大跨度上承式鋼管混凝土拱橋地震損傷分析

楊非凡，廖 晶，王占飛

(1.沈陽(yáng)建筑大學(xué) 交通工程學(xué)院，沈陽(yáng)市 110168； 2.中交綜合規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司 北京市 100024)

0 引言

近年來(lái)，鋼管混凝土拱橋以其結(jié)構(gòu)形式多樣、造型優(yōu)美流暢、跨越能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，在我國(guó)得到了快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。雖然在理論上，鋼管混凝土拱橋的整體抗震性能較好，但根據(jù)多次震害后統(tǒng)計(jì)結(jié)果，大跨度鋼管混凝土拱橋中仍有局部構(gòu)件產(chǎn)生損傷。尤其是在高墩拱橋中，橋墩結(jié)構(gòu)抵抗、消耗地震力的能力顯得至關(guān)重要，其決定了橋梁整體抗震能力。因此，分析高墩鋼拱橋在地震作用下的抗震性能是十分必要的。國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了相關(guān)研究：USAMI等[1]詳細(xì)論述了鋼橋基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法，對(duì)比研究基于位移和基于應(yīng)變兩種損傷評(píng)估方法，發(fā)現(xiàn)位移法反應(yīng)橋梁整體的結(jié)構(gòu)損傷較為直觀，但存在一定的局限性，而應(yīng)變法雖然只能應(yīng)用于評(píng)估構(gòu)件層面的損傷，但是通用性較好；PARK等[2]建立了鋼筋混凝土構(gòu)件的地震損傷模型；謝開(kāi)仲等[3]基于內(nèi)力和能量的雙重破壞準(zhǔn)則確定鋼管混凝土拱橋各部分桿件的破壞指數(shù)，建立整橋的破壞評(píng)估模型。

綜合以往研究發(fā)現(xiàn):國(guó)內(nèi)外對(duì)于鋼管混凝土拱橋的整體抗震性能評(píng)估方法已經(jīng)較為完備，但是對(duì)于不同構(gòu)件在地震作用下的損傷情況對(duì)比分析較少。因此，以一座帶有高墩的上承式鋼管混凝土拱橋?yàn)槔捎梅蔷€性時(shí)程法對(duì)其抗震性能進(jìn)行量化分析，并對(duì)比不同類型構(gòu)件在不同強(qiáng)度地震作用下的損傷情況。

1 計(jì)算模型

1.1 工程概況

以一座上承式鋼管混凝土拱橋?yàn)檠芯勘尘啊８鶕?jù)設(shè)計(jì)資料，該拱橋主拱的計(jì)算跨徑為475m，計(jì)算矢高90m，矢跨比為1/5.278，設(shè)計(jì)荷載為公路-I級(jí)。主拱圈采用等寬度變高度空間桁架結(jié)構(gòu)，由鋼管混凝土與鋼管組成，斷面高度從拱頂7.0m變化到拱腳10.0m。單片拱肋寬度2.5m，橫橋向兩片拱肋間的中心距離拱腳、拱頂處均為16.0m。拱肋間設(shè)置橫聯(lián)和斜撐。主拱圈弦管采用Q420ND和Q355ND鋼材，拱圈腹桿、平聯(lián)及拱上立柱、鋼帽梁等均采用Q355ND鋼材，鋼管混凝土拱橋主拱圈內(nèi)灌注C60自密實(shí)微膨脹混凝土；上部主梁預(yù)制橋面板采用C55自密實(shí)微膨脹混凝土；拱座采用C30混凝土；過(guò)渡墩蓋梁、墩身采用C40混凝土。上承式鋼筋混凝土拱橋總體構(gòu)造圖如圖1所示。

圖1 總體構(gòu)造圖(單位: mm)

1.2 有限元模型的建立

采用Midas/civil大型綜合有限元軟件對(duì)全橋模型進(jìn)行建立，如圖2所示。在有限元分析模型中，全橋共劃分為3038個(gè)單元、1861個(gè)節(jié)點(diǎn)。全橋構(gòu)件均采用梁?jiǎn)卧M，其中，主拱圈截面采用鋼管-混凝土組合截面，拱圈支撐單元采用矩形及工字型截面，立柱單元采用帶肋箱型截面，主梁?jiǎn)卧捎娩撓淞荷箱伝炷两M合截面；主拱圈與立柱剛性連接，主梁與立柱剛性連接，主拱圈拱腳處和交界墩底固結(jié)，不考慮結(jié)構(gòu)與地基相互作用。結(jié)構(gòu)材料參數(shù)如表1所示。

圖2 全橋模型圖

表1 結(jié)構(gòu)材料參數(shù)表

1.3 自振特性分析

自振特性分析在橋梁抗震分析中是最基礎(chǔ)的步驟，對(duì)于成橋狀態(tài)下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性分析，此處采用Rizz向量法求解結(jié)構(gòu)的特征值，前十階自振結(jié)果如表2所示。

表2 自振周期和振型

2 地震動(dòng)選取與輸入

2.1 抗震設(shè)防水平與性能目標(biāo)

根據(jù)該橋工程地質(zhì)初勘報(bào)告和設(shè)計(jì)要求知，該橋單跨跨徑超過(guò)150m，抗震設(shè)防類別為A類，地震設(shè)防烈度為Ⅵ度(0.05g)，場(chǎng)地類別屬于I類。為研究該橋在不同抗震設(shè)防水準(zhǔn)條件下的地震響應(yīng)特性，此處采用非線性時(shí)程法對(duì)其進(jìn)行深入分析。根據(jù)我國(guó)現(xiàn)行橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[4]中的相關(guān)規(guī)定，該橋?yàn)锳 類橋梁，因此對(duì)其抗震設(shè)計(jì)應(yīng)采用E1和E2兩水平地震設(shè)防。

2.2 地震波選取

綜合考慮不同場(chǎng)地條件、頻譜特性和幅值的影響，從太平洋地震研究中心選取了3條地震波，加速度時(shí)程和反應(yīng)譜曲線見(jiàn)圖3?？紤]到E1、E2地震作用強(qiáng)度，根據(jù)抗震強(qiáng)度需求對(duì)每條地震動(dòng)進(jìn)行調(diào)幅，使其峰值加速度PGA由0.1g變動(dòng)到0.3g(g為重力加速度)。同時(shí)在橫橋向和豎橋向施加地震力。

圖3 地震波時(shí)程曲線

3 損傷指標(biāo)

為了量化拱橋抗震性能指標(biāo)，分別從構(gòu)件層面和全橋?qū)用鎸?duì)拱橋進(jìn)行地震損傷評(píng)估。在地震損傷評(píng)估中，根據(jù)《公路橋梁抗震細(xì)則》[4]規(guī)定和文獻(xiàn)[5]中的建議，一般將結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)分為5個(gè)等級(jí)，具體如表3所示。在損傷等級(jí)劃分時(shí)，構(gòu)件指標(biāo)的選取通常對(duì)結(jié)果影響較大。結(jié)合諸多橋梁抗震研究和文獻(xiàn)[6]中危險(xiǎn)截面與工程中重點(diǎn)關(guān)注的位置，以及試算分析結(jié)果，選取了選擇 1/4 拱肋、3/8 拱肋、拱頂、跨中主梁、拱腳(方鋼管混凝土)、交界墩(鋼筋混凝土)作為控制構(gòu)件，根據(jù)各構(gòu)件在橋梁結(jié)構(gòu)中的重要性系數(shù)以及損傷后對(duì)整橋安全性和使用性的影響來(lái)確定橋梁各構(gòu)件權(quán)重系數(shù)，進(jìn)而對(duì)整橋進(jìn)行地震損傷評(píng)估?？刂茦?gòu)件具體位置如圖4所示。

表3 橋梁結(jié)構(gòu)不同破壞程度的破壞指數(shù)范圍

圖4 控制構(gòu)件示意圖

參考既有研究和該橋主要構(gòu)件的受力特點(diǎn)，參考Park-Ang[2]雙參數(shù)指標(biāo)和謝開(kāi)仲教授[3]的雙重破壞準(zhǔn)則，拱橋中各構(gòu)件破壞指數(shù)計(jì)算公式如下：

交界墩

(1)

拱肋

(2)

立柱

(3)

式中：Dm,Ixg,Idg分別為交界墩、拱肋和立柱的破壞指數(shù)；δm和δu分別為地震作用下構(gòu)件的最大位移和極限位移；λm和λu分別為地震作用下拱肋截面最大壓彎系數(shù)和拱肋極限壓彎系數(shù)；εm和εu分別為地震作用下構(gòu)件產(chǎn)生的最大應(yīng)變和極限應(yīng)變；α為構(gòu)件極限狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的曲率；Eh為地震作用下截面積累的能量；Nu為構(gòu)件的極限軸力；Mu為構(gòu)件的極限彎矩；l為構(gòu)件的長(zhǎng)度；β為系數(shù)，根據(jù)文獻(xiàn)[7]的建議，分別取0.05、0.139和0.139。

4 全橋抗震分析結(jié)果

4.1 鋼管構(gòu)件地震損傷分析

在眾多鋼管構(gòu)件中選取損傷最大的立柱7進(jìn)行討論，橋梁樣本中立柱只能承受軸向力，因此，立柱的破壞模式為受壓破壞；在分析時(shí)，取最大應(yīng)變、極限應(yīng)變以及極限軸力作為評(píng)估損傷狀態(tài)的指標(biāo)，通過(guò)計(jì)算公式(3)進(jìn)行計(jì)算，損傷分析結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可知：在橫向地震波作用下，構(gòu)件一直處于彈性狀態(tài)；整體來(lái)看，鋼管構(gòu)件損傷較為輕微，幾乎都處于基本完好狀態(tài)，本橋梁模型立柱構(gòu)件安全儲(chǔ)備比較充足。

表4 鋼管構(gòu)件損傷狀態(tài)

4.2 鋼管混凝土構(gòu)件地震損傷分析

在鋼管混凝土構(gòu)件中選取拱圈中點(diǎn)的拱肋上弦桿進(jìn)行討論，通過(guò)計(jì)算公式(2)進(jìn)行計(jì)算，其結(jié)果如表5所示，在峰值強(qiáng)度為0.2時(shí)，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)輕微破壞，在峰值強(qiáng)度為0.3時(shí)，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)中等破壞?？傮w損傷較輕，可以正常工作。

表5 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)

4.3 鋼筋混凝土構(gòu)件損傷分析

在鋼筋混凝土構(gòu)件中選取交界墩底進(jìn)行討論，通過(guò)計(jì)算公式(1)進(jìn)行計(jì)算，其結(jié)果如表6。由表6可知，鋼筋混凝土構(gòu)件損傷較為嚴(yán)重，同時(shí)，根據(jù)內(nèi)力變形圖，與鋼管構(gòu)件的損傷不同，由于鋼筋混凝土構(gòu)件(過(guò)渡墩)與主梁未設(shè)置縱向約束，會(huì)發(fā)生相對(duì)于主梁的獨(dú)立變形。鋼筋混凝土構(gòu)件在三種構(gòu)件中損傷最為嚴(yán)重，在三種地震波作用下都會(huì)發(fā)生損傷，最嚴(yán)重時(shí)會(huì)進(jìn)入倒塌狀態(tài)。

表6 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)

5 結(jié)論

采用Midas/civil軟件建立一座高墩大跨度上承式鋼管混凝土拱橋模型，基于非線性時(shí)程分析，模擬了橋梁在地震作用下的損傷演化過(guò)程，主要結(jié)論如下：

(1)上承式鋼管混凝土拱橋在峰值加速度為0.1g到0.3g的地震動(dòng)作用下，各類構(gòu)件的損傷程度均與加速度峰值成正比。結(jié)合試算分析，對(duì)比不同加載工況，雙向地震作用下構(gòu)件損傷程度最大。

(2)地震作用下，拱橋全橋抗震性能較好，但仍有部分構(gòu)件發(fā)生不同程度的損傷。其中鋼管構(gòu)件主要為立柱、拱肋橫撐、拱肋橫聯(lián)，損傷數(shù)量較少、損傷程度輕；主拱圈上下弦桿由鋼管混凝土構(gòu)件組成，鋼管混凝土構(gòu)件損傷發(fā)生早，損傷數(shù)量多，但損傷程度較輕，基本可以正常工作，其中最易損部位在拱腳；鋼筋混凝土構(gòu)件主要研究對(duì)象為交界墩，其損傷最為嚴(yán)重，0.3g強(qiáng)度下發(fā)生嚴(yán)重?fù)p傷甚至?xí)M(jìn)入倒塌狀態(tài)，抗震設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。