基于纖維塑性鉸模型的矮塔斜拉橋地震反應分析

基于纖維塑性鉸模型的矮塔斜拉橋地震反應分析

1預應力混凝土矮拉橋石棉縣四川通往四川的大河。這是設(shè)計“5.12”四川省地震后重建工程之一。這座橋是一座斜形的預制混凝土橋，長75.160.75米（圖1）。橋址處場地類別為Ⅰ類,為了掌握結(jié)構(gòu)在地震作用下的受力情況,并檢驗其在場地的安評地震波作用下是否達到其抗震性能目標,該文對其進行了非線性動力時程彈塑性分析。2鋼筋本構(gòu)模型為了考慮在地震作用下結(jié)構(gòu)的材料和幾何非線性,模型采用纖維截面模擬塑性鉸的特性。對于混凝土材料,選用在數(shù)值分析中廣泛使用的Kent-Park本構(gòu)模型,該模型概念清晰且準確性較高,能同時考慮混凝土強度橫向約束效應,Kent-Park本構(gòu)模型的公式如下:式中:ε為混凝土纖維的應變;σ為混凝土纖維的應力;ε0為發(fā)生最大應力時的應變;εu為極限應變;K為橫向約束引起的強度提高系數(shù);Z為應變軟化時的斜率;f′c為混凝土抗壓強度(MPa)。對于鋼筋材料的本構(gòu)關(guān)系,該文推薦采用修正的Menegotto-Pinto本構(gòu)模型,該模型具有計算效率高、與試驗結(jié)果吻合好的特點,且按照隨動強化準則定義的雙折線曲線可以模擬包辛格效應。模型中所用的關(guān)系公式如下:式中:ε為鋼纖維的應變;σ為鋼纖維的應力;(εr,σr)為卸載點位置,在彈性狀態(tài)時假定為(0,0);(ε0,σ0)為定義當前加載或卸載路徑的兩個漸近線的交點;b為剛度折減率;R0,a1,a2為決定曲線狀態(tài)的參數(shù),該文模型根據(jù)程序使用試驗的優(yōu)化值;ζ為在加載/卸載的方向上最大應變與ε0的差(絕對值),最大應變的初始值假定與±(Fy/E)相同。3橋梁結(jié)構(gòu)動態(tài)分析的模型3.1動力計算分析利用大型空間有限元軟件Midas/Civil對其建立空間模型進行動力計算分析,采用空間梁單元模擬主塔和主梁,采用桁架單元模擬斜拉索,根據(jù)“m法”使用節(jié)點彈性支撐模擬土體對結(jié)構(gòu)樁基礎(chǔ)的作用。3.2混凝土面長設(shè)計由于該矮塔斜拉橋在地震過程中,主要通過橋墩的彈塑性變形來消耗地震能量,故分析中將橋墩作為重點考察對象,該橋橋墩采用C30混凝土,截面為13m×1.2m的矩形截面,縱向布置544根直徑為28mm的HRB335,箍筋為直徑16mm的HRB335鋼筋,在橋墩的底部和墩頂與主梁的連接處附近按間距200mm布置。地震作用引起的橋墩彎矩主要分布在橋墩的底部和墩頂與主梁的連接處附近,故這兩處都有可能進入塑性狀態(tài),因此該文將在墩頂、底范圍均布置一定長度的塑性鉸,塑性鉸的布置見圖2。3.3棉特大橋與棉特大橋根據(jù)橋址所處位置,中國地震局地殼應力研究所為石棉特大橋地震分析擬合了3條場地地面加速度時程數(shù)據(jù),由于篇幅所限,該文僅以第1條安評地震波為例進行分析,考察其順橋向地震效應,地震波如圖3所示。4彈塑度分析的結(jié)果4.1#墩頂截面地震反應力學模擬在順橋向安評地震波輸入下,3#橋墩墩頂截面受力最不利,圖4為3#橋墩頂截面順橋向彎曲能力曲線和彈塑性纖維模型等效骨架曲線,圖5~7分別為3#墩墩底截面在地震作用下的內(nèi)力及變形結(jié)果。5要重視橋墩的基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)的生長通過使用纖維模型對石棉特大橋的彈塑性地震反應分析,可得到如下結(jié)論:(1)在順橋向安評波輸入下,1#、2#和4#橋墩的曲率變形介于開裂曲率與屈服曲率之間,說明橋墩會發(fā)生開裂但不會被損壞;3#橋墩頂、底部塑性鉸的曲率變形介于屈服曲率與破壞曲率之間,表明橋墩會有損傷,但修復后可繼續(xù)使用,建議加強橋墩與基礎(chǔ)的連接及加密橋墩下部箍筋。(2)通過對考慮非彈性鉸和未考慮非彈性鉸的時程分析結(jié)果的分析表明,由于非彈性鉸的材料和幾何非線性變形,形成了一個有效的耗能機制,使結(jié)構(gòu)內(nèi)力發(fā)生重分布,能有效改善橋墩的受力情況。由圖4及圖7對比發(fā)現(xiàn),在順橋向安評波的作用下,3#橋墩的曲率變形已經(jīng)超出開裂曲率,但是沒有超出破壞曲率,說明該處已發(fā)生屈服,結(jié)構(gòu)會有一定程度的損壞,但仍然處于可修復狀態(tài)。4.2不同斷裂處非彈性鉸的轉(zhuǎn)角位在順橋向安評波地震輸入下,考慮橋墩彈塑性變形后的石棉特大橋橋墩的地震響應結(jié)果見表1。由以上計算數(shù)據(jù)可知,在地震作用下,所有橋墩處非彈性鉸均進入開裂狀態(tài),但是1#、2#和4#橋墩的轉(zhuǎn)角位移介于開裂點與屈服點之間,不會被損壞;3#橋墩的頂?shù)撞克苄糟q變形介于屈服點與破壞點之間,表明橋墩有損傷,但修復后可繼續(xù)使用。4.3非彈性鉸在順橋與地震作用下內(nèi)力值對比為了研究非彈性鉸對地震能的消耗作用,表2給出了未考慮塑性變形時的結(jié)構(gòu)時程內(nèi)力。從表2對比可以發(fā)現(xiàn),在順橋向安