國(guó)內(nèi)外橋梁抗震性能評(píng)價(jià)與加固研究

國(guó)內(nèi)外橋梁抗震性能評(píng)價(jià)與加固研究

1延性抗震設(shè)計(jì)近20年來(lái)，美國(guó)、日本等地的地震工作者先后提出了分類(lèi)防御的地震設(shè)計(jì)理念。對(duì)于發(fā)生可能性大、頻率高的中、小地震,為不使結(jié)構(gòu)因累積損傷而影響其使用功能,要求結(jié)構(gòu)處于彈性范圍內(nèi)工作,以強(qiáng)度作為破壞準(zhǔn)則。對(duì)于在結(jié)構(gòu)壽命期內(nèi)發(fā)生概率小的大地震,作為一種突發(fā)的特殊荷載,如果要求結(jié)構(gòu)彈性地抵抗這種作用,既不經(jīng)濟(jì)也不現(xiàn)實(shí),應(yīng)當(dāng)允許結(jié)構(gòu)產(chǎn)生塑性變形和有限度損傷。這時(shí)宜以結(jié)構(gòu)延性(通常定義為結(jié)構(gòu)彈塑性最大變形與結(jié)構(gòu)屈服極限變形之比)作為破壞準(zhǔn)則,以達(dá)到“大震不倒”的要求。目前應(yīng)用較普遍的能力設(shè)計(jì)和延性設(shè)計(jì)的抗震設(shè)計(jì)思想正是通過(guò)有選擇地設(shè)計(jì)出具有一定延性能力的結(jié)構(gòu)構(gòu)件,以實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)整體的保護(hù),達(dá)到最佳的抗震目的。目前我國(guó)公路橋梁中有相當(dāng)一部分橋齡已經(jīng)很長(zhǎng),雖然病害問(wèn)題尚未到大量暴露之時(shí),但值得注意的是已有不少橋梁發(fā)生老化、破損、裂縫等現(xiàn)象,危橋數(shù)目逐年增多,承載能力明顯下降。此外,我國(guó)公路目前執(zhí)行的《公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ004-89)采用單一的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn),沒(méi)有采取足夠的構(gòu)造措施來(lái)保證橋梁的整體延性。而已有的國(guó)外震害表明,未考慮延性抗震設(shè)計(jì)的橋梁即使在中等強(qiáng)度地震(如美國(guó)1989年的LomaPrieta和1994年的Northridge地震)作用下也可能發(fā)生倒塌或嚴(yán)重破壞。有關(guān)已建橋梁的評(píng)價(jià)和加固的相關(guān)內(nèi)容已經(jīng)成為國(guó)外同行的研究熱點(diǎn)。我國(guó)有自己的實(shí)際國(guó)情,如何確保地震區(qū)已經(jīng)建造的橋梁在未來(lái)可能發(fā)生的地震作用下安全可靠地運(yùn)行,最大限度地避免人員傷亡,減輕震災(zāi)帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失,已成為工程界必須面對(duì)的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。因此,及時(shí)開(kāi)展相關(guān)問(wèn)題研究,對(duì)于我國(guó)已建橋梁按照更為先進(jìn)的設(shè)計(jì)思想進(jìn)行抗震性能評(píng)價(jià),并根據(jù)評(píng)價(jià)的結(jié)果提出相應(yīng)的抗震加固措施,具有十分重要的意義。2結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定性分析已建橋梁的地震性能評(píng)價(jià),重點(diǎn)在于對(duì)有效變形和抗震能力的量化分析。目前常用的手段有能力/需求比分析法、推倒分析法與能力譜法、非線性時(shí)程反應(yīng)分析法3種。(1)強(qiáng)度/能力比能力/需求比分析由美國(guó)應(yīng)用技術(shù)委員會(huì)在20世紀(jì)80年代中期提出。該法將橋梁在彈性反應(yīng)中得到的內(nèi)力響應(yīng)(需求)在結(jié)構(gòu)不同部位與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度(能力)之比稱(chēng)為作用的需求/能力比。在簡(jiǎn)單情形下比值(需求/能力)超過(guò)1就意味著結(jié)構(gòu)失效。在較復(fù)雜情形(延性得到保證),比值超過(guò)1(如在2～3之間)也是可以接受的。1989年美國(guó)LomaPrieta地震后能力/需求比分析方法被廣泛應(yīng)用。該法也有一些基本缺陷,如不能準(zhǔn)確得到地震作用引起的軸力,認(rèn)為需求/能力比大于1的截面都有危險(xiǎn),假定截面的彎矩需求/能力比可以給出構(gòu)件的延性需求等。(2)結(jié)構(gòu)推高學(xué)法的結(jié)構(gòu)體系分析推倒分析法最早是1975年由Freeman等提出的,1978年以后雖有一定發(fā)展,但未引起更多的重視。70年代初美國(guó)科學(xué)家和工程師提出了基于性能及基于位移的設(shè)計(jì)方法,引起了日本和歐洲同行的極大興趣,該方法也隨之受到重視。推倒分析方法本質(zhì)上是一種靜力分析方法,是對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力單調(diào)加載下的彈塑性分析。具體講,即在結(jié)構(gòu)分析模型上施加某種方式模擬地震水平慣性力的側(cè)向力,并逐級(jí)單調(diào)加大,構(gòu)件如有開(kāi)裂或屈服,修改其剛度,直到結(jié)構(gòu)達(dá)到預(yù)定的狀態(tài)。其優(yōu)點(diǎn)突出體現(xiàn)在:與振型分解反應(yīng)譜法相比較,它考慮了結(jié)構(gòu)的彈塑性特性;與時(shí)程分析法相比較,其輸入數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單,工作量較小。目前推倒分析方法在各國(guó)橋梁抗震規(guī)范及指南中使用比較廣泛。美國(guó)運(yùn)輸部公路橋梁抗震加固指南、美國(guó)加州抗震設(shè)計(jì)規(guī)范、ATC-40、FEMA-356、日本橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范、韓國(guó)抗震規(guī)范、美國(guó)鐵路工程協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)(AREMA)、歐洲規(guī)范等均將推倒分析法列入其中作為常規(guī)計(jì)算方法。我國(guó)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GBJ-2001)也采用了此法。國(guó)外也已開(kāi)發(fā)出一系列可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)推倒分析的商業(yè)軟件,如SAP2000、GTSTRUDL、DRAIN-2DX、OpenSees等。國(guó)內(nèi)應(yīng)用較為廣泛的是SAP2000,該軟件由美國(guó)加州大學(xué)伯克力分校開(kāi)發(fā)。在推倒分析法的基礎(chǔ)上,發(fā)展起來(lái)一種介于結(jié)構(gòu)彈塑性動(dòng)力分析和彈性動(dòng)力分析之間的結(jié)構(gòu)抗震性能評(píng)估法——能力譜法,屬于簡(jiǎn)化彈塑性評(píng)估方法(也有人把它歸為推倒分析方法中的一部分)。該法把加速度-位移格式的結(jié)構(gòu)能力譜與代表地震需求的反應(yīng)譜相比較,可以非常直觀地評(píng)估結(jié)構(gòu)的地震性能。能力譜與需求譜的交點(diǎn),表示地震需求;能力譜的末點(diǎn)表示結(jié)構(gòu)的極限能力。如果結(jié)構(gòu)的能力譜穿過(guò)需求譜,即表示該結(jié)構(gòu)可以抵抗與需求譜相應(yīng)大小的地震作用。目前該方法正在廣泛深入研究中,ATC-40采用了此法。(3)建立非線性時(shí)程的計(jì)算模型雖然非線性時(shí)程反應(yīng)分析是目前在評(píng)價(jià)橋梁地震行為中相對(duì)而言最成熟、最完善的一種分析方法,但在現(xiàn)有橋梁抗震評(píng)價(jià)的應(yīng)用上還存在一些尚待解決的問(wèn)題。首先,現(xiàn)在只有不多的計(jì)算程序能夠考慮比較符合實(shí)際的空間模型、如墩柱雙軸非彈性響應(yīng)的相互作用、彎曲和剪切強(qiáng)度的相互作用、節(jié)點(diǎn)特性的模擬以及對(duì)屈服后負(fù)剛度和退化滯回響應(yīng)的退化行為的建模。如果不能建立符合實(shí)際的力學(xué)計(jì)算模型,非線性時(shí)程分析的復(fù)雜性對(duì)實(shí)際使用并不能發(fā)揮更好的指導(dǎo)作用。而且,為了確定對(duì)應(yīng)不同指定極限狀態(tài)的響應(yīng),需要進(jìn)行一系列不同地震烈度輸入下的反應(yīng)分析,并且由于怎樣模擬非一致的支承運(yùn)動(dòng)的不確定性,使計(jì)算工作量非常大,計(jì)算結(jié)果也過(guò)度依賴(lài)于選取的加速度時(shí)程曲線,離散性很大,因此為得到較可靠的計(jì)算結(jié)果通常要計(jì)算許多時(shí)程樣本,并加以統(tǒng)計(jì)平均。3采用推倒法評(píng)價(jià)橋的抗疲勞性能3.1推高學(xué)質(zhì)量分析方法推倒分析方法是通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)施加單調(diào)遞增水平荷載進(jìn)行分析的一種非線性靜力分析方法。該方法通常將相鄰伸縮縫之間的橋梁結(jié)構(gòu)當(dāng)作空間獨(dú)立框架考慮,上部結(jié)構(gòu)常假定為剛性。對(duì)每個(gè)框架施加單調(diào)增加的荷載或位移,使其逐漸倒塌,從而確定主要受力構(gòu)件并得到框架的力-變形曲線。從每個(gè)框架的自振頻率分析和設(shè)計(jì)反應(yīng)譜可以估計(jì)出等效的彈性反應(yīng)譜,這樣便得到框架在倒塌前能夠承受的最大設(shè)計(jì)地震力水平了。加州橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范使用了推倒分析方法進(jìn)行橋梁抗震設(shè)計(jì),規(guī)定按開(kāi)裂截面等效剛度建立分析模型,在等位移原則的基礎(chǔ)上,計(jì)算出結(jié)構(gòu)的能力位移曲線后,與彈性分析得到的需求曲線比較,來(lái)判定結(jié)構(gòu)能否承受指定地震力的作用。推倒分析法實(shí)施的主要過(guò)程如下所示:(1)準(zhǔn)備數(shù)據(jù),進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模,確定結(jié)構(gòu)的物理常數(shù)(尺寸、材料特性等)和截面的彎矩-曲率關(guān)系。(2)計(jì)算結(jié)構(gòu)在自重荷載作用下的內(nèi)力作為初始內(nèi)力。(3)使用某一側(cè)向力加載方式對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加載,逐步增大荷載使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)第一個(gè)塑性鉸。(4)改變結(jié)構(gòu)的剛度,繼續(xù)增大荷載,使結(jié)構(gòu)再一次出現(xiàn)塑性鉸。(5)重復(fù)3、4步,使塑性鉸依次出現(xiàn)直至結(jié)構(gòu)達(dá)到考慮的極限狀態(tài)。(6)繪制結(jié)構(gòu)的力-位移曲線,即推倒分析曲線。3.2推斷分析中的一些詳細(xì)問(wèn)題3.2.1結(jié)構(gòu)性能抗震性提到極限狀態(tài),就需要提及基于性能(performance-based)的抗震設(shè)計(jì)理論。該理論是90年代由美國(guó)科學(xué)家和工程師首先提出的,引起了我國(guó)、日本和歐洲地震工程界同行的極大興趣,紛紛展開(kāi)多方面的研究?；谛阅芸拐鹪O(shè)計(jì)的基本思想是使被設(shè)計(jì)的建筑物在使用期間滿(mǎn)足各種預(yù)定功能或性能目標(biāo)要求。結(jié)構(gòu)性能抗震設(shè)計(jì)理論提出了多級(jí)設(shè)計(jì)的理念,其所確定的抗震性能目標(biāo)包含人身安全與財(cái)產(chǎn)損失兩個(gè)方面?；谛阅艿目拐鹪O(shè)計(jì)趨勢(shì)是將結(jié)構(gòu)構(gòu)件、非結(jié)構(gòu)構(gòu)件、內(nèi)部設(shè)施、裝修等多種因素考慮進(jìn)去,由此劃分的抗震性能水準(zhǔn)要更具體細(xì)致。我國(guó)現(xiàn)行建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的3個(gè)性能水準(zhǔn):不壞,可修,不倒,主要針對(duì)主體結(jié)構(gòu)的破壞程度;張新培指出結(jié)構(gòu)性能分為3級(jí),生命安全水準(zhǔn),防止損傷水準(zhǔn),保證使用功能水準(zhǔn),與這3級(jí)結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)相應(yīng)的3種極限狀態(tài)是防倒塌極限狀態(tài),損傷控制極限狀態(tài),抗震正常使用極限狀態(tài);根據(jù)美國(guó)聯(lián)邦緊急救援提供的資料,基于性能的抗震研究可以沿用4個(gè)性能水準(zhǔn),基本完好,輕微破壞,生命安全,不倒塌;李應(yīng)斌等則認(rèn)為,結(jié)構(gòu)抗震性能等級(jí)劃分可以按結(jié)構(gòu)的性能水準(zhǔn)分為5級(jí),基本完好、輕微破壞、中等破壞、嚴(yán)重破壞和倒塌,同時(shí)指出設(shè)防水準(zhǔn)和設(shè)防目標(biāo)緊密相關(guān),并給出了一種設(shè)防地震等級(jí)與性能水準(zhǔn)和設(shè)防目標(biāo)的關(guān)系圖。綜上可見(jiàn),在評(píng)價(jià)具體橋梁時(shí),應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)因素并結(jié)合橋梁的重要性進(jìn)行極限狀態(tài)的確定。3.2.2層纖維模型法截面彎矩-曲率分析時(shí)應(yīng)使用約束混凝土強(qiáng)度,其常見(jiàn)本構(gòu)模型有Mander模型,Sheikh模型,Park模型,Kent-Park模型等。計(jì)算時(shí)可采用其中一本構(gòu)模型,將鋼筋應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系簡(jiǎn)化為理想彈塑性,利用層纖維模型便可以計(jì)算出約束混凝土的截面彎矩-曲率全過(guò)程曲線,使用能量法將該曲線等效為理想彈塑性,就可以用于推倒分析。軸力對(duì)截面彎矩-曲率關(guān)系曲線影響很大,在推倒分析過(guò)程中還應(yīng)根據(jù)軸力的變化水平不斷地調(diào)整該關(guān)系曲線,計(jì)算時(shí)一般可以使用截面的PMM曲面,即軸力與彎矩相互作用的曲面。3.2.3橋臺(tái)剛度的確定和正行等對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)無(wú)論橫橋向抗震分析還是順橋向抗震分析,均應(yīng)注意橋臺(tái)剛度的模擬。該剛度的存在能夠使地震力在橋臺(tái)和橋墩之間的分配比較合理,從而使墩柱的地震需求比較準(zhǔn)確,也可以對(duì)全橋的抗震性能做一個(gè)合理的評(píng)定。UCDavis實(shí)驗(yàn)室通過(guò)大比例尺橋臺(tái)模型試驗(yàn)得到了力-變形結(jié)果和被動(dòng)土壓力試驗(yàn)結(jié)果,由此提出了臺(tái)后填土的初始剛度,該數(shù)據(jù)可以根據(jù)橋臺(tái)類(lèi)型、尺寸進(jìn)行比例調(diào)整以滿(mǎn)足實(shí)際計(jì)算需要。順橋向計(jì)算時(shí),可采用有效剛度的概念來(lái)考慮伸縮縫間隙和臺(tái)后填土的作用;橫橋向計(jì)算時(shí),可采用相鄰排架剛度的一半作為橋臺(tái)的名義剛度。此外,橋臺(tái)如果采用樁基礎(chǔ),應(yīng)該將樁基礎(chǔ)的剛度也考慮在內(nèi)。3.2.4結(jié)構(gòu)加載模式側(cè)向力加載模式是指?jìng)?cè)向力沿結(jié)構(gòu)高度的分布,理論上講,加載模式應(yīng)能夠代表設(shè)計(jì)地震作用下結(jié)構(gòu)慣性力的分布。不同的加載模式將影響推倒分析方法對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的評(píng)估,所以確定符合結(jié)構(gòu)質(zhì)量分布特點(diǎn)的側(cè)向力加載模式顯得比較重要。橋梁推倒分析中常用的加載方式有2大類(lèi):第1類(lèi)包括一階模態(tài)分布、等效水平力分布以及SRSS分布,第2類(lèi)是均勻分布或可調(diào)整的分布(即采用迭代方法求解)。第1類(lèi)的特點(diǎn)是水平力和質(zhì)量分布相適應(yīng),第2類(lèi)的特點(diǎn)是分布力隨著結(jié)構(gòu)屈服引起的變形而變化。目前不同加載方式的優(yōu)劣,研究者尚未達(dá)成共識(shí)。參考美國(guó)規(guī)范和歐洲規(guī)范,本文使用研究方向的一階模態(tài)作為側(cè)向力加載方式。4下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)該算例橋位于云南嵩待路,9度區(qū),上部結(jié)構(gòu)為4孔29.5m的組合工型梁,下部結(jié)構(gòu)采用樁柱基礎(chǔ),墩柱為雙柱型式,柱直徑1.4m。該橋結(jié)構(gòu)型式和設(shè)計(jì)均屬于典型的公路橋梁,可以作為一般橋梁的代表,作為分析與研究的算例也是比較合適的。4.1橋梁抗震能力需求分析根據(jù)正在編制的公路橋梁抗震規(guī)范的征求意見(jiàn)稿和國(guó)內(nèi)外的研究成果,公路橋梁抗震性能評(píng)價(jià)可歸結(jié)為對(duì)橋梁(各構(gòu)件)的位移和強(qiáng)度的能力需求分析。橋梁構(gòu)件分為延性構(gòu)件和能力保護(hù)構(gòu)件,延性構(gòu)件一般指橋梁墩柱,能力保護(hù)構(gòu)件包括橋臺(tái)、基礎(chǔ)、上部結(jié)構(gòu)、支座、蓋梁、承臺(tái)、墩與蓋梁和承臺(tái)的連接部位(節(jié)點(diǎn))等。使用推倒分析進(jìn)行橋梁抗震性能評(píng)價(jià)時(shí),橋梁(各構(gòu)件)的位移和強(qiáng)度的能力需求分析包括以下4個(gè)步驟:(1)確定橋梁的抗震設(shè)防分類(lèi)和地震動(dòng)參數(shù),采用等效剛度的全橋模型進(jìn)行地震作用及其作用效應(yīng)的線性分析,獲得橋梁各墩柱的位移需求;(2)對(duì)橋梁進(jìn)行推倒分析,確定各墩柱及全橋的位移能力;(3)根據(jù)推倒分析獲得的構(gòu)件內(nèi)力,在考慮超強(qiáng)系數(shù)的情況下,按照有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范驗(yàn)算墩柱抗剪強(qiáng)度;(4)根據(jù)推倒分析結(jié)果進(jìn)行能力保護(hù)構(gòu)件的強(qiáng)度驗(yàn)算。4.2內(nèi)相對(duì)于墩柱剛性順橋向分析時(shí),取2橋臺(tái)間的3墩4跨結(jié)構(gòu)作為空間獨(dú)立框架進(jìn)行分析,并認(rèn)為上部結(jié)構(gòu)在水平面內(nèi)相對(duì)(于墩柱)剛性。墩柱取開(kāi)裂截面計(jì)算截面特性,墩頂和墩底均設(shè)置PMM塑性鉸。以非線性彈簧單元模擬橋臺(tái)對(duì)全橋的剛度,橋臺(tái)為重力式,所以彈簧剛度只考慮臺(tái)后填土和初始間隙的影響。橫橋向分析時(shí),橋臺(tái)等效彈簧剛度取相鄰排架墩剛度的一半進(jìn)行需求分析。計(jì)算模型如圖1所示。4.3抗剪能力驗(yàn)算全橋順橋向和橫橋向能力需求曲線比較圖如圖2、圖3所示(圖中通過(guò)原點(diǎn)的斜直線為需求曲線)。由此可見(jiàn),橋梁墩柱的抗彎性能可以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)地震的作用,橋墩墩柱的抗剪能力經(jīng)驗(yàn)算也可滿(mǎn)足要求。進(jìn)行能力保護(hù)構(gòu)件強(qiáng)度驗(yàn)算時(shí),取分析構(gòu)件為隔離體,將求解的邊界條件作用在隔離體上,應(yīng)注意使用墩柱的超強(qiáng)彎矩以及超強(qiáng)彎矩對(duì)應(yīng)的剪力。結(jié)果表明,蓋梁、擋塊等的強(qiáng)度均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)地震要求。對(duì)節(jié)點(diǎn)抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算采用應(yīng)力驗(yàn)算方法,即根據(jù)主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果檢驗(yàn)其是否滿(mǎn)足最小節(jié)點(diǎn)尺寸的要求,同時(shí)檢查受剪鋼筋布置是否滿(mǎn)足要求。結(jié)果表明,節(jié)點(diǎn)尺寸設(shè)計(jì)滿(mǎn)足要求,但箍筋數(shù)量不足且其布置不合理,應(yīng)給予加強(qiáng)。5強(qiáng)度抗加固性能評(píng)價(jià)由于經(jīng)