高橋墩橋梁抗震分析

高橋墩橋梁抗震分析

0主橋墩與高橋墩山西省是一個(gè)多山脈省份。鐵路和公路在山區(qū)和山谷的最好形狀是高碼頭橋。近年來,山西修建了很多高墩橋梁,侯月鐵路澮河特大橋跨河谷的10個(gè)橋墩為主橋墩,平均高度為60m,其中有6個(gè)墩的墩身高度高于60m,2個(gè)墩高于70m。10個(gè)主橋墩均設(shè)計(jì)為剛度大、整體受力好、圬工少、重量輕的壁厚為30～40cm的鋼筋混凝土雙線圓端形薄壁空心墩。仁義河特大橋位于山西靈石縣南關(guān)鎮(zhèn)東約13km的道阡村西,于公路測(cè)設(shè)里程K87～185+K88～270之間跨越仁義河,為上、下行分離的2座獨(dú)立橋,且分別與隧道相接。該橋系山西省祁縣臨汾高速公路上的主要橋梁之一,為該公路靈石至霍州段跨度最大、高度最高的橋梁,最高橋墩為73.5m。以后隨著高等級(jí)公路建設(shè)的加快,高橋墩的應(yīng)用還會(huì)越來越多。我國(guó)的西北和西南部地區(qū)是高烈度的地震區(qū)域,在這個(gè)地區(qū)的高墩橋梁在高烈度的地震作用下,將會(huì)呈現(xiàn)出不同于其它地區(qū)的特性,高墩橋梁的興建給抗震設(shè)計(jì)帶來了新的課題。1結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)分析現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外缺乏高橋墩經(jīng)受地震的經(jīng)驗(yàn),故受震害后修復(fù)困難。因此,對(duì)高墩梁橋進(jìn)行準(zhǔn)確的地震反應(yīng)分析,并由此提出針對(duì)高墩的抗震設(shè)計(jì)方法是十分必要的。高橋墩墩體自重大,墩頂還要承載巨大的上部結(jié)構(gòu)和車輛活載,形成一個(gè)承受水平作用力,特別是對(duì)抗震不利的倒擺式結(jié)構(gòu)。如圖1所示。在縱向地震動(dòng)條件下,作為一個(gè)整體的耦連體系,當(dāng)橋墩的高度不太大,相鄰橋墩變化又不太急劇時(shí),僅考慮體系的基本振型(第一類振型中的最低振型)反應(yīng)已有足夠的精度。當(dāng)橋墩的高度較大時(shí),則除了基本振型以外,還要逐墩分別考慮第二類振型的影響。對(duì)于特高橋墩,而且相鄰墩的高度變化又特別顯著時(shí),則其它的高振型的影響可能成為不可忽略的因素。大量的橋梁震害表明:造成橋梁破壞的主要原因是由于地震使橋梁產(chǎn)生的沿橋軸線的縱向水平振動(dòng)和橫向水平振動(dòng)。為了承受巨大的水平地震作用,不得不加大墩體的截面,而加大墩體的截面,通常又會(huì)增大地震慣性力,減少由于增大截面所取得的實(shí)際效果,形成一個(gè)惡性的閉合循環(huán)。當(dāng)墩高和地震烈度增大到一定限度時(shí),甚至出現(xiàn)加大截面變得無(wú)效反而有害的情況。另外,隨著大量的宏觀震害調(diào)查和理論研究的不斷深人,人們逐漸認(rèn)識(shí)到,當(dāng)結(jié)構(gòu)形式接近空間體系時(shí),地震運(yùn)動(dòng)具有的多維性使得結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)也呈現(xiàn)出空間特性。對(duì)于象高橋墩這樣的幾何非線性非常明顯的結(jié)構(gòu),這種特性表現(xiàn)得尤為突出,它受地震動(dòng)豎向加速度分量的影響很明顯。因此,需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行空間地震反應(yīng)分析才能得出結(jié)構(gòu)精確的地震反應(yīng)。多點(diǎn)地震輸入和地基基礎(chǔ)的土?結(jié)相互作用對(duì)高墩大跨橋梁的影響更加突出。地基土對(duì)基礎(chǔ)的約束作用一般用彈簧來模擬,基礎(chǔ)彈性變形對(duì)上部結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形將產(chǎn)生不可忽略的影響。2高橋抗強(qiáng)問題2.1綜合影響分析的應(yīng)用在進(jìn)行高墩橋梁抗震分析時(shí),最常用的分析方法仍然是反應(yīng)譜法,但是在現(xiàn)行的《公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中有個(gè)綜合影響系數(shù)Cz,用來調(diào)整理論計(jì)算與抗震經(jīng)驗(yàn)之間的差距,使抗震計(jì)算結(jié)果乘以綜合影響系數(shù)后與震害區(qū)調(diào)查的實(shí)際情況一致。但是當(dāng)橋墩高于30m時(shí),沒有列出相應(yīng)的綜合影響系數(shù)。因此高墩的反應(yīng)譜分析計(jì)算的高墩反應(yīng)就存在一定的人為因素。在規(guī)范中綜合影響系數(shù)主要考慮的是墩本身是具有彈塑性的,在地震作用下存在著延性耗能的可能,材料的非線性是影響綜合影響系數(shù)的主要因素。但是規(guī)范中對(duì)綜合影響系數(shù)的選取過于籠統(tǒng),不能較為準(zhǔn)確的考慮墩截面的材料和配筋情況。2.2高墩受力的影響高墩在縱向水平地震力作用下產(chǎn)生水平變位,從而使作用在墩頂上的上部結(jié)構(gòu)的重力荷載以及墩身自身的重力荷載產(chǎn)生了偏心,在橋墩內(nèi)將引起二次內(nèi)力和變形(稱P?Δ效應(yīng))。由于豎向地震力的影響,這種P?Δ效應(yīng)將加大而使高墩進(jìn)一步處于不利狀態(tài)。為安全起見,進(jìn)行高墩抗震計(jì)算時(shí),應(yīng)該計(jì)入此P?Δ效應(yīng)引起的內(nèi)力和變形。2.3結(jié)構(gòu)非線性變形特性及結(jié)構(gòu)性能的應(yīng)用結(jié)構(gòu)在強(qiáng)烈地震作用下,大部分將進(jìn)入彈塑性變形階段,與彈性變形相比,過大的塑性變形會(huì)使結(jié)構(gòu)開裂,混凝土脫落,甚至破壞。但另一方面,由于彈塑性階段的結(jié)構(gòu)剛度降低,結(jié)構(gòu)自振周期增大,改變了結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)特性,非彈性的不可恢復(fù)變形可以耗散輸入的地震能量,從而減小地震對(duì)結(jié)構(gòu)的作用。在非線性狀態(tài)下,結(jié)構(gòu)是否破壞將取決于塑性變形能力或耗散能量的能力,而不取決于強(qiáng)度,強(qiáng)度條件并不能恰當(dāng)?shù)毓纼r(jià)結(jié)構(gòu)的抗震能力。如何有效地利用結(jié)構(gòu)非線性變形的耗能能力,同時(shí)結(jié)構(gòu)又不會(huì)產(chǎn)生過大的強(qiáng)度損失和過大的塑性變形,避免開裂太大而不易修復(fù)或破壞,就必須對(duì)結(jié)構(gòu)的彈塑性變形特性及破壞機(jī)理作深入的研究,進(jìn)行結(jié)構(gòu)延性抗震設(shè)計(jì),以減輕甚至避免震害的產(chǎn)生。由于橋梁結(jié)構(gòu)的塑性變形主要集中在橋墩等下部結(jié)構(gòu)上,橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性能與墩柱的動(dòng)力性能直接相關(guān),所以研究墩柱的動(dòng)力性能對(duì)研究全橋結(jié)構(gòu)的彈塑性地震反應(yīng)來說是非常重要的。對(duì)于高橋墩來說,在強(qiáng)震作用下其墩身承受的彎矩特別大,常發(fā)生以彎曲為主的塑性變形。由于墩高和軸力的影響,截面沿墩高方向變化較大,因此彎矩?曲率關(guān)系也是變化的,整個(gè)橋墩需要使用多個(gè)不同的彎矩?曲率關(guān)系。由于截面的變化及截面軸壓比的變化使得塑性鉸不一定產(chǎn)生在墩底,其位置難以判斷;橋墩在橫向地震作用下的力很大時(shí),由于幾何非線性的影響,使得難以計(jì)算墩身內(nèi)力。3彈塑性抗疲勞分析3.1鋼筋混凝土墩柱彈塑性地震反應(yīng)分析用彈性反應(yīng)譜進(jìn)行高墩的地震反應(yīng)分析已經(jīng)不能滿足抗震的要求,因?yàn)閺椥苑磻?yīng)譜方法是建立在線性范圍內(nèi)的,對(duì)于高墩這樣非線性非常明顯的結(jié)構(gòu)來說,再用彈性反應(yīng)譜法來進(jìn)行地震反應(yīng)分析是存在一定缺陷的,在某些情況下甚至得出的是錯(cuò)誤的結(jié)果。因此要了解地震時(shí)橋墩的真實(shí)受力狀況,必須研究橋墩在地震作用下的彈塑性反應(yīng)。對(duì)于鋼筋混凝土墩柱的彈塑性分析,現(xiàn)有的各種方法和模型粗細(xì)不同,難度和實(shí)際效果也大不一樣。越精細(xì)的模型,所要求的計(jì)算量和存儲(chǔ)量大,數(shù)值計(jì)算的難度也大,結(jié)果的穩(wěn)定性也差。反之,簡(jiǎn)單易行的方法卻往往能得到穩(wěn)定合理的結(jié)果。由于地震動(dòng)本身是隨機(jī)的,而混凝土材料的離散性又比較大,因此在地震反應(yīng)分析中過分追求精度沒有多大意義。對(duì)實(shí)際橋梁工程進(jìn)行彈塑性地震反應(yīng)分析時(shí),基于屈服面的彈塑性分析模型能正確把握墩柱的整體彈塑性性能,是目前比較實(shí)用的一種分析方法。對(duì)空間的鋼筋混凝土墩柱進(jìn)行彈塑性分析時(shí),一般都采用屈服面的概念進(jìn)行截面工作狀態(tài)的判別和彈塑性切線剛度的推導(dǎo)。所謂的屈服面,就是屈服強(qiáng)度Pu,Myu和Mzu之間的相互作用面。根據(jù)屈服面的定義,如截面的內(nèi)力坐標(biāo)(P,My,Mz)位于屈服面之內(nèi),表明截面處于彈性狀態(tài);如位于屈服面上,表明截面正好屈服;如位于屈服面之外,表明截面已進(jìn)入塑性工作狀態(tài)。這種基于屈服面的模型相對(duì)比較直觀,也易于理解,數(shù)值計(jì)算的工作量和難度也較小,比較容易得到正確、合理的結(jié)果。3.2結(jié)構(gòu)非線性動(dòng)力增量方程彈塑性結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析的基本思路可分為數(shù)值積分。反應(yīng)值疊加和剛度修正三個(gè)基本步驟。結(jié)構(gòu)在多維地震波作用下的一般動(dòng)力方程為[M][δ¨]+[C][δ˙]+[K][δ]=?[M]{I}δ¨g(t)[Μ][δ¨]+[C][δ˙]+[Κ][δ]=-[Μ]{Ι}δ¨g(t)(1)考慮結(jié)構(gòu)的彈塑性行為時(shí)將動(dòng)力方程(1)改為[M][δ¨]+[C][δ˙]+{F}=?[M]{I}δ¨g(t)[Μ][δ¨]+[C][δ˙]+{F}=-[Μ]{Ι}δ¨g(t)(2)式中,{F}為彈塑性恢復(fù)力向量代替彈性分析過程中的彈性力向量[K]{δ},結(jié)構(gòu)在時(shí)刻i+1的反應(yīng)可用時(shí)刻i的反應(yīng)疊加一個(gè)線性增量的方式給出{Fi+1}={Fi+1}+[Kiˉˉˉˉ]{Δu}{Fi+1}={Fi+1}+[Κiˉ]{Δu}(3)式中,矩陣[Kiˉˉˉˉ][Κiˉ]為增量剛度矩陣,隨結(jié)構(gòu)受力和變形狀態(tài)不同而改變。因此可以寫出結(jié)構(gòu)非線性動(dòng)力增量方程[M]{Δu¨}+[C]{Δu¨}+{Kˉˉˉ}{Δu}=?[M]{Δu¨g}[Μ]{Δu¨}+[C]{Δu¨}+{Κˉ}{Δu}=-[Μ]{Δu¨g}(4)利用動(dòng)力分析的逐步積分法,就可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)彈塑性地震反應(yīng)分析的計(jì)算。在采用數(shù)值分析方法時(shí),結(jié)構(gòu)線彈性地震反應(yīng)分析與非線性地震反應(yīng)分析的主要區(qū)別在于剛度矩陣是否可變。對(duì)于彈塑性反應(yīng)分析計(jì)算,在每一步增量反應(yīng)計(jì)算之前,要先修正矩陣[Kˉˉˉ][Κˉ]中各個(gè)元素的量值,這一構(gòu)成稱為剛度修正。4結(jié)構(gòu)分析方法對(duì)于高橋墩,