顺桥向地震作用下单塔部分斜拉桥易损性部位研究

顺桥向地震作用下单塔部分斜拉桥易损性部位研究

0结构体系及构件的易损性作为一种新型的桥梁系统，该桥在一定的范围内具有经济优势。20世纪90年代开始，它在国内外引起了很大的流行。中国已经建造了40座斜桥。然而，一些斜桥没有经历过大的地震测试。在地面运动的影响下，不同部件的损伤部位和损伤概率尚不清楚。对几座斜桥结构的地震风险进行了研究，明确了地面运动中各部分的危险剖面和破坏概率，并得出了容易损失曲线。对几座倾斜桥的地震损失评估和抗疲劳设计具有指导意义。研究部分斜拉桥的易损性,首先要得知结构体系及构件的易损性部位,在部分斜拉桥的众多构件中,墩、柱等杆系构件的易损性部位比较明确,但是主梁在地面运动作用下是否会进入弹塑性状态,最先进入弹塑性状态的易损部位等问题都不明确,所以有必要对部分斜拉桥的主梁的易损部位进行分析.部分斜拉桥作为一种组合体系桥梁,由塔、梁、索等受力构件组成,体系组成相对较复杂;且布置形式多样,有单塔、双塔、多塔数种型式,结构形式灵活多样.不同的结构形式,构件受力及结构动力特性均存在较大的差异,所以不同结构形式的部分斜拉桥,地震易损性也存在较大的差异.本文从最基本、最简单的单塔型式的部分斜拉桥入手,研究该类桥梁的主梁的易损性部位.1拉索及施工方法已建成通车的仙港大桥主桥为(60+60)m的预应力混凝土单塔扇形双索面部分斜拉桥,塔、梁、墩固结.由于该桥在跨度、塔高、梁高、拉索布置及恒载承担比重、墩塔梁支承形式等各方面均有较大的代表性,故选取该桥作为背景桥.背景桥主梁为单箱双室箱梁,中支点高2.5m,边支点高1.6m;主塔为双柱式塔,桥面以上高22m,横桥向塔宽1.5m,顺桥向塔宽3.0～5.5m;中墩为双柱式墩,横桥向宽1.5m,顺桥向宽3m;边墩为单柱式墩,横桥向宽3m,顺桥向宽1.2m;拉索每个索面对称布置6对斜拉索,采用钢绞线索,极限强度1860MPa;承台采用7.5m×7.5m×3.0m的矩形承台,承台间用3.0m×3.0m的矩形截面系梁连接;基础采用4根桩径Φ150cm,桩长20m的钻孔灌注桩.梁、塔、中墩采用C50混凝土,边墩采用C40混凝土,承台系梁及桩基采用C30混凝土.主桥总体结构布置如图1所示.2根据桥的旋转，下层塔的主倾斜桥的主梁的易碎部分将被推到地面2.1弹性铰的选取采用CIVILMIDAS建立背景桥的空间有限元模型,模型简化如下:1)梁、塔、墩等杆系构件.用弹性三维梁单元模拟梁、塔、墩及桩基.2)承台.将承台简化为刚性连接,自重通过施加节点荷载模拟.3)斜拉索.采用柔性索单元模拟,背景桥索长较短,恒载索力比重大,弹性模量变化较小,故忽略地面运动作用下的弹性模量变化.4)塑性铰.在地面运动作用下,塔底单元,中墩墩底和墩顶单元,边墩墩底单元为各构件的薄弱部位,用MIDAS中的非弹性铰单元模拟,由于部分斜拉桥在顺桥向、横桥向两个方向振型的藕联效应较小,动力特性相对独立,不同的输入方式对单方向的地震反应影响小,故模拟的塑性铰为墩塔截面顺桥向的塑性铰.塑性铰长度按照参考文献中的相关公式确定;骨架弯线根据各个截面的弯矩—曲率确定,图2为中墩墩底、墩顶截面的弯矩—曲率曲线;滞回模型采用双线性Clough模型.5)边界模拟.墩塔梁的固结通过在墩顶建立刚臂来模拟;考虑桩土效应,用m法简化求取土弹簧刚度;边墩板式滑动支座和限位器的恢复力—位移模型采用双线性Clough模型,如图3、4所示.基于以上简化假设,建立有限元模型如图5所示.2.2结构地震反应分析在已有的关于梁桥结构易损性分析中,大部分假设:桥墩破坏时,主梁还是处于弹性状态.在Khan’t关于斜拉桥的易损性研究中,假设梁的破坏为控制.基于已有的对梁桥和斜拉桥主梁易损性研究的相关假设,部分斜拉桥处于梁桥与斜拉桥之间,兼有两者的动力特性,桥墩破坏时主梁是否进入弹塑性状态,哪个部位率先出现塑性铰都不明确.本文通过非线性动态时程分析,确定部分斜拉桥主梁的易损性特征.选择3条较为典型的一类场地土地面运动记录作为动态时程分析输入的地震动,进行结构地震反应分析.在动态时程分析时,输入地震动的峰值加速度均调幅到0.2g.图6所示为输入的地震动时程曲线及相应的加速度反应谱.将上面三条地震波作为输入,经过非线性动态时程分析计算,可以得到结构静力分析及地震反应分析内力组合的结果,得到了基准桥梁在顺桥向地震动作用下以及横桥向地震动作用下主梁的弯矩包络图,如图7、图8所示.根据图7所绘的背景桥梁在水平纵向地震动作用下主梁的弯矩包络图,可以确定在顺桥向地面运动作用下,主梁在与塔梁固结的梁的根部截面和离塔的第四根索到第五根索之间的梁截面的内力比较大,但是梁根部截面高度比近跨中截面高,截面的抗震能力不一样,故需要确定根部截面和近跨中梁截面的弯矩—曲率曲线,图8、图9分别为根部截面和近跨中截面的弯矩—曲率图.通过比较在地面运动作用下的主梁根部和近跨中的内力值与截面绕X轴的等效屈服弯矩,可以确定,单塔部分斜拉桥的主梁在顺桥向地震作用下的易损部位为离塔的第四根索到第五根索之间的梁截面.2.3斜拉桥主梁弹塑性分析通过非线性动态时程分析,可以确定单塔部分斜拉桥在顺桥向地面运动作用下和横桥向地面运动作用下的易损性部位.但是主梁在哪一级强度的地面运动作用下会进入弹塑性阶段还不确定,需要通过增量动力分析方法来研究桥梁结构在给定地面运动强度下的结构需求参数的概率特征,以此来确定主梁进入弹塑性阶段的荷载.基于在给定地面运动强度下结构的响应可以用对数正态分布很好的拟合,采用主梁进入弹塑性阶段的概率均服从对数正态分布的假定.对于部分斜拉桥的主梁,一方面由于部分斜拉桥的主梁的支座关系不是很明确,故不能确定其的延性位移比的计算模型;另一方面部分斜拉桥主梁的易损部位为离塔第四根索到离塔第五根所之间的梁段和主梁根部,塑性铰的长度难以计算.基于以上两点,采用Hwang等确定的强度与变形双重指标,定义了发生破坏的钢筋混凝土梁的进入弹塑性阶段的量化指标,定义主梁的弹性的极限状态.经过相关截面的弯矩—曲率分析,可得部分斜拉桥主梁近跨中段和根部段的弯矩曲率关系及弹性阶段的极限状态如表1、表2所示.为形成理想的概率分布,考虑的地面运动的最大峰值加速度变化范围为0.05g到0.60g,共分为12级,各级增量为0.05g;对I类场地,各级地面运动均输入50条峰值加速度调至相应的地面运动的强度等级的地面运动加速度时程,进行分析计算.对各个计算工况,提取各构件易损部位在恒载作用和地面运动作用下的内力或者位移组合,则可求得桥梁结构体系在给定地面运动强度下的结构需求.通过与梁截面的弹性的极限状态对比,可获得在给定地面运动下接入弹塑性阶段的概率.如表3所示.从表3看出,主梁在顺桥向地面运动作用下,其易损性部位在近梁跨中段,0.20g开始有进入弹塑性阶段的概率,随PGA(地面运动加速度)的增大概率不断增大.基于近跨中梁在顺桥向地面运动作用下进入弹塑性阶段的概率,根据该概率均服从对数正态分布的假定,可以回归拟合出近跨中梁弹塑性阶段的易损曲线,易损性曲线是横坐标为地面运动强度参数,纵坐标为结构或构件的损伤状态的超越概率,绘制形成的曲线.如图10所示.从图10可以看出主梁在顺桥向地面运动作用下进入弹塑性阶段的趋势.3桥向地面运动作用通过对背景桥的非线性时程分析和增量