钢管混凝土拱桥地震破坏评估研究

钢管混凝土拱桥地震破坏评估研究

0钢管混凝土构件抗震能力该拱桥具有光滑、美观、弹性、施工方便、维护方便、透水性强、抗疲劳防滑等优点，在中国得到广泛应用。2008年的汶川大地震中,震区的320座桥梁中,许多公路桥梁受到严重破坏甚至倒塌。因此,众多学者针对钢管混凝土拱桥的抗震性能进行了研究,但对地震作用下破坏评估的研究还相当欠缺。建筑结构在地震作用下破坏准则有单参数破坏准则、弯曲破坏比、损伤线性累积破坏准则、能量破坏准则、双参数破坏准则、基于理想弹塑性恢复力模型的改进破坏准则和双参数地震破坏模型。史庆轩开展了钢筋混凝土结构基于性能的抗震研究,并建立了抗震破坏评估模型;Park等建立了钢筋混凝土构件的地震损伤模型;Chung等建立了混凝土结构的损伤模型;McCabe等建立了结构混凝土结构的损伤评估模型。这些研究中的双参数破坏准则共同点是显式包含了位移和耗能参数。于琦等将结构的最大变形与滞回耗能需求同时引入往复Pushover分析,利用隐式双参数破坏准则进行钢筋混凝土结构地震损伤评估;Ghosh等采用Park-Ang损伤模型结合能量法进行多层平面框架的损伤评估。在桥梁抗震能力评估研究中,各国学者认为影响梁式桥抗震能力的主要因素为桥墩的抗震能力,这在多次地震中已经损伤的桥梁分析结果中得到了证实,因此大部分桥梁的抗震评估工作均集中在桥墩的抗震能力研究。在钢管混凝土结构方面,郭蓉等通过研究7根方钢管混凝土柱在低周反复荷载作用下的滞回性能,获得了各构件破坏时的累积滞回耗能;文永庆对钢骨-钢管混凝土柱双参数破坏准则进行了研究,分别以配骨指标、套箍系数、剪跨比和轴压比作为参数,研究了Park-Ang双参数破坏准则,并对钢管混凝土结构损伤进行评估,在此基础上,提出了耗能因子β的计算公式;邱法维等通过试验研究了钢管混凝土柱滞回耗能和累积损伤,并推荐在抗震评估中使用钢管混凝土结构地震损伤系数;阎宇通过试验和数值模拟方法,以长细比、轴压比、幅厚比作为控制参数,研究了低周反复水平荷载作用下方钢管混凝土柱滞回耗能和变形的双参数损伤模型,并通过数据拟合得到了损伤因子。可见,各国的钢管混凝土桥梁抗震研究主要针对整桥和主要构件的抗震性能进行定性分析,有些研究建立了构件的抗震损伤破坏模型,有些研究建立了抗震损伤评估模型,然而对钢管混凝土构件的抗震能力进行定量分析的较少,对钢管混凝土拱桥整桥抗震能力进行定量分析的还未见报道。因此,本文中在上述研究背景下根据钢管混凝土拱桥的受力特点和破坏模式提出基于变形或内力和累积耗能的钢管混凝土拱桥构件的双重破坏准则,建立钢管混凝土拱桥构件和整体的破坏评估模型,并对南宁的一座钢管混凝土拱桥进行破坏评估。1单元的极限、轴承和变形1.1钢管混凝土力学性能拱肋弦杆是钢管混凝土拱桥的主要承重构件,其力学性能较钢筋混凝土构件有很大的优越性,本文中在文献的基础上根据钢管混凝土构件的工作机理和力学特性,同时考虑钢管混凝土拱肋的受力特点研究弦杆的破坏模式。钢管混凝土极限轴力Nu为式中:Asc为钢管混凝土截面面积;fscy为钢管混凝土极限抗压强度。钢管混凝土极限弯矩Mu为式中:γm为抗弯承载力计算系数;Wscm为截面抗弯模量。典型的钢管混凝土η-ζ关系曲线见图1,其中η=N/Nu,ζ=M/Mu,N为弦杆的轴力,M为弦杆的弯矩。图1中曲线为强度极限曲线,曲线分为2个部分,其中A′B′段以直线表示,B′C′D′段以二次抛物线表示,其中式中:ξ为钢管混凝土含钢率。1.2拉压极限强度拱肋中的腹杆为空钢管,主要起支撑作用,受力方式为轴向受力,破坏模式为轴向拉压破坏,其强度极限为截面达到破坏状态时的强度。假定钢材本构模型为二折线模型,则极限状态下的轴力与应变分别为式中:fau为钢管拉压极限强度;D为钢管外径;t为钢管壁厚;εu为极限应变。1.3轴向力较小且正确控制的破坏模式拱肋的横向联系为空钢管,其主要作用是提高横向刚度,增强侧向稳定性,受力方式为承受轴向力和弯矩作用,由于轴向力比较小,所以破坏模式为受弯破坏。其强度极限为截面达到破坏状态时的强度。横向联系截面尺寸与强度极限状态应力见图2。强度极限状态对应的弯矩式中:fu为抗弯极限强度。强度极限状态对应的曲率φu和应变εu分别为式中:R为钢管半径;fy为塑性屈服强度;Es为弹性模量;G为剪切模量。1.4下吊杆拉伸钢管混凝土拱桥吊杆结构主要承受拉应力,在拉应力作用下吊杆拉伸,吊杆的材料主要为高强钢绞线,其强度极限状态对应的轴力为式中:A为吊杆横截面面积;fuk为极限抗拉强度。对应的极限应变εu一般为0.035。1.5u3000极限弯矩钢管混凝土拱桥吊杆横梁主要承受弯矩作用,破坏模式为受弯破坏,本文中以钢横梁为例。由于假设钢材为理想弹性塑性体,当达到强度极限状态时,截面全部屈服破坏,此时极限弯矩为式中:h为截面高度;hf′为受压翼缘的厚度;b为翼缘宽度;tw为腹板厚度。强度极限状态下全截面达到屈服状态,中性轴仍位于形心处,此时的极限弯曲曲率为2管道混凝土拱桥破坏评价模型2.1双重破坏准则基于构件的内力或变形和能量的双重破坏准则,主要是根据构件在地震力作用下,产生内力或变形和累积耗能,当2个因素达到构件的承受能力,构件就发生破坏,在一定数量的构件发生破坏的情况下,整体结构将不能继续承受荷载,从而发生倒塌。双重破坏准则中,钢管混凝土拱桥各构件破坏指数表达式如下:弦杆腹杆横向联系吊杆吊杆横梁式中:λ为压弯系数(即轴力和弯矩组合系数);l为弦杆构件长度;λm为地震过程弦杆截面最大的压弯系数;λu为弦杆的极限压弯系数,其值为1;a,b,c为系数,εm为地震过程构件截面所达到的最大轴向应变;Eh为截面累积能量;n为积分点个数;i为积分点编号;σ为应力矩阵;εel为弹性应变矩阵;V为积分点体积;Eepl为塑性应变能;Es′为应力硬化能;β为系数,根据文献回归统计得出β=0.1387;φm为地震过程构件截面达到的最大弯曲曲率。2.2同一种构件的破坏指数计算桥梁整体的评估模型由各构件的评估模型分层次来建立。为了更准确地确定各构件的破坏指数,根据每根构件在地震过程中累积的地震能量来计算其在同类构件破坏指数中的作用大小,用权重系数w来表示,则弦杆的破坏指数为式中:(Ij)xg为第j根弦杆构件的破坏指数;(Wj)xg为第j根弦杆构件对应的权重系数;Ej为第j根弦杆构件累积能量;∑Ej为拱肋第j根弦杆累积的总能量。同理可得出其他构件破坏指数的表达式。则拱桥整体破坏指数为同理可求出其他部分的累积耗能和权重值。2.3桥梁结构地震破坏评估在地震作用下,根据地震作用的大小,桥梁会产生相应的损伤和破坏,所以需要对桥梁整体进行结构地震破坏评估。地震破坏评估包括建立合理的结构地震破坏模型,确定地震破坏性能目标及相关指数的允许值。根据文献,定义结构不同破坏程度的破坏指数和桥梁的地震破坏指数范围,见表1。3设计跨径长为7度,净截面为7.广西南宁永和大桥为下承式变高度桁式钢管混凝土无铰拱桥,抗震设防烈度为7度,净跨径336m,计算跨径346m,设计净矢高为76.873m。拱肋上、下弦杆断面形状为平放的哑铃形,弦杆外径Φ1220,壁厚20mm。缀板宽1015mm,厚20mm。腹杆钢管规格Φ610×10。3.1构建有限元模型采用考虑剪切变形的空间梁单元模拟上、下弦杆、竖斜腹杆、弦管缀管、钢横梁;用空间杆单元模拟吊杆;用空间板单元模拟弦管钢缀板、混凝土缀板、临时铰处加强钢板和桥面系;拱脚在桥墩处采用固定约束。桁架拱的钢管、腹杆、缀管、缀板和横撑系用Q345钢,钢横梁等用Q235钢,吊杆用钢丝绳,混凝土标号C50。设桥纵向为X轴,横向(河流方向)为Y轴,竖向为Z轴,全桥有限元模型共3672个节点,6874个单元,有限元模型如图3所示。分析时假定:在地震过程中地震动的3个主轴方向保持不变,分别于桥梁的纵轴、横轴和竖轴重合,且地震动的传播方向与桥梁的纵轴向重合。3.2弹性模量、密度和强度C50混凝土弹性模量Ec=34500MPa,密度为2550kg·m-3,轴心抗压标准值fck=32MPa。Q345钢的弹性模量Ec=206GPa,密度为7850kg·m-3;在t≤16mm时,取fy=345MPa;在16mm<t<35mm时,取fy=325MPa;fu=470MPa。吊杆弹性模量Ep=195000MPa,密度为7850kg·m-3;强度标准值fpk=1260MPa;强度极限值fuk=1860MPa。3.3不同部位的力学指标计算可得钢管混凝土拱桥各个部分的力学指标如下:拱肋弦杆横向联系吊杆吊杆横梁3.4变曲线的计算和作用激励的确定首先对计算模型进行非线性分析,数值模型中钢材和吊杆采用二折线的本构模型,混凝土采用多线性随动强化模型,对应的应力-应变曲线的计算选用《混凝土结构设计规范》(GB50010—2002)公式。同时从X,Y,Z这3个方向进行地震作用激励,地震波采用El-Centro波,不同烈度的地震按照相应的地震波强度进行折减,3个方向的地震波峰值比例取为1∶1∶0.6。地震波持时为10s,地震激励频率为时间间隔0.02s,共分500步,采用Newmark-β方法求解结构系统动力方程。3.5结构整体的地震破坏指数计算结果分别对该桥在加速度峰值为0.2g,0.4g,0.8g(g为重力加速度)的地震作用和恒载作用下的损伤破坏进行评估,相当于8度、9度、10度地震作用。选用已建立的钢管混凝土各部件破坏模型,计算出弦杆的轴力、弯矩和累积能量,腹杆的轴力和累积能量,横向联系的弯矩和累积能量,吊杆的拉力和累积能量,吊杆横梁的弯矩和累积能量,并根据破坏模式中的强度极限及变形状态计算出构件累积能量,由此得出拱桥结构整体的地震破坏指数。计算结果见表2~4。由表2~4中数据可得到如下结论:(1)拱肋中的弦杆和腹杆是整桥耗能的主要部分,其破坏指数在整桥破坏指数中占据很大的比重。(2)在不同加速度的地震作用下,弦杆和腹杆的破坏程度决定了钢管混凝土拱桥破坏程度,而横向联系、吊杆和吊杆横梁在地震作用下损伤破坏程度较小,对整桥的破坏程度影响不大。(3)在3种不同强度地震波的作用下,整桥的破坏指数分别为0.098,0.134,0.314,说明该桥在8度地震(加速度峰值为0.2g)的地震波作用下基本完好,9度地震(加速度峰值为0.4g)时属轻微破坏,10度地震(加速度峰值为0.8g)时属中等破坏。(4)在3种不同强度地震作用下,腹杆的破坏指数均比较高,且都属轻微破坏状态,是钢管混凝土拱桥抗震的薄弱位置。4抗侧力(1)本文中基于钢管混凝土拱桥的受力特