CN103911942A - 一种钢管混凝土拱桥基于损伤破坏的抗震能力评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种钢管混凝土拱桥基于损伤破坏的抗震能力评估方法，包括以下步骤：基于构件的内力或变形和能量的双重破坏准则，建立钢管混凝土拱桥各结构破坏模型；由各构件和分层次来建立钢管混凝土拱桥的整体评估模型；建立结构地震破坏模型，根据地震作用的大小对钢管混凝土拱桥进行结构地震破坏评估。本发明基于钢管混凝土拱桥的受力特点及破坏模式提出了基于内力或变形和累积耗能的双重破坏准则，从而为钢管混凝土拱桥实现破坏评估提供了途径；此外，通过本发明能够给出较准确的评估结果，能够预测钢管混凝土拱桥在地震作用下的破坏程度，这对震后桥梁加固及后续的工程设计有重要理论价值与实践意义。

Description

一种钢管混凝土拱桥基于损伤破坏的抗震能力评估方法

技术领域

本发明属于钢管混凝土结构技术领域，尤其涉及一种钢管混凝土拱桥基于损伤破坏的抗震能力评估方法。

背景技术

2008年的汶川大地震，调查了震区的320座桥梁，许多公路桥梁受到严重的破坏或者倒塌。钢管混凝土拱桥具有轻盈美观，受力性能优越，施工方便，护养简便，跨越能力强，抗震性能好等诸多优点，在我国得到广泛的应用。近年来，众多学者对钢管混凝土拱桥的抗震性能开展研究，但对地震作用下破坏评估的研究还相当的欠缺，对于建筑结构在地震作用下破坏准则有单参数破坏准则，弯曲破坏比，损伤线性累积破坏准则，能量破坏准则，双参数破坏准则，基于理想弹塑性恢复力模型的改进破坏准则和双参数地震破坏模型，史庆轩开展了钢筋混凝土结构基于性能的抗震研究并建立了抗震破坏评估模型，Park等建立了钢筋混凝土构件的地震损伤模型，ChungY.S.等建立了混凝土结构的损伤模型，S.L.McCabe建立了结构混凝土结构的损伤评估模型述文献中的双参数破坏准则共同点是显式包含了位移和耗能参数，于琦等将结构的最大变形与滞回耗能需求同时引入往复pushover分析，利用隐式双参数破坏准则进行钢筋混凝土结构地震损伤评估。Siddhartha Ghosh采用Park–Ang损伤模型结合能量法进行多层平面框架的损伤评估，国内外学者对梁式桥的抗震能力的主要因素为桥墩的抗震能力，在多次地震中损伤的桥梁可以证实，所以大部分的抗震评估工作是在研究桥墩的抗震能力。

郭蓉等通过7根方钢管混凝土柱在低周反复荷载作用下的滞回性能，获得了各构件破坏时的累积滞回耗能，文永庆对钢骨-钢管混凝土柱双参数破坏准则进行了研究，以配骨指标、套箍系数、剪跨比和轴压比作为参数，着重研究了Park-Ang双参数破坏准则在钢管混凝土结构损伤评估做了详尽的研究，提出了耗能因子β的计算公式，邱法维等通过实验研究了钢管混凝土柱滞回耗能和累积损伤，推荐评估钢管混凝土结构地震损伤系数，阎宇通过实验和数值模拟等方法，以长细比、轴压比、幅厚比作为控制参数，研究了低周反复水平荷载作用下方钢管混凝土柱滞回耗能和变形的双参数损伤模型并通过数据拟合得到了损伤因子。国内外的桥梁工程抗震研究主要针对整桥和主要的构件抗震性能进行定性分析，有些研究建立了构件的抗震损伤破坏模型，在钢筋混凝土结构的抗震研究中，建立了一些抗震损伤评估模型，对钢管混凝土构件的抗震能力定量分析的较少，钢管混凝土拱桥整桥抗震能力定量分析的还未见报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钢管混凝土拱桥基于损伤破坏的抗震能力评估方法，旨在为钢管混凝土拱桥实现破坏评估提供新途径。

本发明是这样实现的，一种钢管混凝土拱桥基于损伤破坏的抗震能力评估方法，包括以下步骤：

基于构件的内力或变形和能量的双重破坏准则，建立钢管混凝土拱桥各结构破坏模型；

由各构件和分层次来建立钢管混凝土拱桥的整体评估模型；

根据地震作用的大小对钢管混凝土拱桥进行结构地震破坏的性能目标和破坏评估。

优选地，所述由各构件和分层次来建立钢管混凝土拱桥的整体评估模型的步骤之后还包括：建立钢管混凝土拱桥地震破坏的性能目标及相关指数的允许值。

优选地，所述钢管混凝土拱桥各结构破坏模型的建立包括：

确定钢管混凝土拱桥各构件破坏指数，根据构件在受地震力作用下，产生内力或变形和累积耗能，当两个因素达到了构件的承受能力，构件就发生破坏，当一定数量的构件发生破坏的情况下，整体结构将不能继续承受荷载，发生倒塌。

优选地，所述钢管混凝土拱桥的整体评估模型建立包括：

结合每根构件在地震力过程中累积的地震能量来计算其在同类构件的破坏指数中的作用大小，确定各部件构件的破坏指数。

本发明克服现有技术的不足，提供一种钢管混凝土拱桥基于损伤破坏的抗震能力评估方法，包括建立钢管混凝土拱桥各结构破坏模型、钢管混凝土拱桥的整体评估模型和钢管混凝土拱桥地震破坏的性能目标和破坏评估。具体步骤如下：

1、钢管混凝土拱桥各构件破坏模型

基于构件的内力或变形和能量的双重破坏准则，主要是根据构件在受地震力作用下，产生内力或变形和累积耗能，当两个因素达到了构件的承受能力，构件就发生破坏，当一定数量的构件发生破坏的情况下，整体结构将不能继续承受荷载，也就发生倒塌。

双重破坏准则中，钢管混凝土拱桥各构件破坏指数表达式如下：

（1）拱肋弦杆：

式中λ为压弯系数（即轴力和弯矩组合系数）：

$N/N_u\≥2{\mathrm{\η}}_0,\mathrm{\λ}=\frac{N}{N_u}+a\frac{M}{M_u}$

$N/N_u<2{\mathrm{\&eta;}}_0,\mathrm{\&lambda;}=-b{\left(\frac{N}{N_u}\right)}^2-c\left(\frac{N}{N_u}\right)+\frac{M}{M_u}$

（2）腹杆

$D{I}_{\mathrm{fg}}=\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_m}{{\mathrm{\&epsiv;}}_n}+\mathrm{\&beta;}\frac{\&Integral;E_h\mathrm{dl}}{\&Integral;N_u{\mathrm{\&epsiv;}}_u\text{dl}}$

（3）横向联系

（4）吊杆

$D{I}_{\mathrm{dg}}=\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_m}{{\mathrm{\&epsiv;}}_n}+\mathrm{\&beta;}\frac{\&Integral;E_h\mathrm{dl}}{\&Integral;N_u{\mathrm{\&epsiv;}}_u\text{dl}}$

（5）吊杆横梁

其中

$E_h=\frac{1}{2}\underset{i=1}{\overset{\mathrm{nint}}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left\{\mathrm{\&sigma;}\right\}}^T\left\{e^{\mathrm{el}}\right\}\mathrm{VO}{L}_i+E_e^{\mathrm{pl}}+E_s$

以上各式中DI为破坏指数，λ_m为地震过程拱肋弦杆构件截面最大的压弯系数；λ_u为弦杆的极限压弯系数，其值为1；a＝1-2η₀， N为地震过程拱肋弦杆构件的最大轴力；M为地震过程拱肋弦杆构件的最大弯矩；N_u为构件达到屈服时的轴向压力；ε_m为地震过程构件截面所达到的最大轴向应变；ε_u为构件受压破坏时的轴向应变；M_u为杆端达到弯曲破坏时的弯矩；Eh为截面累积能量；nint为积分点个数；σ为应力矩阵；ε^el为弹性应变矩阵；VOL为积分点体积；为塑性应变能；E_s为应力硬化能；β是系数，根据文献[5]回归统计得出β＝0.1387；为地震过程构件截面达到的最大弯曲曲率；为极限弯曲曲率。

2、钢管混凝土拱桥的整体评估模型

桥梁整体的评估模型由各构件和分层次来建立，为了更加准确地确定各部件构件的破坏指数，根据每根构件在地震力过程中累积的地震能量来计算其在同类构件的破坏指数中的作用大小，采用权重系数w来表示，各部分的破坏指数为：

弦杆：DI_xg＝Σ(W_i)_xg(DI_i)_xg(W_i)_xg＝(E_i/ΣE_i)_xg

式中：DI_xg为弦杆破坏指数，(DI_i)_xg为弦杆构件破坏指数，(W_i)_xg为权重系数，E_i为弦杆构件累积能量，ΣE_i为拱肋弦杆累积的总能量。

同理可得出其它构件破坏指数表达形式。

整体破坏指数为

DI＝w_xg·DI_xg+w_fg·DI_fg+w_hx·DI_hx+w_dg·DI_dg+w_dghl·DI_dghl

其中：

w_xg＝ΣE_xg/(ΣE_xg+ΣE_fg+ΣE_hx+ΣE_dg+ΣE_dghl)

式中：DI为结构整体破坏指数；w为各部分在整桥的权重系数；ΣE为任各部分累积的总能量。

同理求出其他部分的累积耗能和权重值。

3、钢管混凝土拱桥地震破坏的性能目标和破坏评估

桥梁结构在地震作用下，根据地震作用的大小桥梁会产生相应的损伤和破坏，所以需要对钢管混凝土拱桥进行结构地震破坏评估，地震破坏评估涉及到建立合理的结构地震破坏模型和确定地震破坏的性能目标及相关指数的允许值[DI]。

根据文献：（《中国地震烈度》GB／T-17742-1999））定义建筑结构不同破坏程度的破坏指数和桥梁养护规范（《公路桥涵养护规范》（JTG_H11-2004））定义桥梁的地震破坏指数范围，如下表1所示：

表1桥梁结构不同破坏程度的破坏指数范围

附图说明

图1是本发明一种钢管混凝土拱桥基于损伤破坏的抗震能力评估方法的步骤流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以南宁永和大桥为例，南宁永和大桥为下承式变高度桁式钢管混凝土无铰拱桥，净跨径336m，计算跨径346m，设计净矢高为76.873m。拱肋上下弦杆断面形状为平放的哑铃形，弦杆外径1220mm，壁厚20mm。缀板宽1015mm，厚20mm。腹杆钢管规格610×10。

本发明钢管混凝土拱桥基于损伤破坏的抗震能力评估方法，如图1所示，包括以下步骤：

S1、基于构件的内力或变形和能量的双重破坏准则，建立钢管混凝土拱桥各结构破坏模型；

在步骤S1中，采用考虑剪切变形的空间梁单元模拟上下弦杆、竖斜腹杆、弦管缀管、钢横梁；用空间杆单元模拟吊杆；用空间板单元模拟弦管钢缀板、混凝土缀板、临时铰处加强钢板和桥面系；拱脚在桥墩处采用固定约束。桁架拱的钢管、腹杆、缀管、缀板和横撑系用Q345钢，钢横梁等用Q235钢，吊杆用钢丝绳，混凝土用C50。

钢管混凝土拱桥地震评估计算模型采用大型有限元软件ANSYS建立，使用的单元有三维空间梁单元、板单元，计算模型坐标系，桥纵向为X轴，横向（河流方向）为Y轴，竖向为Z轴，全桥有限元模型共3672个节点，6874个单元。分析时的假定：1）在地震过程中地震动的三个主轴方向保持不变，且分别于桥梁的纵轴、横轴和竖轴重合；2）地震动的传播方向与桥梁的纵轴向重合。

在步骤S1中，材料特性具体为：

C50：弹性模量E_c＝34500MPa，密度为2550kg/m³；轴心抗压标准值f_ck＝32MPa；Q345：弹性模量E_c＝206000MPa，密度为7850kg/m³；强度标准值，t≤16mm，f_y＝345MPa；t＞16～35mm，f_y＝325MPa；强度极限值，f_u＝470MPa；吊杆：弹性模量E_p＝195000MPa，密度为7850kg/m³；强度标准值，f_pk＝1260MPa；强度极限值，f_uk＝1860MPa。

在步骤S1中，钢管混凝土拱桥各部分力学指标为：

钢管混凝土拱肋弦杆：

N_u＝A_sc·f_scy＝67646.918kN

M_u＝γ_m·W_scm·f_scy＝9781.335kN

腹杆：强度极限轴力N_u＝10595.60kN，对应应变ε_u＝0.00326。横向联系：强度极限弯矩M_u＝27.568kN·m，对应曲率。

吊杆：强度极限轴力N_u＝4731.00kN，对应应变ε_u＝0.00954。

吊杆横梁：强度极限弯矩M_u＝19643.104kN·m，对应应变ε_u＝0.00326，对应曲率。

S2、由各构件和分层次来建立钢管混凝土拱桥的整体评估模型；

在步骤S2中，先对计算模型进行非线性分析，数值模型中的钢材和钢丝绳采用二折线的弹塑性模型，混凝土的本构模型采用多线性随动强化模型，对应的应力应变曲线的计算选用《混凝土结构设计规范》（GB50010—2002)公式。地震作用同时从X、Y和Z三个方向进行激励，地震波采用EL-Centro波，不同的烈度地震按照相应的地震波强度进行折减，三个方向的地震波峰值比例取为1:1:0.6。地震波持时为10s，地震激励频率为时间间隔0.02s，共分500步，采用Newmark-β方法求解结构系统动力方程。

S3、根据地震作用的大小对钢管混凝土拱桥进行结构地震破坏的性能目标和破坏评估。

在步骤（3）中，分别对该桥在加速度峰值为0.2g、0.4g和0.8g的地震作用（《公路桥梁抗震设计细则》（JTGTB02-01-2008））和恒载作用下的损伤破坏进行评估。选用已建立的钢管混凝土各部件破坏模型，计算出拱肋弦杆的轴力、弯矩和累积能量，拱肋腹杆的轴力和累积能量，横向联系的弯矩和累积能量，吊杆的拉力和累积能量，吊杆横梁的弯矩和累积能量，根据破坏模式中的强度极限及变形状态计算出构件能量容量，由此得出地震破坏指数，计算结果如下表2～4所示：

表20.2g地震作用下桥梁破坏评估数据

表30.4g地震作用下桥梁破坏评估数据

表40.8g地震作用下桥梁破坏评估数据

由表2～表4中数据可以看出：

（1）拱肋中的弦杆和腹杆是整桥耗能的主要部分，其破坏指数在整桥指数分值占据很大的比重。

（2）在不同的加速度地震作用下，拱肋和腹杆的破坏程度决定了钢管混凝土拱桥破坏程度，横向联系、吊杆和吊杆横梁在地震作用下损伤破坏程度较小，对整桥的破坏程度影响不大。

（3）三种不同强度地震波的作用下，整桥的破坏指数DI分别为0.098、0.134和0.314，说明该桥在加速度峰值为0.2g的地震波作用下为基本完好，0.4g时为轻微破坏，0.8g时为中等破坏。

（4）三种不同强度地震作用下，拱肋腹杆的破坏指数均比较高，且都在轻微破坏状态，是钢管混凝土拱桥抗震的薄弱位置。

（5）该桥的抗震设防烈度为7度，评估结果表明在8度地震作用下全桥处于完好状态，9度地震作用下处于轻微破坏状态，满足抗震设防要求。

相比于现有技术的缺点和不足，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明基于钢管混凝土拱桥的受力特点及破坏模式提出了基于内力或变形和累积耗能的双重破坏准则，从而为钢管混凝土拱桥实现破坏评估提供了途径。

（2）通过本发明提出的钢管混凝土拱桥破坏评估方法能够给出较准确的评估结果，能够预测钢管混凝土拱桥在地震作用下的破坏程度，这对震后桥梁加固及后续的工程设计有重要理论价值与实践意义。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种钢管混凝土拱桥基于损伤破坏的抗震能力评估方法，其特征在于包括以下步骤：

基于构件的内力或变形和能量的双重破坏准则，建立钢管混凝土拱桥各结构破坏模型；

由各构件和分层次来建立钢管混凝土拱桥的整体评估模型；

根据地震作用的大小对钢管混凝土拱桥进行结构地震破坏的性能目标和破坏评估。

2.如权利要求1所述的钢管混凝土拱桥基于损伤破坏的抗震能力评估方法，其特征在于，所述由各构件和分层次来建立钢管混凝土拱桥的整体评估模型的步骤之后还包括：建立钢管混凝土拱桥地震破坏的性能目标及相关指数的允许值。

3.如权利要求2所述的钢管混凝土拱桥基于损伤破坏的抗震能力评估方法，其特征在于，所述钢管混凝土拱桥各结构破坏模型的建立包括：

确定钢管混凝土拱桥各构件破坏指数，根据构件在受地震力作用下，产生内力或变形和累积耗能，当两个因素达到了构件的承受能力，构件就发生破坏，当一定数量的构件发生破坏的情况下，整体结构将不能继续承受荷载，发生倒塌。

4.如权利要求3所述的钢管混凝土拱桥基于损伤破坏的抗震能力评估方法，其特征在于，所述钢管混凝土拱桥的整体评估模型建立包括：

结合每根构件在地震力过程中累积的地震能量来计算其在同类构件的破坏指数中的作用大小，确定各部件构件的破坏指数。