基于纤维塑性铰模型的矮塔斜拉桥地震反应分析

基于纤维塑性铰模型的矮塔斜拉桥地震反应分析

1预应力混凝土矮拉桥石棉县四川通往四川的大河。这是设计“5.12”四川省地震后重建工程之一。这座桥是一座斜形的预制混凝土桥，长75.160.75米（图1）。桥址处场地类别为Ⅰ类,为了掌握结构在地震作用下的受力情况,并检验其在场地的安评地震波作用下是否达到其抗震性能目标,该文对其进行了非线性动力时程弹塑性分析。2钢筋本构模型为了考虑在地震作用下结构的材料和几何非线性,模型采用纤维截面模拟塑性铰的特性。对于混凝土材料,选用在数值分析中广泛使用的Kent-Park本构模型,该模型概念清晰且准确性较高,能同时考虑混凝土强度横向约束效应,Kent-Park本构模型的公式如下:式中:ε为混凝土纤维的应变;σ为混凝土纤维的应力;ε0为发生最大应力时的应变;εu为极限应变;K为横向约束引起的强度提高系数;Z为应变软化时的斜率;f′c为混凝土抗压强度(MPa)。对于钢筋材料的本构关系,该文推荐采用修正的Menegotto-Pinto本构模型,该模型具有计算效率高、与试验结果吻合好的特点,且按照随动强化准则定义的双折线曲线可以模拟包辛格效应。模型中所用的关系公式如下:式中:ε为钢纤维的应变;σ为钢纤维的应力;(εr,σr)为卸载点位置,在弹性状态时假定为(0,0);(ε0,σ0)为定义当前加载或卸载路径的两个渐近线的交点;b为刚度折减率;R0,a1,a2为决定曲线状态的参数,该文模型根据程序使用试验的优化值;ζ为在加载/卸载的方向上最大应变与ε0的差(绝对值),最大应变的初始值假定与±(Fy/E)相同。3桥梁结构动态分析的模型3.1动力计算分析利用大型空间有限元软件Midas/Civil对其建立空间模型进行动力计算分析,采用空间梁单元模拟主塔和主梁,采用桁架单元模拟斜拉索,根据“m法”使用节点弹性支撑模拟土体对结构桩基础的作用。3.2混凝土面长设计由于该矮塔斜拉桥在地震过程中,主要通过桥墩的弹塑性变形来消耗地震能量,故分析中将桥墩作为重点考察对象,该桥桥墩采用C30混凝土,截面为13m×1.2m的矩形截面,纵向布置544根直径为28mm的HRB335,箍筋为直径16mm的HRB335钢筋,在桥墩的底部和墩顶与主梁的连接处附近按间距200mm布置。地震作用引起的桥墩弯矩主要分布在桥墩的底部和墩顶与主梁的连接处附近,故这两处都有可能进入塑性状态,因此该文将在墩顶、底范围均布置一定长度的塑性铰,塑性铰的布置见图2。3.3棉特大桥与棉特大桥根据桥址所处位置,中国地震局地壳应力研究所为石棉特大桥地震分析拟合了3条场地地面加速度时程数据,由于篇幅所限,该文仅以第1条安评地震波为例进行分析,考察其顺桥向地震效应,地震波如图3所示。4弹塑度分析的结果4.1#墩顶截面地震反应力学模拟在顺桥向安评地震波输入下,3#桥墩墩顶截面受力最不利,图4为3#桥墩顶截面顺桥向弯曲能力曲线和弹塑性纤维模型等效骨架曲线,图5~7分别为3#墩墩底截面在地震作用下的内力及变形结果。5要重视桥墩的基础和结构的生长通过使用纤维模型对石棉特大桥的弹塑性地震反应分析,可得到如下结论:(1)在顺桥向安评波输入下,1#、2#和4#桥墩的曲率变形介于开裂曲率与屈服曲率之间,说明桥墩会发生开裂但不会被损坏;3#桥墩顶、底部塑性铰的曲率变形介于屈服曲率与破坏曲率之间,表明桥墩会有损伤,但修复后可继续使用,建议加强桥墩与基础的连接及加密桥墩下部箍筋。(2)通过对考虑非弹性铰和未考虑非弹性铰的时程分析结果的分析表明,由于非弹性铰的材料和几何非线性变形,形成了一个有效的耗能机制,使结构内力发生重分布,能有效改善桥墩的受力情况。由图4及图7对比发现,在顺桥向安评波的作用下,3#桥墩的曲率变形已经超出开裂曲率,但是没有超出破坏曲率,说明该处已发生屈服,结构会有一定程度的损坏,但仍然处于可修复状态。4.2不同断裂处非弹性铰的转角位在顺桥向安评波地震输入下,考虑桥墩弹塑性变形后的石棉特大桥桥墩的地震响应结果见表1。由以上计算数据可知,在地震作用下,所有桥墩处非弹性铰均进入开裂状态,但是1#、2#和4#桥墩的转角位移介于开裂点与屈服点之间,不会被损坏;3#桥墩的顶底部塑性铰变形介于屈服点与破坏点之间,表明桥墩有损伤,但修复后可继续使用。4.3非弹性铰在顺桥与地震作用下内力值对比为了研究非弹性铰对地震能的消耗作用,表2给出了未考虑塑性变形时的结构时程内力。从表2对比可以发现,在顺桥向安