纖維模型在橋梁抗震中的應(yīng)用

1、纖維模型在橋梁抗震中的應(yīng)用論文摘要：分析了橋梁震害的原因，介紹了纖維模型的特性，總結(jié)了國內(nèi)外利用纖維單元模擬結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震分析的研究現(xiàn)狀，提出在基于性能的橋梁抗震分析中，應(yīng)用纖維模型合理的模擬在地震作用下進(jìn)入塑性變形階段時的橋墩，得出合理的橋梁抗震性能指標(biāo)來標(biāo)定結(jié)構(gòu)的破壞。論文關(guān)鍵詞：纖維模型,橋梁抗震,彈塑性1、前言地震，是地球內(nèi)部某局部急劇運(yùn)動而發(fā)生的傳播振動的現(xiàn)象。大地震爆發(fā)時，釋放出巨大的地震能量，造成地表和人為工程的大量破壞，嚴(yán)重危及人民生命和財(cái)產(chǎn)的平安，歷來是嚴(yán)重危害人類的一大自然災(zāi)害。據(jù)統(tǒng)計(jì)，地球上平均每年都要發(fā)生近千次的破壞性地震，其中破壞力巨大的災(zāi)難性大地震達(dá)十幾次，如1906

2、年的美國舊金山大地震和1923年的日本關(guān)東大地震，前者使7萬余人喪生，后者使10萬余人死亡，4萬余人下落不明。1971年美國SanFernando地震(M6.6)，導(dǎo)致的城市經(jīng)濟(jì)總損失10億美元(以當(dāng)時的幣值為準(zhǔn))。1976年我國河北唐山大地震(M7.8)，使整個城市在片刻之間淪為一片廢墟，地震造成24萬余人喪生，直接經(jīng)濟(jì)損失近100億元人民幣。尤其是最近的二十余年，全球發(fā)生了許屢次大地震，其中屢次破壞性地震都集中在城市，造成了非常沉重的生命財(cái)產(chǎn)損失。1989年美國LomaPrieta地震(M7.0)，1994年美國Northridge地震(M6.7)，1995年日本阪神大地震(M7.2)，1

3、999年土耳其伊茲米特地震(M7.4)，1999年中國臺灣集集大地震(M7.8)，直接經(jīng)濟(jì)損失分別為：70億美元，200億美元，1000億美元，超過200億美元，118億美元以當(dāng)時幣值計(jì)算。2021年中國四川汶川大地震M8.0，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)8451億元人民幣。特別是2021年日本大地震M9.0，濟(jì)損失或達(dá)25萬億日元。近二十余年發(fā)生的幾次大地震使橋梁結(jié)構(gòu)遭到嚴(yán)重破壞，也使橋梁工作者獲得了非常珍貴的經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)。國內(nèi)外地震工作者歷來都很重視震害的調(diào)查研究，調(diào)查與分析橋梁的震害及其產(chǎn)生的原因，對于認(rèn)識結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理、建立正確的抗震分析、設(shè)計(jì)方法，有巨大的價值。在現(xiàn)代鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)中，橋墩是結(jié)構(gòu)體

4、系中最易遭受地震破壞的構(gòu)件，因鋼筋混凝土橋墩破壞而導(dǎo)致的橋梁嚴(yán)重破壞甚至倒塌現(xiàn)象，己成為現(xiàn)代橋梁震害的最主要特征。深入研究其抗震性能、地震損傷和破壞過程，對加深震害理解和開展橋梁抗震設(shè)計(jì)方法具有重要理論意義和實(shí)際價值。2、橋梁震害原因分析近10年來，公路橋梁震害現(xiàn)象表現(xiàn)出一些新的特點(diǎn)，最明顯的表現(xiàn)之一是上部結(jié)構(gòu)因地基液化而墜毀的現(xiàn)象大大減少。與液化問題明顯減輕形成對照的是，鋼筋混凝土墩柱的大量損壞成為公路橋梁震害的新特點(diǎn)。對墩柱震害可能的原因分析說明:主要是設(shè)計(jì)方法和細(xì)部構(gòu)造兩個方面的缺陷。1設(shè)計(jì)方法上的缺陷對幾次破壞性地震的調(diào)查說明，遭受嚴(yán)重破壞的橋墩都是采用基于線彈性理論的強(qiáng)度設(shè)計(jì)原理進(jìn)行

5、設(shè)計(jì)的。在這種設(shè)計(jì)方法中，唯一考慮的因素只有靜態(tài)的力;，而沒有考慮變形能力;和耗能能力;，這就導(dǎo)致鋼筋混凝墩柱在強(qiáng)烈地震動作用下，往往因設(shè)計(jì)彎曲延性缺乏或塑性鉸區(qū)設(shè)計(jì)抗剪強(qiáng)度缺乏而彎剪破壞或剪切破壞。2細(xì)部構(gòu)造方面的缺陷細(xì)部構(gòu)造方面的缺陷包括橫向箍筋數(shù)量缺乏和間距過大，因而缺乏以約束混凝土和防止縱向受壓鋼筋屈曲，縱向鋼筋和橫向箍筋錨固缺乏導(dǎo)致粘結(jié)失效，以及主筋采用搭接或焊接接頭沒有錯層等細(xì)部構(gòu)造方面的缺陷對橋梁結(jié)構(gòu)抗震性能的不利影響。在橋梁抗震設(shè)計(jì)中，出于經(jīng)濟(jì)方面的考慮，通常允許橋梁結(jié)構(gòu)在遭遇強(qiáng)烈震作用時，發(fā)生一定的彈塑性變形。這實(shí)際意味著下部結(jié)構(gòu)體系在強(qiáng)震作用下，將出現(xiàn)一定的損壞，此時橋梁是

6、否嚴(yán)重破壞或倒塌，就完全取決于下部結(jié)構(gòu)承受反復(fù)的非彈性變形循環(huán)的能力(滯回延性)和耗散能量的能力。目前己經(jīng)認(rèn)識到橋墩塑性鉸區(qū)截面的塑性轉(zhuǎn)動能力，這就對橋墩的延性提出了很高的要求。按照鋼筋混凝土橋墩的延性設(shè)計(jì)要求，橋墩在強(qiáng)振動作用下將經(jīng)歷較大的反復(fù)非彈性變形循環(huán)，此時在鋼筋混凝土橋墩塑性鉸區(qū)內(nèi)，裂縫將大量開展，而且隨著非彈性變形循環(huán)次數(shù)的增加和幅值的增大，裂縫寬度也不斷增大，截面發(fā)生嚴(yán)重破壞，從而降低了整個截面的承載力。由橋梁震害可知，在強(qiáng)烈地震作用下,橋梁結(jié)構(gòu)處于非線性狀態(tài)，并且非線性變形大都集中在墩柱,結(jié)構(gòu)的抗震性能與墩柱的延性變形與耗能能力直接相關(guān),而墩柱的非線性變形能力取決于塑性鉸區(qū)截面

7、的延性性能,因此,對墩柱截面承載力和延性的研究具有重要的理論和實(shí)際意義。3、纖維模型特性及應(yīng)用介紹如何較可靠的模擬結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震作用下的非線性反響是結(jié)構(gòu)抗震領(lǐng)域的重要課題。人們已經(jīng)很好的解決了結(jié)構(gòu)的彈性分析問題,而對結(jié)構(gòu)的非線性反響分析卻一直沒有很好的解決方案。解決結(jié)構(gòu)的非線性反響分析問題首先要解決構(gòu)件非線性分析模型問題。纖維模型是近來引起廣泛關(guān)注的構(gòu)件非線性分析模型。所謂纖維模型，就是將桿件截面劃分成假設(shè)干纖維，每個纖維均為單軸受力，并用材料單軸應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系來描述該纖維材料的受力特性，纖維間的變形協(xié)調(diào)那么采用平截面假定。對于長細(xì)比擬大的桿系結(jié)構(gòu)，纖維模型具有以下優(yōu)點(diǎn)：纖維模型將構(gòu)件截面劃分為假設(shè)

8、干混凝土纖維和鋼筋纖維，通過用戶自定義每根纖維的截面位置、面積和材料的單軸本構(gòu)關(guān)系，可適用于各種截面形狀；纖維模型可以準(zhǔn)確考慮軸力和(單向和雙向)彎矩的相互關(guān)系；由于纖維模型將截面分割，因而同一截面的不同纖維可以有不同的單軸本構(gòu)關(guān)系，這樣就可以采用更加符合構(gòu)件受力狀態(tài)的單軸本構(gòu)關(guān)系，如可模擬構(gòu)件截面不同局部受到側(cè)向約束作用(如箍筋、鋼管或外包碳纖維布)時的受力性能。纖維模型假定構(gòu)件的截面在變形過程中始終保持為平面,這樣只要知道構(gòu)件截面的彎曲應(yīng)變和軸向應(yīng)變就可以得到截面每一根纖維的應(yīng)變,從而可以計(jì)算得到截面的剛度。因纖維進(jìn)入非線性后會產(chǎn)生不平衡力,因此纖維截面的剛度是在構(gòu)件變形過程中迭代計(jì)算得到

9、的。纖維模型能很好的模擬構(gòu)件的彎曲變形和軸向變形。基于纖維模型的結(jié)構(gòu)非線性分析方法在國外已經(jīng)應(yīng)用很多了，但國內(nèi)對該方法的研究還不多。圖1纖維模型截面劃分示意圖ChiaraCasarotti等人采用纖維模型方法計(jì)算了多跨連續(xù)橋梁的地震響應(yīng),給出了最長以及中等長橋墩頂點(diǎn)的響應(yīng)曲線。低周反復(fù)試驗(yàn)以及振動臺試驗(yàn)結(jié)果和纖維模型計(jì)算結(jié)果吻合理想。但是論文中并沒有考慮剪切效應(yīng),這將會影響短橋墩的計(jì)算結(jié)果。在國內(nèi)，研究主要從兩個方面進(jìn)行:一個方面,纖維模型在鋼管混凝土結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算上的應(yīng)用;另一方面,纖維模型本身計(jì)算精度的改良。基于有限單元剛度法的纖維模型梁柱單元已在一些簡單的鋼筋混凝土平面框架

10、結(jié)構(gòu)的靜力分析中獲得應(yīng)用,并取得了令人滿意的計(jì)算結(jié)果。在結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算的應(yīng)用方面,國內(nèi)研究者在吸收前人研究成果的根底上,對于特定問題,采用纖維模型編制了相應(yīng)程序,并對相應(yīng)問題進(jìn)行了研究。顏全勝等推導(dǎo)了鋼管混凝土壓彎構(gòu)件和拱肋的彈塑性剛度矩陣,提出了計(jì)算鋼管混凝土壓彎構(gòu)件和拱肋彈塑性穩(wěn)定承載力的計(jì)算模型,計(jì)算了圓管截面的鋼管混凝土軸向受壓、偏心受壓長柱以及圓管截面鋼管混凝土拱肋的面內(nèi)的彈塑性極限承載力,理論分析結(jié)果與文獻(xiàn)報(bào)道的試驗(yàn)進(jìn)行了比照。熊世樹等提出了采用纖維單元有限元模型來分析隔震支座在豎向和橫向荷載作用下的滯回模型。陳滔等針對有限單元柔度法纖維模型梁柱單元理論,通過對一個退臺6層鋼筋混凝土

11、空間框架振動臺試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬分析結(jié)果的比照,說明纖維模型梁柱單元對中等以下?lián)p傷的結(jié)構(gòu)地震反響具有很好的模擬能力,對于結(jié)構(gòu)處于嚴(yán)重?fù)p傷的階段,模擬所得的結(jié)構(gòu)位移和損傷程度將會小于結(jié)構(gòu)的實(shí)際位移和損傷程度。張愛暉對南水北調(diào)中線工程中的典型渡槽結(jié)構(gòu)以及底部框架多層砌體房屋在罕遇地震作用下的抗震性能進(jìn)行了研究,數(shù)值分析中采用了截面纖維模型。張素梅等進(jìn)行了4個雙向壓彎方鋼管高強(qiáng)混凝土構(gòu)件在低周反復(fù)荷載作用下的試驗(yàn)研究;利用纖維模型法計(jì)算了構(gòu)件的荷載-位移滯回曲線并與實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)比照,研究了軸壓比、套箍系數(shù)、加載角度和荷載類型對構(gòu)件滯回性能的影響。建立了方鋼管混凝土壓彎構(gòu)件的彎矩-曲率和荷載-位移恢復(fù)力模

12、型。黃宗明等分別采用纖維模型梁柱單元和殼單元模型對大跨度預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)在豎向和水平作用下的受力性能進(jìn)行了大量的比照分析,并同大型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比照,確定了等代框架模型的參數(shù)。楊溥等基于有限單元柔度法的纖維模型梁柱單元對不同軸壓比的鋼筋混凝土異形柱在不同加載方向下的受力性能進(jìn)行模擬分析,并分別從承載力、剛度及延性三個方面進(jìn)行比擬,從而為異形柱的受力性能分析及抗震設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。朱杰江等采用兩種非線性宏觀單元梁柱單元和墻單元,單元截面分析采用纖維模型,對上海環(huán)球金融中心大廈振動臺模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析,與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比照,對該大廈原型結(jié)構(gòu)進(jìn)行了彈塑性時程分析和抗震性能評價。呂西林等推導(dǎo)建立了便于

13、框架結(jié)構(gòu)非線性分析應(yīng)用的纖維桿元模型，利用該計(jì)算模型對一棟12層框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了時程非線性分析,計(jì)算結(jié)果與振動臺試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比擬,比擬結(jié)果說明兩者在結(jié)構(gòu)動力特性,位移響應(yīng)方面等均吻合較好,驗(yàn)證了該模型的有效性。馬麟在橋梁結(jié)構(gòu)彈塑性地震反響分析及延性抗震設(shè)計(jì)方法的研究中用纖維梁柱單元做三維地震反響分析，說明從材料層面上來考慮彈塑性，計(jì)算結(jié)果較精確，但計(jì)算量很大。梁智垚在非規(guī)那么高墩橋梁抗震設(shè)計(jì)理論研究中采用彈塑性梁柱單元和彈塑性纖維梁柱單元分別建立墩柱的兩種計(jì)算模型，深入討論了墩柱在地震作用下，塑性鉸形成、塑性區(qū)擴(kuò)展以及塑性轉(zhuǎn)角、墩頂位移等結(jié)構(gòu)地震需求，針對彈塑性梁柱單元模型中不同單元劃分?jǐn)?shù)量對

14、墩柱地震需求的影響進(jìn)行了比擬分析。在此根底上，探討了兩種計(jì)算模型在墩柱地震需求計(jì)算時的適用性。4、結(jié)語本文對橋梁震害的原因進(jìn)行了分析，介紹了纖維模型的特性，總結(jié)了國內(nèi)外利用纖維單元模擬結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震分析的研究現(xiàn)狀，纖維模型在橋梁抗震中的有著廣闊的應(yīng)用前景，在基于性能的橋梁抗震分析中，可以應(yīng)用纖維模型合理的模擬在地震作用下進(jìn)入塑性變形階段時的橋墩，并得出合理的橋梁抗震性能指標(biāo)來標(biāo)定結(jié)構(gòu)的破壞是值得進(jìn)一步研究的一個問題。參考文獻(xiàn)1 范立礎(chǔ).橋梁抗震. 上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,1997.2 張菊輝.基于數(shù)值模擬的規(guī)那么梁橋墩柱的地震易損性分析. 同濟(jì)大學(xué),2006.5 Chiara Casarotti, Rui Pinho.Seismic response of Continuous Span Bridges through Fibe