基于地震波激勵(lì)的連續(xù)剛構(gòu)橋地震響應(yīng)分析

橋梁的延性抗彎工程基于橋梁結(jié)構(gòu)的非線性動(dòng)態(tài)行為。在沒(méi)有大規(guī)模破壞和穩(wěn)定的前提下，主要研究提高了組件的扭轉(zhuǎn)性能，并在非結(jié)構(gòu)破壞的前提下，增加了組件的扭轉(zhuǎn)性能。結(jié)構(gòu)物的延性從本質(zhì)來(lái)講,它反應(yīng)了一種非彈性變形的能力,這種能力能保證強(qiáng)度和剛度不會(huì)因?yàn)榘l(fā)生非彈性變形而急劇下降。在利用延性概念來(lái)設(shè)計(jì)抵抗強(qiáng)震作用的結(jié)構(gòu)時(shí),首先必須確定度量延性水平的量化指標(biāo)。最常用的延性指標(biāo)為曲率延性系數(shù)(或曲率延性比)和位移延性系數(shù),為了方便起見(jiàn),通常把曲率延性系數(shù)和位移延性系數(shù)簡(jiǎn)稱為曲率延性和位移延性。本文采用的是曲率延性系數(shù)表示截面的變形需求,屈服曲率定義為對(duì)應(yīng)截面最外層受拉鋼筋初始屈服,極限曲率對(duì)應(yīng)為截面核心混凝土壓碎破壞時(shí)刻。采用非線性時(shí)程的分析方法結(jié)合某連續(xù)剛構(gòu)橋梁對(duì)其進(jìn)行延性地震響應(yīng)分析,混凝土應(yīng)力—應(yīng)變模型采用Mander等人(1988年)建議的應(yīng)力—應(yīng)變模型;鋼筋采用曲線強(qiáng)化模型,由彈性段、屈服段、強(qiáng)化段組成,其強(qiáng)化段為二次拋物線。利用結(jié)構(gòu)分析軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)的非線性時(shí)程分析,得出結(jié)構(gòu)的延性地震響應(yīng),評(píng)價(jià)橋梁的延性抗震能力。1配筋設(shè)計(jì)理論在延性抗震設(shè)計(jì)中,為保證結(jié)構(gòu)延性發(fā)展與耗能,必須設(shè)置塑性鉸,使結(jié)構(gòu)形成期望的耗能機(jī)構(gòu)。塑性鉸的設(shè)置必須滿足結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定要求,且有盡量大的耗能變形能力。避免非設(shè)計(jì)塑性變形模式的出現(xiàn),需要做好結(jié)構(gòu)的能力設(shè)計(jì)。由于箍筋在抗剪、提高混凝土的極限壓應(yīng)變和約束縱向鋼筋等方面起著非常重要的作用,所以延性設(shè)計(jì)以配置箍筋為主。PriestLey對(duì)能力設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行了詳盡的討論,主要內(nèi)容包括:1)所需的配箍量除按延性與軸壓比驗(yàn)算配箍率外,還應(yīng)進(jìn)行抗剪與縱筋屈曲驗(yàn)算。2)塑性鉸的彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)。對(duì)延性抗震設(shè)計(jì)而言,實(shí)際強(qiáng)度比期望強(qiáng)度低的可能性對(duì)彎曲延性設(shè)計(jì)的影響并不顯著,控制結(jié)構(gòu)破壞主要是延性,強(qiáng)度儲(chǔ)備沒(méi)有實(shí)際意義。為限制裂縫發(fā)生在塑性鉸區(qū)中,考慮到P—Δ效應(yīng)與結(jié)構(gòu)構(gòu)造要求,縱向鋼筋的配筋率ρ1限制在0.001≤ρ1≤0.003。3)為保證按預(yù)定的塑性鉸耗能,設(shè)計(jì)中應(yīng)避免非塑性變形模式的出現(xiàn),為滿足強(qiáng)剪弱彎設(shè)計(jì)條件,設(shè)計(jì)剪力取值要考慮有一定的安全儲(chǔ)備,且塑性鉸的彎曲強(qiáng)度要考慮由于鋼筋硬化而引起的增加。4)為確保在地震作用下結(jié)構(gòu)按設(shè)計(jì)的塑性模式變形,必須保證節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度,進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的抗剪與抗彎設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)給出了詳細(xì)的設(shè)計(jì)方法和配筋方案;文獻(xiàn)在對(duì)柱失效機(jī)理進(jìn)行詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上,給出了與縱向配筋率,軸壓比和延性三參數(shù)相關(guān)的配箍率設(shè)計(jì)方法,并指出縱向鋼筋的屈曲驗(yàn)算應(yīng)考慮到箍筋的屈服變形。2動(dòng)力及結(jié)構(gòu)模型本文以某連續(xù)剛構(gòu)橋梁為研究背景。橋梁上部結(jié)構(gòu)布置形式為(25+45+25)=95m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁,箱梁為單箱單室結(jié)構(gòu)。下部結(jié)構(gòu)形式為矩形鋼筋混凝土橋墩,相應(yīng)的橋墩編號(hào)為MD10,MD11,MD12和MD13,橋墩平均高度約為17m。運(yùn)用橋梁有限元計(jì)算軟件SAP2000建立全橋動(dòng)力模型,根據(jù)橋梁的結(jié)構(gòu)特性,建立全聯(lián)三維分析模型。墩、梁采用三維梁?jiǎn)卧M;墩底設(shè)塑性鉸單元,采用Takeda滯回模型。承臺(tái)用剛性連接單元模擬,承臺(tái)底處設(shè)線性彈簧單元考慮土的影響。主梁在MD10和MD13墩處,橫橋向平動(dòng)、豎向平動(dòng)、繞順橋向轉(zhuǎn)動(dòng)、繞豎向轉(zhuǎn)動(dòng)與各墩頂節(jié)點(diǎn)主從約束。對(duì)MD11和MD12墩,墩頂與橋面固結(jié),各方向都施加約束。墩身截面剛度取開裂后的有效剛度。本實(shí)例場(chǎng)地地震動(dòng)峰值加速度為0.10g,地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.35s,抗震設(shè)防烈度為7度,場(chǎng)地地面脈動(dòng)卓越周期0.28s,場(chǎng)地類別為Ⅱ類?？拐鹪O(shè)計(jì)參照文獻(xiàn)。選擇3條同類場(chǎng)地上的實(shí)際地震記錄及1條人工地震波,按照文獻(xiàn),將實(shí)際地震記錄的峰值加速度調(diào)整為0.21g。地震波加速度時(shí)程曲線見(jiàn)圖1。3結(jié)論分析3.1抗壓強(qiáng)度分析運(yùn)用上面所提到的混凝土和鋼筋模型,在UCFYBER軟件中建立各個(gè)墩截面模型,進(jìn)行橋墩截面的彎矩—曲率分析。屈服點(diǎn)定義為截面最外側(cè)鋼筋屈服時(shí)刻。MD10和MD13墩截面相同,MD11和MD12墩截面相同。通過(guò)計(jì)算可知,橋墩截面的配筋率,橫向和縱向體積含箍率都能滿足橋梁抗震規(guī)范的要求。對(duì)橋墩截面進(jìn)行彎矩—曲率分析,計(jì)算中考慮了箍筋約束對(duì)核心混凝土抗壓強(qiáng)度及極限壓應(yīng)變的提高作用,根據(jù)文獻(xiàn)條文說(shuō)明7.3.3條,屈服點(diǎn)定義為截面最外側(cè)鋼筋屈服時(shí)刻;極限點(diǎn)定義為核心混凝土壓碎破壞時(shí)刻,此時(shí)對(duì)應(yīng)箍筋斷裂。關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)(屈服點(diǎn)、極限點(diǎn))及開裂截面剛度(有效剛度)見(jiàn)表1和表2。根據(jù)截面的彎矩—曲率關(guān)系,積分運(yùn)算可以得到橋墩的墩頂橫向力—位移關(guān)系,從而得到橋墩屈服位移和極限位移,進(jìn)而計(jì)算出橋墩的位移延性能力(極限位移與屈服位移比)見(jiàn)表3。3.2橋梁延性能力評(píng)估應(yīng)用SAP2000分析軟件,分別輸入4條地震波進(jìn)行全橋的橫向和縱向的非線性時(shí)程分析,可得出在這4條地震波的作用下,橋墩墩頂?shù)淖畲笪灰浦?見(jiàn)表4)。然后取4條地震波算的位移平均值作為橋墩的最終延性位移響應(yīng)值,與橋墩的屈服位移和極限位移值進(jìn)行比較,評(píng)估橋梁的延性能力。表4中MD11和MD12墩墩頂位移基本一致,而且明顯大于其余兩個(gè)橋墩的位移值,這也符合了均勻布置的連續(xù)剛構(gòu)橋梁的受力。其中橫橋向的墩頂位移響應(yīng)明顯要小于順橋向產(chǎn)生的位移響應(yīng)。除Elcentro地震波激勵(lì)下橋墩達(dá)到屈服位移外,其余3條地震激勵(lì)下均未達(dá)到屈服位移。雖有達(dá)到屈服位移,但都沒(méi)有達(dá)到極限位移值,符合橋梁延性抗震的要求。由于Elcentro地震波為4條地震波中震級(jí)最強(qiáng)的地震波,所以分別列出MD10和MD12墩在Elcentro地震波激勵(lì)下的位移時(shí)程曲線,見(jiàn)圖2。4位移延性能力結(jié)果1)分析了罕遇地震下墩身延性能力。在強(qiáng)震Elcentro地震激勵(lì)下只有個(gè)別橋墩達(dá)到屈服位移,但都沒(méi)有達(dá)到極限位移,即橋墩在罕遇地震激勵(lì)下有部分損壞,但不影響正常工作,不會(huì)發(fā)生倒塌,滿足延性抗震要求。2)經(jīng)過(guò)驗(yàn)算,可發(fā)現(xiàn)各橋墩的位移延性能力中,剛構(gòu)固結(jié)墩的的位移延性能力最大,兩側(cè)橋墩的位移延性能力次