钢筋混凝土桥梁横向抗震性能评估分析.pdf

BR I DGE AND TUNNE L CONS T RUCT I ON AND M ACHI NE RY 文章编号： 1 0 0 0 - 0 3 3 X ( 2 0 1 5 ) 0 8 — 0 0 8 2 — 0 4 钢筋混凝土桥梁横 向抗震性能评估分析 付裕 ， 隆 海健 ( 1 ．北京公联公路联络线有限公司 ， 北京 1 0 0 1 6 1 ； 2 ．中交一公局第五工程有限公司 ， 河北 廊坊0 6 5 2 0 1 ) 摘要 ： 为 了研 究钢 筋混 凝土桥 梁 的抗震 性能 ， 总结 了桥 梁 的横 向抗 震 性 能极 限状 态 ， 并对 地 震作 用下 的极 限状 态分 类 ； 提 出了桥 梁 塑性倒 塌极 限分析 方法 ， 并研 究 了桥 墩抗 剪性 能机 理 。最后 通过 工程 实例 ， 计 算评估 了实际桥 梁在地 震作 用下 的抗震 性能 。 关键 词 ： 桥 梁工程 ； 抗 震性 能 ； 极 限状 态； 塑性倒 塌 中图分 类号 ： U4 4 2 ． 5 5 文献标 志码 ： B Ev a l u a t i o n a n d Ana l y s i s o f La t e r a l S e i s m i c Pe r f o r m a nc e o f Re i n f o r c e d Co n c r e t e Br i dg e F U Yu 。LONG Ha i — j i a n ( 1 ．B e i j i n g Go n g l i a n Ro a d Ti e Li n e Co ．Lt d ．，B e i j i n g 1 0 0 1 6 1 ，C h i n a ； 2 ．CCCC Fi r s t Hi g hwa y Fi f t h En gi ne e r i ng Co ． Lt d ．，La n gf a n g 8 65 20 1，H e be i ，Chi na ) Ab s t r a c t ：I n o r de r t o s t u d y t h e l a t e r a l s e i s mi c pe r f or ma nc e of r e i n f o r c e d c o nc r e t e b r i d ge， t he u l t i ma t e c o n d i t i o n s i n t h e a c t i o n o f e a r t h q u a k e s we r e s u mma r i z e d a n d c a t e g o r i z e d ．Li mi t a n a l y s i s on p l a s t i c c o l l a p s e o f t he br i d ge wa s p ut f o r wa r d， a nd t he me c ha n i s m of s he a r be ha v i o r o f t he p i e r s wa s s t ud i e d ． The s e i s mi c pe r f o r m a n c e o f t he br i dg e u nd e r e a r t hq u a ke a c t i o n wa s e v a l u a t e d b a s e d o n a p r a c t i c a l p r o j e c t ． Ke y wo r ds ：b r i d ge e n gi n e e r i ng；s e i s m i c pe r f o r m a nc e；u l t i ma t e c on d i t i o n；pl a s t i c c o l l a ps e 0 引 言 1 桥 梁横 向抗震性能极限状态 钢筋混凝土桥梁在地震力的作用下 ， 可能发生 弯 曲破坏 、 弯剪破 坏 以及剪 切破坏 。近年 ， 学 者通 过 大量 的调查 及统计 ， 研 究 了桥墩 的不 同破坏形 式 ， 以 及荷载与抗剪强度、 抗弯强度和位移延性系数之间 的关 系 。研 究认 为 ， 钢 筋混 凝 土 桥 墩在 受 到 横 向地 震力作用时会发生弯曲， 并屈服形成塑性铰 ； 且在地 震力的作用下 ， 桥墩抗震强度也会随着延性系数的 增大而快速减小 ， 当减小至极限值时对应 的强度为 塑性 铰 区极 限抗 剪 强 度 。国 内外 学 者普 遍 认 可 “ 强 剪弱弯” 的设计原则已被设计人员广泛采用 ， 在设计 时用来计算钢筋混凝土桥墩 的抗震强度 ， 保证桥墩 在地震横向力作用下发生延性弯曲破坏[ 1 ] 。本文 以某四跨空心板桥为实例 ， 研究分析桥梁墩 台在地 震 横 向力 作用 下 的抗 震能 力 。 收稿 日期： 2 0 1 4 — 1 2 - 1 8 基金项 目： 国家 自然科学基金项 目( 5 1 3 0 8 0 7 7 ) 8 2 公 路桥 梁结 构包括 基础 、 桥墩 及桥 面附属 设施 ， 作为 一个完 整 的受力结 构体 系在 地震作 用下 整体受 力， 其破坏是从局部开始。当桥梁下部构造 ， 如桥墩 遭受破 坏 时会直 接 导致 桥 梁 不具 备 承 载 能 力 ， 随 即 发生 落梁 、 倒 塌 事故 。 1 ． 1 结构 极 限状态分 类 对 于桥 梁结 构 而言 ， 结 构 极 限状 态 主要 发 生在 桥梁下 部结 构构 件 中 ， 如基 础 、 桥 墩 。结 构极 限状态 主要包 括 开裂极 限状 态 、 首 次 屈 服极 限状 态 和 最终 极 限状态 。 ( 1 )开裂 极 限状 态 。处于 此种 极 限状 态 下 的桥 墩在 地震 力作用 下 刚进 入 塑 性 状 态 ， 开 裂极 限状 态 无 实际工 程意义 ； 在 计 算 桥 梁结 构 自振 周期 时 应 考 虑桥梁结构即将进入弹性工作状态， 由此引起开裂 BR JDGE AND TUNNEL CONS TRUCTI ON AND M ACHI NERY 而导致 的刚度下降。 ( 2 )首次 屈 服 极 限状 态 。处 于 此 种 极 限 状 态 下 ， 首先达到屈服的是最外层 的受拉钢筋 ； 同时， 桥 梁结构 的刚度发生大幅度下降。若对构件的恢复特 性进行简化分析， 首次屈服极限状态认为是构件弹 性 与 塑性 的分 界点 。 ( 3 )最终 极 限状 态 。处 于此 种极 限状 态下 的桥 梁结构一般会出现以下两种现象 ： 一是墩 台所受 的 横 向力下降到极 限横 向力 的 8 5 ； 另一 种是 出现 箍筋断裂 ， 主筋弯 曲， 钢筋周边的核心混凝土 大量 碎落 。 1 ． 2 地 震作 用下 极 限状态分 类 作为一个受力体系 ， 桥梁结构在地震作用下的 反 应 可分 为 以下 三 个 极 限状 态 ， 而这 三 个 极 限状 态 与构件 的极 限状 态 有 内在 联 系并相 互对 应 。 ( 1 )正常使用极 限状 态。在弱震情况下 ， 由于 地震力作用较小， 桥梁结构体系仍能正常工作 ， 即使 局部的构件产生微小损坏， 但不需要修复 ， 混凝土不 发生剥落 ， 桥梁无需加固或采取措施仍可继续运营。 ( 2 )破坏 可修 复极 限 状 态 。在 强 震 情 况 下 ， 桥 梁结构 受 到设计 标 准 内的荷 载 作用 ， 并 进 入 塑 性 状 态 ， 桥梁结构产 生适度 的破坏 ， 表层混 凝土 剥落 ， 产生裂缝 ， 需 经过 加 固修 复才能 继续 使用 。注 意 不容许 出现丧失承载能力和承载力下 降太 大的现 象 ， 如箍筋断裂 、 主筋屈 曲等 ， 即构件 不 能达到 最 终极 限状 态 。 ( 3 )结构最终极 限状态 。在超 过设 计 的荷 载 作 用下 ， 即 使桥 梁 发 生 结 构 性 损 坏 ， 桥 梁 也 应 具 有 足够的承 载能力 以承受 结构 的重量 ， 以避 免发 生 桥梁倒塌而对生命 财产造成危害和发生其他 次生 灾 害 。 虽然在某些情况下 ， 即使个别构件达到最终极 限状态 ， 整个桥梁结构在局部修复后仍可以继续使 用 ， 但这要视桥型 、 体系受力状态等多种 因素决定 。 因此， 将局部最终极限状态与整体结构最终极限状 态统一起来显然能使概念更加明确。这一点也是以 下塑性倒塌分析的一个基本假定 。 2塑性倒塌分析方 法 在 进行 塑性 极 限分 析 桥 梁 的结 构 时 ， 采 用 的分 析方法是在各个桥墩逐一进行 ， 在每个连接到刚性 桥 梁上 部结 构 的基 础 上 ， 利用 等效 弹 性 反 应 的惯 性 力和加速度计算对应不 同的极 限状态， 再与规范设 计反应谱进行对 比， 对 比实际的加速度反应谱来确 定 桥梁 结构 的安 全 和抗震 能力 ] 。 2 ． 1 结构 塑性 倒塌 分析 假设 根据上述的荷载一 变形 曲线和桥墩抗推 刚度， 连 接 每一 个桥 墩与 上 部 结构 作 为一 个 整 体 ， 简 化 得 到 初始刚度和抗推刚度相 同的弹簧刚度， 每个桥墩用 以下 3个假设使塑性倒塌分析 。 ( 1 )忽略桥面的柔性 特征 ， 视上部 结构完全 为 刚性结 构 。 ( 2 )不考 虑桥墩 的抗 扭 刚度 。 ( 3 )视混凝土结构 为均匀结构 ， 惯性力及质量 均 匀分 布 ， 惯 性力 作用 于上 部结 构 的质心 。 由于各 桥墩 的极 限位 移不 同 ， 也 不一 定成 比例 ， 因此在 对破 坏极 限 状态 进 行 评 估 时 ， 要 采 用 假设 和 试算法确定最不利桥墩， 并作下述 2方面检验 ： 所假 定 的屈服或未屈服的桥墩是否正确 ； 是否有其他桥 墩 已到达极限位移而成为控制墩 ， 其最终极限状态 对 应着 结构 的最 终极 限状 态 。 2 ． 2桥墩 的荷 载一 变形 曲线 2 ． 2 ． 1单柱或桥 墩 水 平地 震荷 载 为作 用 于单 柱 墩 的 轴 向力 ， 塑性 铰出现在墩底 ， 只能 由通过桥梁结构本身 的重力和 上部结构的重力来确定。根据压弯构件截面分析方 法确定塑性铰区的弯矩一 曲率关系后 ， 即可对桥墩进 行 塑性 倒塌 分析 ， 通 过 逐 步 加 位移 的过 程 确 定 桥墩 的横 向荷 载一 变形关 系 ， 并转化 成 理想线 形模 式 。 应 注 意 的是 ， 为 了对 桥 墩 的 实 际性 能 进 行 准 确 的评估 ， 材料特性由实测确定 ， 而不采用名义值或设 计值 。 2 ． 2 ． 2 多柱 式桥墩 多柱式柱桥墩与单柱式桥墩的区别在于由于上 部盖梁的约束 ， 地震作用会产生轴向力 ， 因此桥墩 的 轴向力由重力和地震轴向力共同组成 。由于地震轴 向力 是 动态 的 ， 因此只有 通 过试验 来确 定 ， 可采 用 以 下方 法 确定 。 ( 1 )根据截 面分析方法 ， 确定仅在重力产生 的 轴向力作用下各塑性铰处的最大弯矩及最大转角。 ( 2 )通过 对桥 墩逐 步加 位移 进 行 非线 性 反应 分 析 ， 确定临界截面达到最大转角时的横 向地震力 E。 ( 3 )求出 E作用 下所 产生 的各墩 柱的轴 向力 N 。运用截面分析方法 ， 计算各塑性铰处在重力及 8 3 BI UDGE AND TUNNEL CoNS TRUCTI oN AND M ACHI NERY 地震产生的轴向力共同作用下 的强度、 弯矩一 曲率关 系及最大转角。通过逐步加位移计算多柱式桥墩的 荷载一 变形曲线 ， 并转化成理想化 的双线性模式 ， 并 确定屈服位移和极限位移及抗推刚度。 3 桥墩抗剪性 能机理 在地震作用下， 为了充分发挥桥墩 的塑性耗能 能力 ， 必须 保证 桥墩 的变形 具有 一定 的延性 ， 且不 出 现脆性剪切破坏， 因此必须对桥墩进行抗剪性能分 析 。 。提供桥墩抗剪能力主要来 自3个方面。 ( 1 )混凝土部分的抗剪能力。它主要来 自混凝 土骨料的咬合力及受压区混凝土的剪切传递 。 ( 2 )箍筋 的抗 力 。 ( 3 )轴向力提供的抗剪能力。由于桥墩变形产 生一定的倾角 ， 使得轴 向力会产生一个有利于抗剪 的分 量 。 抗剪强度分析应充分考虑上述几方 面的影响， 并 同时包 括桥 墩截 面形式 的影 响 。 V 一 V + V + V。 V = 0 ． 8 X A X k N ( ， 。 ) 式 中 ： 为桥 墩抗 剪 能力 ( MP a ) ； V 为混 凝 土抗 剪 强度( MP a ) ； V。 为箍筋抗剪强度 ( MP a ) ； V 为轴 向 力抗 剪 强度 ( MP a ) ； A 为 塑性 铰 区截 面积 ( m ) ； 为混凝土强度( MP a ) ； k为随混凝土主拉应变变化 的混凝土剪应力系数。按图 1取值进行以下抗震分 析计算 。 0 3 ＼一 l 2 3 4 5 6 位移延性系数 图 1混 凝 土 舅应 力 系数 号 式中 ： An 为单 根箍筋 截 面积 ( m ) ； f 为 箍筋 屈 服强 度 ( MP a ) ； D， S为与钢筋布置有关 的尺寸 ， D 为 圆 形桥墩的直径， S为桥墩箍筋 间距 。D／S t a n 0实 际上 是裂缝 所跨 越 的箍 筋层数 。 Vp— P t a n d 式中： 尸为包括所有作用与塑性铰截面的轴向力 ， 如 重力 、 预应力等 ； a为桥墩顶面轴向力与桥墩底面轴 8 4 向力作用位置的连线与桥墩中心线的夹角。 4工程实例 4 ． 1工程概 述 某桥梁为 4 1 3 m的四跨空心板结构， 上部结 构为 高 0 ． 9 5 r n的空 心板 ， 桥面 宽 1 2 ． 0 IT I ， 桥 墩直 径 为 1 ． 2 m， 下部构造为直径为 1 ． 4 m 的钻孔灌注桩 ， 桥 台为 U 台扩 大基 础 ， 桥型 布置 图如 图 2所示 。上 部主梁结构总重 1 0 0 4 0 k N， 每延米重 1 1 2 k N， 桥墩 混凝 土总 重 2 1 4 k N。地震 作 用 在 上 部 结 构 的重 心 处 ， 每座桥墩承受的上部总重量为 w。 为相邻两跨 重量 的一 半与桥 墩 重 量 的 1 ／ 3之 和 ， 桥 墩 底 部 塑性 铰 区临界 截面处 的轴 向荷载 包括 整个 桥墩 的重量 表 w ， 结构数据详见表 1 ^ U u u ① ② ③ 单位 ： cm 图 2 桥梁布置 表 1 桥梁结构数据统计 桥墩 1 # 2 # 3 # 墩高／ m 4 ． 6 8 ． 2 6 ． 9 上部重量 W。 ／ k N 3 7 1 0 2 8 7 O 3 7 1 O 墩底截面力 Wf ／ k N 3 8 5 4 3 0 1 4 3 8 5 4 4 ． 2抗 震性 能评估 为了便于分析 ， 将桥墩的弯矩关系简化为双线 性 关系 。该桥 为桩 基础 ， 无系 梁结构 ， 塑性 铰可 能会 发生在地面以下桩的直径为 1 ． 4 m， 为了简化计算 ， 假设地面以下 1 ． 5倍桩径处被嵌 固， 塑性铰区截面 及 桥墩 的位移 延性 计算结 果见 表 2 。 桥墩 荷载一 位 移关 系 曲线 见 图 3 。由 图可 知 ， 桥 梁体系的变形能力 由 1 、 3 桥墩控制， 整个桥梁体 系的延性系数为 2 ． 0 5 。经计算 ， 体系屈服所需的等 效 地震 荷载 为 VE Y 一1 2 0 4 kN 体系达到屈服时所能承受的等效地震加速度为 S 一 0 ．1 1 6 g B R J DGE AND TUNNE L CONS TRUCT I ON AND MACHI NE RY 表 2 评 估计算结果 桥墩 1 # 2 # 3 # 屈服弯矩 My ／ ( k Nm) 4 3 O 5 3 9 1 2 4 3 O 5 屈服 曲率 cp y ／ mm 0 ． 2 9 1 0 — 5 0 ． 2 5 1 0 — 5 0 ． 2 9 1 0 — 5 塑性铰 L 。 ／ m 0 ． 9 6 4 0 ． 9 6 4 0 ． 9 6 4 屈服位移 A y = L ／ m 0 ． 1 0 4 0 ． 0 9 0 ． 1 0 4 桥墩总高 L ／ m 1 O ． 4 1 O ． 4 1 0 ． 4 极 限塑性转角 O p ／ r a d 0 ． 0 1 1 0 ． 0 1 3 0 ． 0 1 1 极 限曲率 9 ／ mm一 0 ． 1 4 5 1 0 — 4 0 ． 1 6 1 0 — 4 0 ． 1 4 5 1 0 — 4 极限位移 △ p 一 0 ．21 3 0 ． 2 1 9 0 ． 2 1 3 0 。( L—Lp ／ 2 ) + A y ／ m 位移延 性系数 2 ． 0 5 2 ． 4 3 2 ． 0 5 刚度 K／ ( k N m ) 3 9 7 9 ． 8 4 1 7 9 ． 5 3 9 7 9 ． 8 剪力 Vf ／ k N 4 1 3 ． 9 3 7 6 ． 1 5 4 1 3 ． 9 堇 皑 舞 位 移 △／ m 图 3 桥墩荷载一 位 移关 系曲线 结构周期 T为 T 一 1 ． 86 s 由于刚度的减小 ， 体系的周期变长了， 倒塌极限 状 态所 对应 的等 效地 震荷 载为 V 一 2 4 6 8． 2 k N 所确定 的等效地震加速度为 S 一 0 ． 23 7 g 可见 ， 由于体系刚度的减小， 导致了体系抗震能 力的下降。 5 结 语 通过 对桥 梁 横 向塑 性 倒 塌 机 理 和抗 剪 性 能 分 析 ， 并 结 合工 程 实 际 ， 对 桥 梁 横 向抗 震 性 能 进 行 评 估 ， 主要得出以下几点结论 。 ( 1 )该桥梁结构体系达到屈服时所承受 的等效 地震加速度均大于 0 ． 1 g ， 达到 7度抗震设防要求 ， 设计是可行的； 在 8度地震作用下 ， 各桥墩均发生屈 服 ， 但不倒塌。 ( 2 )在 进行 体 系 延 性 变 形 能 力 分 析 时 ， 应 考 虑 桩基作用对体系影响。 ( 3 )体系刚度 的减小虽然增长 了周期 ， 但结构 的抗震能力仍有下降。 参 考文 献 ： [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] 李 晓琴． 高架桥梁抗震设计及拉 索减震 支座的应用 [ J ] ． 地震 工程 与工程震动 ， 2 0 1 4 ， 3 4 ( 2 ) ： 1 9 6 - 2 0 1 ． 韩鹏 ， 王君杰 ， 何剑 ， 等． 高架桥梁抗震设计的弹塑性反应 谱 法[ J ] ． 哈尔滨工程大学学报 ， 2 0 1 3 ， 3 4 ( 4 ) ： 4 6 2 — 4 7 0 ． 刘文华 ， 黎立新． 山区高墩桥 梁抗震设 计[ J ] ． 公路 ， 2 o 1 0 ( 7 ) ： 6 7 4 71 ． 秦禄山． 钢筋混凝 土曲线桥 梁抗震分 析 与设 计[ D ] ． 北京 ： 北 京工业 大学， 2 0 1 2 ． 王东升 ， 司炳君， 孙治 国， 等． 地震作用下钢筋混凝土桥墩塑性 铰区抗剪 强度试验[ J ] ． 中国公路学报 ， 2 O l 1 ， 2 4 ( 2 ) ： 3 4 — 4 1 ． 司炳君 ， 孙 治国， 王东升 ， 等． 高强箍筋约束高强混凝土柱抗震 性能研究综述 [ J ] ． 土木工程学 报， 2 0 0 9 ， 4 2 ( 4 ) ： 卜9 ． 李晓莉 ， 孙 治国， 王东 升． 高地震 烈度 区含矮墩桥梁 抗震设 计 [ J ] ． 公路交通科技 ， 2 O l 2 ， 2 9 ( 4 ) ： 6 7 — 7 1 ． 孙治国 ， 司炳君 ， 王东升 ， 等． 高强箍筋高强混凝土柱抗震性能 研究[ J 3 ． 工程力学 ， 2 o l o ， 2 7 ( 5 ) ： 1 2 8 — 1 3 6 ． [ 责任编辑： 杜卫华] ( 上接 第 8 1页) 果 不 能 保 证 完 全 的 平 衡 施 工 时 ， 需 要 在 现 场 监 测 和理论分析 允许 的基础上 ， 采 用不对 称施 工或交 叉施 工 。 ( 3 )施工荷载对结构的受力影响较大 ， 建议在 管顶 6 0 。 范围内谨慎使用重型压路机 。 ( 4 )管顶填土厚度在 2 I T I 以下时 ， 尽量不要用 重型压路机( 1 2 t 以上) ； 管顶填土厚度在 1 1T I 以下 时， 要尽量使用轻型压路机( 6 t以下) 。 参 考文 献 l [1 ] [ 2] [3 ] 李腾云． 黄土地区高速公 路钢波纹 管涵应用技 术研究 [ J ] ． 山 西建筑 ， 2 0 1 3 ， 3 9 ( 5 ) ： 1 1 8 — 1 2 0 ． 李祝龙． 钢波纹管涵设计与施工 技术[ M3 ． 北 京 ： 人 民交通 出 版社 ， 2 0 0 7 ． 李祝龙 ， 刘百来． 薄壳理论在钢波纹管涵洞力学性 能分析 中的 应用[ M] ． 第三届全 国公路科技创新高层论坛论 文集( 下册 ) ， 北京 ： 人 民交通出版社 ， 2 0 0 6 ． [ 责任编辑 ： 杜敏浩] 8 5