高墩橋梁墩柱的地震損傷分析

高墩橋梁墩柱的地震損傷分析

0結(jié)構損傷分析“5.12汶川大地震”地震等級高，烈度高，影響范圍廣，對橋梁造成了強烈破壞。據(jù)統(tǒng)計,墩柱震害占震害橋梁總數(shù)量的35%,墩柱的損傷形式主要表現(xiàn)為彎剪型損傷。由于高墩橋梁結(jié)構構造復雜,且長細比較大,在地震作用下進入塑性階段,產(chǎn)生彈塑性變形,且塑性區(qū)隨地震激勵的增強而擴展,于是與曲率等構件損傷有直接聯(lián)系的結(jié)構變形便成為了重要指標,高墩橋梁墩柱在地震荷載作用下的強度與變形分析顯得尤為重要。本文以G213線川主寺至汶川公路災后重建工程LJ10合同段中的小宗渠順河橋的高墩簡支梁一聯(lián)為例,著重從墩柱的抗剪能力、墩柱的軸力-彎矩-曲率及墩柱塑性轉(zhuǎn)角進行分析。1e3000延性墩柱—墩柱的抗剪設計鋼筋混凝土構件的剪切破壞屬于脆性破壞,是一種危險的破壞模式;對于抗震結(jié)構來說,墩柱剪切破壞還會大大降低結(jié)構的延性能力。因此,為了保證鋼筋混凝土墩柱不發(fā)生剪切破壞,應采用能力保護設計原則進行延性墩柱的抗剪設計。高墩簡支梁橋在E2橫橋向地震作用下的頂、底部區(qū)域均為潛在塑性鉸區(qū)域,而在E2順橋向地震作用下底部區(qū)域為潛在塑性鉸區(qū)域。根據(jù)規(guī)范《公路橋梁抗震設計細則》JTG/TB02-01-2008(以下簡稱《細則》),延性墩柱沿順橋向和橫橋向剪力設計值Vc0可分別按(1)、(2)式計算:順橋向:Vc0=?0ΜxzcΗn(1)Vc0=?0MxzcHn(1)橫橋向:Vc0=?0Μxhc+ΜshcΗn(2)Vc0=?0Mxhc+MshcHn(2)式中:Mxzcxzc為墩柱沿順橋向墩底截面的屈服彎矩值;Mshcshc、Mxhcxhc分別為墩柱沿橫橋向墩頂、墩底截面的屈服彎矩值;Hn為墩柱的凈長度,?0為橋墩截面抗彎承載能力超強系數(shù),一般取?0=1.2。2采用柱法模法分析臺階柱2.1墩柱彎矩分析截面的彎矩曲率分析是針對特定軸力進行分析的,墩柱截面的軸力按最不利荷載作用取用,得出最不利軸力后根據(jù)實際的截面尺寸、各類鋼筋的布置,即可以進行墩柱控制截面的彎矩曲率分析,根據(jù)曲線圖可以得出極限曲率?u和屈服曲率?y、極限彎矩和屈服彎矩,塑性曲率?p=?u-?y。2.2塑性鉸區(qū)域的最大容許轉(zhuǎn)角根據(jù)《細則》,墩柱按延性構件進行設計,在E2地震的作用下,應按式(3)驗算橋墩潛在塑性鉸區(qū)域沿順橋向或橫橋向的塑性轉(zhuǎn)動能力:θp≤θu(3)式中:θp為在E2地震作用下,潛在塑性鉸區(qū)域的塑性轉(zhuǎn)角;θu為塑性鉸區(qū)域的最大容許轉(zhuǎn)角,其計算公式為:θu=Lp(?u-?y)/K(4)其中,?y為屈服曲率,?u為極限曲率,K為延性安全系數(shù),一般取2.0;Lp為塑性鉸長度,Lp取0.08H+0.022fyds和2/3b中的較小值(H為懸臂墩的高度或塑性鉸截面到反彎點的距離,b為矩形截面的短邊尺寸或圓形截面直徑,fy為縱向鋼筋抗拉強度標準值,ds為縱向鋼筋的直徑)。3墩底截面的彎矩-速率分析分析的橋梁為3×30m的簡支T梁,橋面寬10.5m,墩高34m,為變截面實心矩形墩,墩頂截面為1.8m×1.8m,墩底截面為2.3m×1.8m。在地震荷載作用下,墩底的彎矩最大,是潛在的塑性鉸區(qū)域,需對墩底截面進行彎矩-曲率分析。截面的彎矩曲率分析采用加州大學伯克利分校開發(fā)的UCFyber軟件,墩底的軸力按最不利荷載作用取用,墩底截面在橫橋向和縱橋向的M-?關系曲線如圖1和圖2所示。墩底截面的彎矩-曲率分析結(jié)果見表1。3.1順橋向和橫橋向地震作用組合的組合由于本橋不需考慮豎向地震作用且可簡化為直橋,因此,本橋只涉及到恒載作用和地震作用的組合問題,在做動力學模型時,順橋向和橫橋向地震作用對于結(jié)構內(nèi)力和變形的耦合作用可忽略,因此根據(jù)《細則》第5.1.1條規(guī)定,單獨考慮順橋向或橫橋向地震作用與恒載作用的組合,即取以下兩種作用組合工況:恒載+順橋向地震、恒載+橫橋向地震。3.3.1抗彎分析按各組合工況下各截面的最不利情況進行驗算。地震組合作用下各墩柱抗彎強度驗算結(jié)果列于表2和表3。3.3.2斜截面抗剪表4和表5為兩種組合作用下各構件的最大剪力值、按能力保護構件計算出的剪力設計值及各構件相應方向的斜截面抗剪承載力驗算結(jié)果。表中Vco1列的數(shù)值為兩種組合工況下各構件的最大剪力值,Vco2列的數(shù)值為按能力保護構件計算出的剪力設計值,按《細則》6.8節(jié)相關規(guī)定計算,Vcu為構件的斜截面抗剪承載能力值,按《細則》7.3節(jié)相關規(guī)定進行計算。由于在E2地震作用下,橋墩墩底在順橋向地震作用下已經(jīng)發(fā)生屈服,其彎矩值大于屈服彎矩,但在本表中未考慮屈服后彎矩發(fā)生變化導致的剪力變化,故造成橫橋向橋墩模型中提取剪力Vco1大于使用屈服彎矩計算的Vco2現(xiàn)象。其中未屈服截面Vcu取值為橋墩截面斜截面抗剪值。根據(jù)《細則》相關規(guī)定,Vcu要大于Vco1與Vco2中的較大值,根據(jù)表4、表5驗算結(jié)果所示,橋墩順橋向和橫橋向斜截面抗剪承載力均滿足《細則》相關規(guī)定。3.3.3墩底順橋向塑性鉸的轉(zhuǎn)動能力根據(jù)《細則》,在E2地震作用下須進行結(jié)構的變形驗算。結(jié)構變形驗算可為塑性鉸轉(zhuǎn)動能力驗算(第7.4.1條～7.4.5條)。由前面的計算結(jié)果可知,在E2地震作用下,墩底順橋向出現(xiàn)塑性鉸,因此,這里須對墩底塑性鉸區(qū)域沿順橋向的塑性轉(zhuǎn)動能力進行驗算。墩柱潛在塑性鉸區(qū)域沿順橋向的塑性轉(zhuǎn)動能力按《細則》7.4.2條規(guī)定,計算出各墩柱潛在塑性鉸區(qū)域的容許塑性轉(zhuǎn)角后,進行塑性轉(zhuǎn)動能力驗算,驗算結(jié)果見表6(注:曲率的單位為10-3/m,轉(zhuǎn)角的單位為10-3/rad,塑性鉸長單位為m)。4順橋向下塑性階段通過按照《細則》之規(guī)定對本橋在E2地震作用下的抗震分析和驗算可知:(1)在E2地震作用階段,橋墩在順橋向屈服,在橫橋向不發(fā)生屈服,表明順橋向已進入塑性階段。(2)對E2地震作用下兩種組合工況進行結(jié)構的強度和變形驗算可知:a.橋