关键构件失效对桥梁结构强健性影响分析.pdf
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1、建筑结构JIANZHUJIEGOU房凯:关键构件失效对桥梁结构强健性影响分析 工程与建设 年第 卷第期收稿日期:;修改日期:作者简介:房凯(),男,江苏徐州人,硕士,工程师关键构件失效对桥梁结构强健性影响分析房凯(上海市市政规划设计研究院有限公司,上海 )摘要:现阶段,桥梁设计以及施工追求更节约、更快速以满足日益严重的交通拥堵现象,那么传统意义的结构安全系数和正常使用状态的结构承载能力,在特殊情况下能否保证某些构件的破坏不会导致整个结构的连续倒塌.本文以某造型独特的斜拉桥为算例,利用AN S Y S有限元分析软件建模分析,以能量法指标确定结构中的关键构件,采用构件拆除的方法模拟构件失效,并分析
2、构件失效后对结构抗连续倒塌性能的影响.结果表明,桥塔位置处的对拉钢索失效后对结构的动力和静力影响都很显著,并且在对拉钢索断裂后,动力效应会导致钢桥塔出现屈服继而发生连续倒塌.经过计算,需将桥塔的刚度提高至原设计值的 倍,以确保桥梁强健性.关键词:结构安全系数;强健性;关键构件;连续倒塌中图分类号:U 文献标志码:A文章编号:()引言随着科技的进步和经济的发展,现代桥梁除了满足安全、适用、耐久的需求,更加重视美观的需求,尤其是城市桥梁,一些大跨度的桥梁结构常常被定义为地标性建筑,这就导致一些“异形”的桥梁结构层出不穷.但是这类“异形”结构或多或少地存在结构上的不合理性,有些结构甚至发生过因局部构
3、件破坏而导致整个结构出现连续倒塌的事故,而桥梁结构工程师在仅采用传统的极限承载力理论很难评价结构的抗连续倒塌性能,虽然桥梁规范中已经引入了抗连续倒塌的要求,但仍然缺乏具体可行的设计准则和评判标准.因此,在确保该类结构满足传统极限理论的基础上,还需要确保在局部构件失效后的抗连续倒塌性能,即确保桥梁结构具有足够的强健性.首先将桥梁各构件按照重要性以及它们在结构中发挥的作用划分为:基础构件、关键构件、普通构件、附属构件和冗余构件.其中,“基础构件”是指桥梁的基本组成部分,如桥墩、主梁、桥塔等,这类构件的安全系数一般较高,在各类“偶然”事件中能够保证桥梁安全可靠.“关键构件”是指其破坏后会严重影响基础
4、构件正常使用的构件,也是桥梁结构强健性研究的重点;“普通构件”是指桥梁一般结构,其失效的影响范围较小;“附属构件”是指如护栏等附属结构;“冗余构件”主要提供多余约束防止结构在地震等偶然因素下的落梁等.研究结构的强健性定量分析需先制定一个合理的分析方式以及强健性评价指标.参考国内外一些规范,可以用构件拆除法作为分析方式,该方法无须考虑构件破坏的原因,对于动力分析,采用动力的方式,即在极短的时间内将构件拆除,以实现动力状态下的强健性分析.强健性评价指标与结构几何特点、材料特性以及桥梁结构的外力分布有关.对于保守结构系统,在不考虑能量耗散的情况下,构件失效会导致剩余结构的能量转移,而如果剩余构件能够
5、有效地抵抗能量转移而导致的受力变化,也就可以避免剩余结构出现后续破坏,从而保证结构具有强健性.桥梁的强健性评价指标较多,本文选用B o c k l e y和D e s t e r以及叶列平等提出的能量法,其基本思想为:当结构的构件发生破坏时,剩余结构应能够很好地耗散该构件损伤造成的能量转化,避免结构在能量转化过程中出现严重破坏.因此以构件出现损伤时整个结构的应变能变化量作为衡量结构重要性的指标:IU UU,RI式中:U 为有损结构应变能;U为原结构应变能;R为结构强健性.结构中构件越重要,则该构件失效后结构的强健性就越差.该方法可以利用AN S Y S中应变能数据来表达结构在一些特殊情况下的能
6、量变化,并且AN S Y S也可以根据需要对结构进行静力和动力分析,确定各状态下结构出现损失后剩余结构的强健性.工程背景本文研究背景为某独塔斜拉桥,桥跨布置为 m m m m m m,主梁采用预应力混凝土箱梁.主塔采用拱形钢桥塔,但是为了桥塔的美观与经济,其塔柱设置为拱形并且横断面用钢量较少,因其存在径向的力,为确保桥塔整体性,需在桥塔内侧设置对拉钢索,对拉索采用Y形拉索体系,对拉索编号分别D L D L,材料选用 MP a的高强度镀锌钢丝.斜拉索在全桥共有 对,其中自桥塔向边跨左侧上游侧编号为L S L S ,左侧下游、右侧上游和右侧下游 编 号 依 次 为L X S L X ,以 及R S
7、 R S 和R X R X ,对拉索和斜拉索布置如图所示.房凯:关键构件失效对桥梁结构强健性影响分析建筑结构JIANZHUJIEGOU 工程与建设 年第 卷第期 图钢桥塔正面图该斜拉桥的主梁、主塔均属于“基础构件”,一般的拉索属于“普通构件”,护栏属于“附属构件”.对于主塔来说,其本身的破坏将导致桥梁的坍塌,但主塔本身刚度较小而设置了对拉钢索,因此需要分析对拉索以及斜拉索的破坏是否会影响主塔的安全,计算确保桥梁不出现连续倒塌时主塔的刚度需求,评估桥梁的强健性.有限元建模本算例的AN S Y S模型中,以整体坐标系X轴方向为纵桥向,以Y轴方向为竖向,以Z轴方向为横桥向.建模时采用B E AM 单
8、元模拟实际混凝土主梁,该单元适用于大变形以及单元“生死”,桥塔和刚臂也利用B E AM 进行模拟.斜拉索、对拉索采用L I NK 单元.利用AN S Y S建模时,斜拉索和对拉索具有个特点:建模时需要考虑索的初应变;计算时需要考虑应力刚化,.因此,在建模时将L I NK 设置温度应变参数,再以温度变化控制索的内力设置,具体AN S Y S有限元模型如图所示.图A N S Y S空间有限元模型本文选取斜拉索、对拉钢索突然断裂对全桥尤其是对主塔的影响进行研究.为保证模型计算稳定性,采用在极短的时间内将构件拆除的动力方法进行模拟构件的突然破坏情况,并对剩余模型进行有损分析.根据文献提供的准则,在AN
9、 S Y S中的时间步长应小于t/f s,其中f为结构的最高阶频率(H z),本文取前 个振型的最高阶频率.本文采用文献提出的评价桥梁在构件失效时的评价准则,并且为了简化对结构失效的判定,假定混凝土和钢材达到材料标准强度时不宜继续承载.根据该桥采用的材料,对于钢塔达到屈服强度 MP a时构件失效,同理,混凝土的抗压和抗拉强度分别达到 MP a和 MP a时失效,并且约定斜拉索和钢索的安全系数小于施工阶段斜拉索要求的 时为有损伤状 态,即 所有 拉 索的 有损 强 度和 极限 强度 分 别 为 MP a、MP a.该桥基频i为 r a d/s,在高阶频率中,j取 振型频率 r a d/s.根据
10、公路桥梁抗风设计规范 中规定,混凝土结构阻尼比取为 .那么该桥的阻尼系数为:,.在静力分析时考虑汽车荷载和恒载;在动力分析时仅考虑恒载和构件突然破坏时的动力冲击效应.关键构件的确定根据定性分析,该斜拉桥的主梁和桥塔作为“基础构件”在使用阶段必须保证安全,即使出于美观以及节约材料的需求,但是也必须明确拱形钢桥塔之间设置的对拉钢索对桥塔乃至整个结构重要性很大.当该桥L S L S 斜拉索以及D L、D L 钢索依次断裂时,整个结构的应变能变化情形如图所示.图拉索断裂变化能变化计算结果表明,桥塔处的对拉钢索断裂导致整个结构应变能的变化最大,即对整个结构的影响远大于其他斜拉索,因此对拉索重要性系数也远
11、大于斜拉索.因为三根对拉钢索共同受力形成一个受力体系,并且任意一根的破坏都会对整个结构的应变能产生较大的改变,若因其中一根的断裂而导致其余两根出现连续破坏,其应变能的变化将会更加剧烈.因此,对拉钢索体系为该桥的“关键构件”,其破坏可能导致例如桥塔这类基础构件破坏,在此选取D L 钢索断裂的情况进行分析,并选取斜拉索L S 作为对比项.拉索断裂对主梁的影响对于独塔斜拉桥部分的主梁,建立模型时主梁共划分为 个单元,其中 主梁单元位于左侧,单元位于右侧,桥梁主跨立面图如图所示.对模型进行静、动力分析得到主梁的应力结果,如图和图所示分别为主梁对某拉索断裂时的静力和动力应力响应增量结果,其中动力响建筑结
12、构JIANZHUJIEGOU房凯:关键构件失效对桥梁结构强健性影响分析 工程与建设 年第 卷第期应结果为动力分析时间历程内的最值,以下数据结果均以压应力为正,以拉应力为负.图桥梁主跨立面图图拉索断裂时主梁静力分析应力增量图拉索断裂时主梁动力分析应力增量经计算可知,构件破坏后剩余构件静力响应和动力响应的趋势基本一致.静力分析时,若L S 遭到破坏而失效,主梁部分最大拉应力增量为 MP a,出现在号梁单元位置处,主梁最终应力达到了 MP a(压应力);而D L 遭到破坏而失效后,主梁部分最大拉应力增量为 MP a,出现在桥塔附近的主梁单元处,主梁最终应力达到了 MP a(压应力).进行动力分析时,
13、若L S 遭到破坏而失效,主梁部分最大拉应力增量为 MP a,出现在号梁单元位置处,主梁最终应力达到了 MP a(压应力);而D L 遭到破坏而失效后,主梁部分最大拉应力增量为 MP a,出现在桥塔附近的主梁单元处,主梁最终应力达到了 MP a(拉应力).对以上数据分析可知,静力状况下,若斜拉索和对拉钢索出现破坏,主梁材料未超限,仍然可以正常工作,但是在考虑斜拉索和对拉钢索瞬间破坏而产生的动力冲击效应时,剩余结构的动力响应都较大,而对拉钢索的破坏尤其显著.当对拉钢索发生破坏时,动力分析产生的应力增量是静力分析的倍左右,并且在动力分析时,主梁多处的边缘应力超过材料的抗拉强度出现后续破坏,而主梁的
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