鋼管混凝土拱橋地震破壞評估研究

0鋼管混凝土構件抗震能力該拱橋具有光滑、美觀、彈性、施工方便、維護方便、透水性強、抗疲勞防滑等優點，在中國得到廣泛應用。2008年的汶川大地震中,震區的320座橋梁中,許多公路橋梁受到嚴重破壞甚至倒塌。因此,眾多學者針對鋼管混凝土拱橋的抗震性能進行了研究,但對地震作用下破壞評估的研究還相當欠缺。建筑結構在地震作用下破壞準則有單參數破壞準則、彎曲破壞比、損傷線性累積破壞準則、能量破壞準則、雙參數破壞準則、基于理想彈塑性恢復力模型的改進破壞準則和雙參數地震破壞模型。史慶軒開展了鋼筋混凝土結構基于性能的抗震研究,并建立了抗震破壞評估模型;Park等建立了鋼筋混凝土構件的地震損傷模型;Chung等建立了混凝土結構的損傷模型;McCabe等建立了結構混凝土結構的損傷評估模型。這些研究中的雙參數破壞準則共同點是顯式包含了位移和耗能參數。于琦等將結構的最大變形與滯回耗能需求同時引入往復Pushover分析,利用隱式雙參數破壞準則進行鋼筋混凝土結構地震損傷評估;Ghosh等采用Park-Ang損傷模型結合能量法進行多層平面框架的損傷評估。在橋梁抗震能力評估研究中,各國學者認為影響梁式橋抗震能力的主要因素為橋墩的抗震能力,這在多次地震中已經損傷的橋梁分析結果中得到了證實,因此大部分橋梁的抗震評估工作均集中在橋墩的抗震能力研究。在鋼管混凝土結構方面,郭蓉等通過研究7根方鋼管混凝土柱在低周反復荷載作用下的滯回性能,獲得了各構件破壞時的累積滯回耗能;文永慶對鋼骨-鋼管混凝土柱雙參數破壞準則進行了研究,分別以配骨指標、套箍系數、剪跨比和軸壓比作為參數,研究了Park-Ang雙參數破壞準則,并對鋼管混凝土結構損傷進行評估,在此基礎上,提出了耗能因子β的計算公式;邱法維等通過試驗研究了鋼管混凝土柱滯回耗能和累積損傷,并推薦在抗震評估中使用鋼管混凝土結構地震損傷系數;閻宇通過試驗和數值模擬方法,以長細比、軸壓比、幅厚比作為控制參數,研究了低周反復水平荷載作用下方鋼管混凝土柱滯回耗能和變形的雙參數損傷模型,并通過數據擬合得到了損傷因子。可見,各國的鋼管混凝土橋梁抗震研究主要針對整橋和主要構件的抗震性能進行定性分析,有些研究建立了構件的抗震損傷破壞模型,有些研究建立了抗震損傷評估模型,然而對鋼管混凝土構件的抗震能力進行定量分析的較少,對鋼管混凝土拱橋整橋抗震能力進行定量分析的還未見報道。因此,本文中在上述研究背景下根據鋼管混凝土拱橋的受力特點和破壞模式提出基于變形或內力和累積耗能的鋼管混凝土拱橋構件的雙重破壞準則,建立鋼管混凝土拱橋構件和整體的破壞評估模型,并對南寧的一座鋼管混凝土拱橋進行破壞評估。1單元的極限、軸承和變形1.1鋼管混凝土力學性能拱肋弦桿是鋼管混凝土拱橋的主要承重構件,其力學性能較鋼筋混凝土構件有很大的優越性,本文中在文獻的基礎上根據鋼管混凝土構件的工作機理和力學特性,同時考慮鋼管混凝土拱肋的受力特點研究弦桿的破壞模式。鋼管混凝土極限軸力Nu為式中:Asc為鋼管混凝土截面面積;fscy為鋼管混凝土極限抗壓強度。鋼管混凝土極限彎矩Mu為式中:γm為抗彎承載力計算系數;Wscm為截面抗彎模量。典型的鋼管混凝土η-ζ關系曲線見圖1,其中η=N/Nu,ζ=M/Mu,N為弦桿的軸力,M為弦桿的彎矩。圖1中曲線為強度極限曲線,曲線分為2個部分,其中A′B′段以直線表示,B′C′D′段以二次拋物線表示,其中式中:ξ為鋼管混凝土含鋼率。1.2拉壓極限強度拱肋中的腹桿為空鋼管,主要起支撐作用,受力方式為軸向受力,破壞模式為軸向拉壓破壞,其強度極限為截面達到破壞狀態時的強度。假定鋼材本構模型為二折線模型,則極限狀態下的軸力與應變分別為式中:fau為鋼管拉壓極限強度;D為鋼管外徑;t為鋼管壁厚;εu為極限應變。1.3軸向力較小且正確控制的破壞模式拱肋的橫向聯系為空鋼管,其主要作用是提高橫向剛度,增強側向穩定性,受力方式為承受軸向力和彎矩作用,由于軸向力比較小,所以破壞模式為受彎破壞。其強度極限為截面達到破壞狀態時的強度。橫向聯系截面尺寸與強度極限狀態應力見圖2。強度極限狀態對應的彎矩式中:fu為抗彎極限強度。強度極限狀態對應的曲率φu和應變εu分別為式中:R為鋼管半徑;fy為塑性屈服強度;Es為彈性模量;G為剪切模量。1.4下吊桿拉伸鋼管混凝土拱橋吊桿結構主要承受拉應力,在拉應力作用下吊桿拉伸,吊桿的材料主要為高強鋼絞線,其強度極限狀態對應的軸力為式中:A為吊桿橫截面面積;fuk為極限抗拉強度。對應的極限應變εu一般為0.035。1.5u3000極限彎矩鋼管混凝土拱橋吊桿橫梁主要承受彎矩作用,破壞模式為受彎破壞,本文中以鋼橫梁為例。由于假設鋼材為理想彈性塑性體,當達到強度極限狀態時,截面全部屈服破壞,此時極限彎矩為式中:h為截面高度;hf′為受壓翼緣的厚度;b為翼緣寬度;tw為腹板厚度。強度極限狀態下全截面達到屈服狀態,中性軸仍位于形心處,此時的極限彎曲曲率為2管道混凝土拱橋破壞評價模型2.1雙重破壞準則基于構件的內力或變形和能量的雙重破壞準則,主要是根據構件在地震力作用下,產生內力或變形和累積耗能,當2個因素達到構件的承受能力,構件就發生破壞,在一定數量的構件發生破壞的情況下,整體結構將不能繼續承受荷載,從而發生倒塌。雙重破壞準則中,鋼管混凝土拱橋各構件破壞指數表達式如下:弦桿腹桿橫向聯系吊桿吊桿橫梁式中:λ為壓彎系數(即軸力和彎矩組合系數);l為弦桿構件長度;λm為地震過程弦桿截面最大的壓彎系數;λu為弦桿的極限壓彎系數,其值為1;a,b,c為系數,εm為地震過程構件截面所達到的最大軸向應變;Eh為截面累積能量;n為積分點個數;i為積分點編號;σ為應力矩陣;εel為彈性應變矩陣;V為積分點體積;Eepl為塑性應變能;Es′為應力硬化能;β為系數,根據文獻回歸統計得出β=0.1387;φm為地震過程構件截面達到的最大彎曲曲率。2.2同一種構件的破壞指數計算橋梁整體的評估模型由各構件的評估模型分層次來建立。為了更準確地確定各構件的破壞指數,根據每根構件在地震過程中累積的地震能量來計算其在同類構件破壞指數中的作用大小,用權重系數w來表示,則弦桿的破壞指數為式中:(Ij)xg為第j根弦桿構件的破壞指數;(Wj)xg為第j根弦桿構件對應的權重系數;Ej為第j根弦桿構件累積能量;∑Ej為拱肋第j根弦桿累積的總能量。同理可得出其他構件破壞指數的表達式。則拱橋整體破壞指數為同理可求出其他部分的累積耗能和權重值。2.3橋梁結構地震破壞評估在地震作用下,根據地震作用的大小,橋梁會產生相應的損傷和破壞,所以需要對橋梁整體進行結構地震破壞評估。地震破壞評估包括建立合理的結構地震破壞模型,確定地震破壞性能目標及相關指數的允許值。根據文獻,定義結構不同破壞程度的破壞指數和橋梁的地震破壞指數范圍,見表1。3設計跨徑長為7度,凈截面為7.廣西南寧永和大橋為下承式變高度桁式鋼管混凝土無鉸拱橋,抗震設防烈度為7度,凈跨徑336m,計算跨徑346m,設計凈矢高為76.873m。拱肋上、下弦桿斷面形狀為平放的啞鈴形,弦桿外徑Φ1220,壁厚20mm。綴板寬1015mm,厚20mm。腹桿鋼管規格Φ610×10。3.1構建有限元模型采用考慮剪切變形的空間梁單元模擬上、下弦桿、豎斜腹桿、弦管綴管、鋼橫梁;用空間桿單元模擬吊桿;用空間板單元模擬弦管鋼綴板、混凝土綴板、臨時鉸處加強鋼板和橋面系;拱腳在橋墩處采用固定約束。桁架拱的鋼管、腹桿、綴管、綴板和橫撐系用Q345鋼,鋼橫梁等用Q235鋼,吊桿用鋼絲繩,混凝土標號C50。設橋縱向為X軸,橫向(河流方向)為Y軸,豎向為Z軸,全橋有限元模型共3672個節點,6874個單元,有限元模型如圖3所示。分析時假定:在地震過程中地震動的3個主軸方向保持不變,分別于橋梁的縱軸、橫軸和豎軸重合,且地震動的傳播方向與橋梁的縱軸向重合。3.2彈性模量、密度和強度C50混凝土彈性模量Ec=34500MPa,密度為2550kg·m-3,軸心抗壓標準值fck=32MPa。Q345鋼的彈性模量Ec=206GPa,密度為7850kg·m-3;在t≤16mm時,取fy=345MPa;在16mm<t<35mm時,取fy=325MPa;fu=470MPa。吊桿彈性模量Ep=195000MPa,密度為7850kg·m-3;強度標準值fpk=1260MPa;強度極限值fuk=1860MPa。3.3不同部位的力學指標計算可得鋼管混凝土拱橋各個部分的力學指標如下:拱肋弦桿橫向聯系吊桿吊桿橫梁3.4變曲線的計算和作用激勵的確定首先對計算模型進行非線性分析,數值模型中鋼材和吊桿采用二折線的本構模型,混凝土采用多線性隨動強化模型,對應的應力-應變曲線的計算選用《混凝土結構設計規范》(GB50010—2002)公式。同時從X,Y,Z這3個方向進行地震作用激勵,地震波采用El-Centro波,不同烈度的地震按照相應的地震波強度進行折減,3個方向的地震波峰值比例取為1∶1∶0.6。地震波持時為10s,地震激勵頻率為時間間隔0.02s,共分500步,采用Newmark-β方法求解結構系統動力方程。3.5結構整體的地震破壞指數計算結果分別對該橋在加速度峰值為0.2g,0.4g,0.8g(g為重力加速度)的地震作用和恒載作用下的損傷破壞進行評估,相當于8度、9度、10度地震作用。選用已建立的鋼管混凝土各部件破壞模型,計算出弦桿的軸力、彎矩和累積能量,腹桿的軸力和累積能量,橫向聯系的彎矩和累積能量,吊桿的拉力和累積能量,吊桿橫梁的彎矩和累積能量,并根據破壞模式中的強度極限及變形狀態計算出構件累積能量,由此得出拱橋結構整體的地震破壞指數。計算結果見表2~4。由表2~4中數據可得到如下結論:(1)拱肋中的弦桿和腹桿是整橋耗能的主要部分,其破壞指數在整橋破壞指數中占據很大的比重。(2)在不同加速度的地震作用下,弦桿和腹桿的破壞程度決定了鋼管混凝土拱橋破壞程度,而橫向聯系、吊桿和吊桿橫梁在地震作用下損傷破壞程度較小,對整橋的破壞程度影響不大。(3)在3種不同強度地震波的作用下,整橋的破壞指數分別為0.098,0.134,0.314,說明該橋在8度地震(加速度峰值為0.2g)的地震波作用下基本完好,9度地震(加速度峰值為0.4g)時屬輕微破壞,10度地震(加速度峰值為0.8g)時屬中等破壞。(4)在3種不同強度地震作用下,腹桿的破壞指數均比較高,且都屬輕微破壞狀態,是鋼管混凝土拱橋抗震的薄弱位置。4抗側力(1)本文中基于鋼管混凝土拱橋的受力特