延性抗震設(shè)計(jì)中的塑性鉸長度計(jì)算方法

延性抗震設(shè)計(jì)中的塑性鉸長度計(jì)算方法

彈性折疊長度是結(jié)構(gòu)抗彎計(jì)算和彈性設(shè)計(jì)的重要參數(shù)。橋梁的抗彎環(huán)比設(shè)計(jì)允許在大地震的作用下在橋墩底部形成彎曲的彈性折疊。在形成彎曲變形角時(shí)，組件消耗的地震能量用于形成彎曲變形角。在不同國家的標(biāo)準(zhǔn)下，山地橋梁的抗彎性設(shè)計(jì)規(guī)則主要基于鋼筋和混凝土材料的結(jié)構(gòu)關(guān)系和輪廓的適應(yīng)性。通過彎矩曲線分析確定鍵的初始斷裂曲率，然后使用等效彎長度計(jì)算得出橋的延遲系數(shù)。tnz標(biāo)準(zhǔn)基于位移延伸系數(shù)和等效塑料件長的計(jì)算值來確定曲線延伸系數(shù)。當(dāng)確定重要截面的抗彎能力要求與斷裂延伸系數(shù)相關(guān)時(shí)，可以在變形彎曲部分進(jìn)行詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在地震荷載作用下,塑性鉸計(jì)算長度影響結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)及其結(jié)構(gòu)的自振周期,從而影響結(jié)構(gòu)的延性性能.因此,有必要對各國塑性鉸長度經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行比較研究,從中發(fā)現(xiàn)其取值規(guī)律,為抗震設(shè)計(jì)提供參考依據(jù).1截面距離的確定中國公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則規(guī)定塑性鉸長度Lp取方程組(1)中兩分式計(jì)算結(jié)果的較小值式中:L1懸臂墩的高度或塑性鉸截面到反彎點(diǎn)的距離;ds為縱筋直徑;fy為縱向鋼筋抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值;為矩形截面的短邊尺寸或圓形截面直徑.Caltrans規(guī)范規(guī)定Lp為式中:L2為零彎矩點(diǎn)至塑性鉸形成截面的距離;fye為縱筋屈服強(qiáng)度.AASHTO規(guī)范規(guī)定Lp為式中L3為墩高.Eurocode8規(guī)范規(guī)定Lp取方程組(4)中兩式任意值式中H為地震荷載作用方向的截面高度.TNZ規(guī)范規(guī)定Lp為JSCE規(guī)范規(guī)定Lp為2工程應(yīng)用2.1墻式橋墩延性抗震設(shè)計(jì)研究對象為某在役三跨連續(xù)梁橋,全橋跨徑組合為340m,如圖1所示.主梁斷面為鋼筋混凝土單箱單室箱形斷面,梁寬13.5m、高2.371m.橋墩為墻式橋墩,墩高從13.494m到13.974m不等,兩個(gè)墩柱中心距離為40m,橋墩從左到右依次編號為1#—4#墩,2#墩上為固定支座,其余墩上為滑動(dòng)支座.該橋梁工程區(qū)域的抗震設(shè)防烈度為8度,該橋場地土類型屬中硬土,場地類別屬Ⅱ類.采用了兩水平的抗震設(shè)計(jì)方法對該橋進(jìn)行延性抗震設(shè)計(jì).地震動(dòng)輸入組合為縱橋向+豎向,其中豎向輸入按水平輸入的2/3計(jì)算.進(jìn)行非線性時(shí)程反應(yīng)分析時(shí),荷載輸入場地地震危險(xiǎn)性分析提供的1條50年超越概率2%的人工地震波.2.2單元模擬原理該橋通過有限元軟件SAP2000進(jìn)行三維空間有限元分析.橋墩、主梁等構(gòu)件,均采用三維空間梁單元進(jìn)行模擬.從順橋向來看,墩柱可以理想化為懸臂墩模型,墩柱底部為塑性鉸區(qū)域.考慮樁-土結(jié)構(gòu)的相互作用,沿樁身長度范圍內(nèi)小彈簧模擬土作用于樁上.支座采用三維支座單元進(jìn)行模擬,非線性時(shí)程分析時(shí),考慮支座的摩擦耗能作用,支座采用WEN塑性單元模擬.動(dòng)力分析模型如圖2所示.2.3抗擴(kuò)張效應(yīng)的設(shè)計(jì)2.3.1等效塑性鉸長度用各國現(xiàn)行規(guī)范計(jì)算該橋固定墩即2#墩處的等效塑性鉸長度見表1.從表1中的計(jì)算結(jié)果可以看出,對同一座橋梁,各國抗震規(guī)范采用的經(jīng)驗(yàn)公式在計(jì)算橋墩等效塑性鉸長度時(shí)相差較大.Caltrans規(guī)范、AASHTO規(guī)范、Eurocode8規(guī)范、TNZ規(guī)范、JSCE規(guī)范分別超出中國公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則計(jì)算的等效塑性鉸長度2%,5%,15%,68%,89%.2.3.2等效塑性鉸長度的影響利用程序UCYFBER根據(jù)各國規(guī)范定義等效塑性鉸長度進(jìn)行非線性時(shí)程分析,可得到塑性鉸區(qū)截面的延性需求,以塑性轉(zhuǎn)角作為延性指標(biāo),并且對墩底截面進(jìn)行彎矩-曲率分析,通過曲率與位移的對應(yīng)關(guān)系,可以推得關(guān)鍵構(gòu)件屈服后的位移同屈服位移的比值,即最大位移延性系數(shù).根據(jù)各國規(guī)范取不同的等效塑性鉸長度對該橋進(jìn)行地震反應(yīng)分析,得到罕遇地震作用下固定墩的最大塑性轉(zhuǎn)角的需求、能力和最大位移延性系數(shù),分別見表2、表3.表2中計(jì)算結(jié)果表明墩底塑性鉸轉(zhuǎn)角需求小于能力,橋墩截面均沒有達(dá)到極限狀態(tài).塑性鉸計(jì)算長度不同,橋墩最大塑性轉(zhuǎn)角的需求有所不同但影響不大,而能力隨著塑性鉸長度的增加而增大.這說明采用能力與需求的比較進(jìn)行橋墩地震損傷評價(jià)時(shí),在計(jì)算中采用的等效塑性鉸長度越小,對橋墩損傷程度的評價(jià)越保守.從表3中的計(jì)算結(jié)果可以看出中國公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則給出的計(jì)算方法最保守.計(jì)算結(jié)果表明,橋墩屈服位移一致,橋墩極限位移以及最大位移延性系數(shù)隨著塑性鉸長度的增加而增大,這說明在計(jì)算中采用的等效塑性鉸長度越小,計(jì)算結(jié)果越保守.因此,從等效塑性鉸長度對橋墩地震損傷評價(jià)影響的角度分析,也可以得到如下相同的結(jié)論,即中國公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則給出的計(jì)算方法最保守.3等效塑性鉸長度的確定選取6種規(guī)范給出的塑性鉸長度計(jì)算方法,以一個(gè)實(shí)際工程為例,比較分析各國現(xiàn)行規(guī)范關(guān)于橋墩中塑性鉸長度的規(guī)定對橋墩損傷程度評價(jià)的影響,得出以下結(jié)論.1)采用各國規(guī)范的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算橋墩等效塑性鉸長度時(shí),中國規(guī)范計(jì)算結(jié)果最小.2)塑性鉸長度取值不同,對橋墩最大塑性轉(zhuǎn)角的需求影響不大,對能力的影響隨塑性鉸長度的增加而增大.在計(jì)算中采用等效塑性鉸長度越小,對橋墩損傷程度的評價(jià)越保守.3)塑性鉸長度取值不同,對橋墩屈服位移