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考虑墩柱弹塑性变形的大跨度桥梁延性抗震分析
资讯类型:科技前沿 加入时间:2010年7月7日11:33
 
考虑墩柱弹塑性变形的大跨度桥梁延性抗震分析
    苏 成1,2,陈海斌3
    (1.华南理工大学土木与交通学院,广东广州 510641; 2.华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室;3.广东省建筑设计研究院市政所)
    摘 要:基于多弹簧模型,提出了钢筋混凝土弹塑性墩柱单元,用于考虑强震作用下大跨度桥梁墩柱出现的弹塑性变形,并在通用有限元程序Strand7平台上利用其自定义梁单元刚度矩阵功能和API函数实现了大跨度桥梁弹塑性地震响应分析。该单元能够较好地反映墩柱构件在变动轴力和双向弯矩相互作用下的弹塑性行为,并能方便地嵌入通用有限元程序中,大大简化了大跨度桥梁延性抗震计算工作。将上述方法应用于一座主跨428 m的三跨连续中承式钢拱桥的延性抗震分析,获得了理想的结果,验证了文中方法的可靠性和实用性。
    关键词:桥梁抗震分析;弹塑性;多弹簧模型; Strand7; API函数
    1 前言
    国内外大量桥梁震害表明,制定分级抗震设防标准和完善相应的设计方法,是当前减轻地震灾害的有效途径,延性抗震设计方法的应用也体现了这一桥梁抗震设防思想。延性抗震设计的目的就是考虑如何有效地利用结构的弹塑性变形耗能能力,将结构的强度损失控制在一定的范围内,并避免过大的塑性变形,而桥墩的延性设计是延性抗震设计方法的关键,如何合理地模拟强震作用下钢筋混凝土桥墩构件的弹塑性行为,也成为研究的重点。
    以Shing-Sham Lai和Mehdi Saiidi为代表的学者首先提出将钢筋混凝土梁柱构件的杆端塑性区等效为包含5个混凝土弹簧和4个钢筋弹簧的非线性弹簧单元,较好地模拟了钢筋混凝土结构在地震作用下的非线性响应特性。本文基于多弹簧模型(弹簧数量不限),采用组合单元和静力缩聚的方法,将模拟柱端塑性区的非线性多弹簧单元和模拟非柱端线弹性区的普通线弹性梁单元合并为钢筋混凝土弹塑性墩柱单元,并导出了相应的单元切线刚度矩阵。利用通用有限元程序Strand7提供的自定义单元刚度矩阵功能和API函数,将所导出的钢筋混凝土弹塑性墩柱单元嵌入Strand7中,在Strand7平台上方便地实现了大跨度桥梁的延性抗震分析。
    2 钢筋和混凝土的本构关系
    2.1 反复荷载作用下的钢筋本构关系
    图1为钢筋在反复荷载作用下的本构关系曲线,采用双折线弹塑性模型,并考虑钢筋的屈服硬化,钢筋屈服后的弹性模量Et=0.01E,E为弹性状态下钢筋的弹性模量。图1中的σy和εy分别为钢筋的屈服应力和屈服应变。








4 弹塑性地震响应分析在Strand7中的实现
    Strand7是由澳大利亚G+D Computing公司开发的大型通用有限元分析程序系统,整个Strand7是一个高度集成、结构协调的软件系统,具有全面集成的可视化环境和适用于各类不同工程领域的高效求解器,为建立和分析有限元模型以及处理分析结果提供了强有力的工具。Strand7应用程序接口模块API更为用户提供了利用Strand7强大功能开发各种应用程序的最佳途径,是实现Strand7二次开发的重要工具。利用Strand7提供的自定义单元刚度矩阵功能和API函数,可以在每个增量步长中定义式(21)给出的钢筋混凝土弹塑性墩柱单元的切线刚度矩阵,进而利用Strand7进行新增量步长下的结构计算。值得注意的是,在每一个增量步长中,需根据上一步计算得到的{Δδ}以及由式(26)求得的{Δδ①j},由式(4)求出各弹簧应变,进一步利用钢筋或混凝土的本构关系(见前文)确定各弹簧的切线弹性模量,并更新式(21)中的刚度矩阵[K]。
    5 新光大桥延性抗震分析
    新光大桥是广州新光快速路上跨越珠江主航道的特大钢拱桥,全桥跨径组合为3×50(连续梁)+177(边跨)+428(主跨)+177(边跨)+3×50 m(连续梁),主桥为飞雁式三跨连续中承式刚架钢箱桁拱桥。钢筋混凝土三角刚架斜腿采用C50混凝土。该桥开创性地将传统的钢拱桥与钢筋混凝土V形刚构相结合,为拱桥向更大跨度发展提供了新的思路。
    采用条带法计算得到的墩底截面绕强轴和弱轴的屈服面如图7所示。在进行新光大桥延性抗震分析时,采用了新光大桥工程场地地震安全性评价报告提供的100年设计基准期超越概率为10%(P1)和2%(P2)的地面震动加速度时程。经计算分析可知,新光大桥在P1概率水准地震作用下结构处于弹性状态在P2概率水准地震作用下墩底截面已经进入弹塑性状态。

通过P2概率地震作用下的弹塑性时程分析,可以得到各墩底截面的最大塑性转角及相应的轴力水平。采用条带法可以计算得到截面在该轴力水平作用下的弯矩曲率关系,从而可以确定截面的极限曲率φu和屈服曲率φy,则截面的容许塑性转角为θu=(φu-φy)·lp(lp为塑性区长度,取法同前)。各墩底截面的最大塑性转角及相应的容许塑性转角如表1所示。
    由表1可知,新光大桥在P2概率水准地震作用下墩底截面具有一定的转动能力,且最大塑性转角都在容许范围内。但对比墩底截面的容许塑性转角和墩底截面在地震作用下的最大塑性转角,可以发现截面的延性储备还可以进一步提高。由墩柱截面配筋计算得到的截面横向和竖向体积含箍率仅为0.13%和0.14%,而文献[15]规定8、9度区桥梁墩柱加密区段横向和竖向最小体积含箍率均为0.3%,因此可以通过提高三角刚架墩柱的箍筋配置率来改善截面的延性,从而进一步提高桥梁的延性抗震能力。

6 结语
    在结构模型方面,本文基于多弹簧模型建立了模拟强震作用下钢筋混凝土墩柱弹塑性行为的墩柱单元,并导出了相应的单元切线刚度矩阵;在实现手段方面,基于Strand7通用有限元程序的工作平台,通过Strand7 API函数的外部调用,方便地实现了大跨度桥梁弹塑性抗震分析,为大跨度桥梁延性抗震分析提供了一种新的分析手段。将上述成果应用于新光大桥延性抗震分析中,结果表明,该桥在P2概率水准地震作用下具有较好的延性抗震能力,但可以通过提高墩柱的体积含箍率进一步改善钢筋混凝土墩柱的延性,从而提高桥梁的延性抗震能力。
文章来自:中国滑模工程网
文章作者:信息部
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