、0.2g~3.2g、0.2g~2.0g,共36组地震波。建立相应分析工况,提取每一级地震动作用下的墩顶最大位移和支座相对位移,计算墩柱位移延性比及支座剪应变,结果如表6~表8。由表6~表8可见,随着地震动强度的不断增大,墩顶位移和支座相对位移也不断增大;LRB1600支座的剪应变大体上大于LRB800支座,尤其当地震动输入较大时更是如此,说明随输入地震动的增大,中墩支座比边墩支座更易产生较大变形从而更快达到极限变形而破坏,因此可选择中墩支座作为最不利情况进行分析,在El-Centro波0.5g、Northridge波2.8g、Taft波1.4g作用下,当隔震支座剪应变达到284.3%、258.7%、266.3%时,墩柱位移延性达到1.208、1.244、1.117,表明当支座处于严重破坏状态时,由3种不同侧向加载模式Pushover分析计算得到的位移延性比均处于中等破坏状态。即桥梁结构遭受震害导致隔震支座需要更换时能保证结构整体处于基本运行状态,与本文定义的性能状态一致;当支座的剪切变形达到358.8%、288%、340.5%时,支座处于完全破坏阶段或者临近完全破坏,墩柱墩顶最大位移分别为1.648、1.419、1.660,此时墩柱结构仍处于中等破坏阶段,表明当支座发生完全破坏时,桥梁墩柱不会发生严重破坏甚至倒塌,仅需要简单修复就可以投入使用,说明震害变形均集中在隔震支座,支座对桥墩具有很好的保护作用。6评估结果分析本文采用Pushover分析方法,计算了近海隔震桥梁性态水准量化指标限值,采用增量动力时程分析方法,对近海隔震桥梁进行了非线性动力时程分析,根据不同地震动强度作用下墩顶位移延性和隔震支座剪切应变,对近海隔震桥梁进行了性态水准划分和性态指标限值的分析。主要结论如下:(1)将隔震桥梁在地震作用下的性态水准划分为充分运行、运行、基本运行、生命安全和防止倒塌5种状态,并将结构损伤状态定义为无破坏、轻微破坏、中等破坏、严重破坏和倒塌破坏。(2)利用公式法与Pushover法计算性态量化指标限值,计算结果相差不大,公式法计算结果偏小,3种不同侧向加载模式对其指标限值影响不大,利用Pushover法计算墩柱指标限值具有合理性。(3)将增量动力分析方法的结果与本文利用Pushover分析方法计算出的性态水准下的量化指标限值进行了比较,验证了Pushover分析方法的合理性,可以作为隔震桥梁结构易损性分析和桥梁结构性能评估的参考依据。(4)对于高墩大跨桥梁利用Pushover分析方法计算量化指标限值时,需考虑高阶振型的影响。桥梁墩柱在3条天然地震波作用下,墩顶最大位移及墩底最大曲率见图5(a),由图可知,随着墩底曲率不断增大,墩顶最大位移也不断增大,同