CN109325308B - 基于能量传递率的钢筋混凝土连续梁桥地震损伤评价方法 - Google Patents

基于能量传递率的钢筋混凝土连续梁桥地震损伤评价方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于能量传递率的钢筋混凝土连续梁桥地震损伤评价方法，包括以下步骤：S1：获取钢筋混凝土连续梁桥结构中的易损构件，筛选出与结构安全相关的关键构件；S2：针对每个关键构件，根据其破坏机制建立对应的破坏准则，获取n个与构件损伤相关的构件参数、以及每个构件参数的最大容许值；S3：进行不同地震动输入条件下连续梁桥各关键构件的能量分析，获取每个关键构件的能量代表值、以及每个构件参数的响应峰值δi，计算每个关键构件的能量传递率，S4：基于能量传递率建立钢筋混凝土连续梁桥地震损伤评价指标D。本发明能够基于结构层次的损伤评价指标，对连续梁桥结构的各种震害——不同程度损伤甚至结构倒塌进行评定。

Description

基于能量传递率的钢筋混凝土连续梁桥地震损伤评价方法
技术领域
本发明涉及土木工程领域中桥梁抗震评估领域，具体而言涉及一种基于能量传递率的钢筋混凝土连续梁桥地震损伤评价方法。
背景技术
钢筋混凝土连续梁桥是我国中小桥的主要桥型，该类桥型在多次地震中都发生过地震损伤，在震后首先需要评价钢筋混凝土连续梁桥的损伤程度，再结合使用需求进行相应的结构加固或拆除重建。
确定地震作用导致桥梁的损伤程度即开展桥梁抗震评估，任何评估都需要先提出评估指标。在桥梁结构抗震评估方面通常都把结构的评估问题分解为构件的评估问题，譬如将某连续梁桥的损伤评价问题分解为板式橡胶支座、钢筋混凝土挡块、桥墩的损伤评估，对于三个构件分别制定状态分级标准进行各构件的损伤评价。不同类型的构件其评估指标不同，但主要有三类：基于刚度的评估指标、基于变形的评估指标、基于变形和能量的评估指标，其中变形类的损伤评估指标较多，如支座位移、挡块变形、桥墩位移延性系数等。
无论采用何种损伤评估指标，都是基于构件层次的桥梁地震损伤评价，实际上回避了结构整体评估这一关键问题。由于结构损伤评估通常与易损性分析有关，而对于结构易损性分析而言，可以不直接从结构损伤评价出发给出各级损伤状态对应的结构易损性曲线，而是通过概率关系将结构内的各种构件易损性曲线进行组合从而间接获得结构易损性曲线，因此可以针对每一种构件提出对应的损伤分级标准和破坏准则先进行构件易损性分析再得到结构易损性曲线，这也是大量学者只开展构件层次桥梁损伤评估的原因。但是构件各自不同程度的损伤结果与桥梁结构整体的损伤程度之间的关系一直不明确，譬如在构件层次上评价结果为支座严重破坏而桥墩是轻微破坏，则桥梁结构的损伤程度如何？因此需要研究从结构整体上评价桥梁地震损伤程度的方法。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于能量传递率的钢筋混凝土连续梁桥地震损伤评价方法，基于结构层次的损伤评价指标，对连续梁桥结构的各种震害——不同程度损伤甚至结构倒塌进行评定，这对于进行钢筋混凝土连续梁桥抗震评估研究具有重要的意义。
为达成上述目的，结合图1，本发明提出一种基于能量传递率的钢筋混凝土连续梁桥地震损伤评价方法，所述方法包括以下步骤：
S1：获取钢筋混凝土连续梁桥结构中的易损构件，从所述易损构件中筛选出与结构安全相关的关键构件；
S2：针对每个所述关键构件，根据其破坏机制建立对应的破坏准则，获取n个与构件损伤相关的构件参数、以及每个构件参数的最大容许值δui，其中，i＝1,2,…,n；
S3：根据钢筋混凝土连续梁桥抗震设计的参数要求进行各类地震动工况的抗震验算，同时进行不同地震动输入条件下连续梁桥各关键构件的能量分析，获取每个关键构件的能量代表值ΔEi、以及每个构件参数的响应峰值δi，根据下述公式以计算每个关键构件的能量传递率ψi：
Figure GDA0004151232810000021
S4：根据下述公式，基于能量传递率ψi建立钢筋混凝土连续梁桥地震损伤评价指标D：
Figure GDA0004151232810000022
进一步的实施例中，所述方法还包括：
以钢筋混凝土连续梁桥地震损伤评价指标D的若干个取值范围为基础建立钢筋混凝土连续梁桥的结构整体损伤程度分级标准；
根据步骤S4中计算得到的钢筋混凝土连续梁桥地震损伤评价指标D所属的取值范围，以判断当前地震动工况条件下钢筋混凝土连续梁桥的结构整体损伤程度的等级。
进一步的实施例中，步骤S1中，获取钢筋混凝土连续梁桥结构中的易损构件，从中筛选出与结构安全相关的关键构件的方法包括以下步骤：
S11：建立钢筋混凝土连续梁桥结构的整体分析有限元模型；
S12：对所述钢筋混凝土连续梁桥结构开展非线性有限元分析试算，找出结构中的易损构件，从所述易损构件中筛选出与结构安全相关的关键构件。
进一步的实施例中，从所述易损构件中筛选出与结构安全相关的关键构件的方法包括：
根据抗震验算中的地震动工况条件，以筛选对应的关键构件。
对于一次地震动验算试验来说，输入的数据包括地震动的参数、实际地形参数、环境参数、易损构件本身的参数等等，这些数据可以通过安评报告等实际场地条件确定。在本发明中，通过这些输入的数据，筛选出与结构安全相关性较大的易损构件，作为关键构件来实现本次地震损伤评价。
进一步的实施例中，步骤S11中，根据钢筋混凝土连续梁桥的设计资料以建立该钢筋混凝土连续梁桥结构的整体分析有限元模型。
进一步的实施例中，将任意一次地震动验算中，地震动输入时间由0至t内，每个关键构件的能量峰值作为该关键构件在当前地震动验算中的能量代表值。
进一步的实施例中，所述能量分析包括动能分析、应变能分析、沙漏能分析。
基于前述方法，本发明还提及一种基于能量传递率的钢筋混凝土连续梁桥地震损伤评价系统，所述系统包括以下模块：
1)用以获取钢筋混凝土连续梁桥结构中的易损构件，从所述易损构件中筛选出与结构安全相关的关键构件的模块；
2)用以针对每个所述关键构件，根据其破坏机制建立对应的破坏准则，获取n个与构件损伤相关的构件参数、以及每个构件参数的最大容许值δui的模块，其中，i＝1,2,…,n；
3)用以根据钢筋混凝土连续梁桥抗震设计的参数要求进行各类地震动工况的抗震验算，同时进行不同地震动输入条件下连续梁桥各关键构件的能量分析，获取每个关键构件的能量代表值ΔEi、以及每个构件参数的响应峰值δi，根据下述公式以计算每个关键构件的能量传递率ψi的模块：
Figure GDA0004151232810000031
4)用以根据下述公式，基于能量传递率ψi建立钢筋混凝土连续梁桥地震损伤评价指标D的模块：
Figure GDA0004151232810000032
以上本发明的技术方案，与现有相比，其显著的有益效果在于，现有连续梁桥地震损伤评价方法主要为构件层次的损伤评价，对于结构整体的损伤程度不能给出综合评定。本发明从能量传递的角度，提出了一种结构层次的连续梁桥地震损伤评价方法。与现有技术相比，本发明直接从结构整体的角度出发评价地震动对结构造成的损伤，保留了构件损伤评估工作的同时增加了结构损伤指标和和构件损伤指标之间的纽带，从本质上揭示了地震动能量输入引起构件损伤与结构整体损伤之间的内在关联，更加有利于评价连续梁桥梁地震损伤程度，该方法还可以推广应用于其他桥梁结构。
应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。
结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。
附图说明
附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：
图1是本发明的基于能量传递率的钢筋混凝土连续梁桥地震损伤评价方法的流程图。
图2是本发明的具体实施例一的方法流程图。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定义在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。
具体实施例一
结合图1、图2，本发明提出一种基于能量传递率的钢筋混凝土连续梁桥地震损伤评价方法，包括以下步骤：
S101：根据所需研究的连续梁桥的相关设计资料，建立钢筋混凝土连续梁桥结构的整体分析有限元模型。
S102：结合步骤S101所分析的连续梁桥的抗震设计需求，对步骤S101中建立的钢筋混凝土连续梁桥有限元模型开展非线性动力时程分析，通过大量试算找出连续梁桥结构中的易损构件譬如桥墩、支座、挡块、伸缩缝等，从多个易损部件中挑选出影响结构整体性、威胁结构安全性的关键构件。
S103：围绕步骤S102中锁定的多个关键构件分析各自破坏的机制，建立合适的破坏准则，例如桥墩的破坏准则常采用δ≥[δ]，δ是墩顶位移，[δ]是墩顶容许位移，当桥墩墩顶水平位移超过容许位移则认为桥墩破坏。
S104：依据抗震设计的参数要求进行各类地震动工况的抗震验算，同时进行不同地震动输入条件下连续梁桥各关键构件的能量分析。
作为优选，所述步骤S104中各关键构件的能量包含动能、应变能、沙漏能等，计算地震动输入时间由0至t内n个关键构件的ΔEi(i＝1,2,…,n)的峰值作为关键构件的能量代表值。将所有关键构件的能量代表值ΔEi相加定义为结构的能量代表值
Figure GDA0004151232810000041
则各关键构件的能量代表值ΔEi与结构的能量代表值
Figure GDA0004151232810000042
的比值
Figure GDA0004151232810000043
定义为能量传递率ψi。
S105：基于能量传递率ψi建立钢筋混凝土连续梁桥地震损伤评价指标D如下所示：
Figure GDA0004151232810000044
δi是与构件变形相关的构件响应峰值参数，δui是与构件变形相关的构件响应参数容许值。分析步骤S104所述各分析工况中的结构损伤指标D，对照已确定的结构各级损伤程度分级标准评价连续梁桥的损伤程度。
作为优选，步骤S105中所述结构整体损伤程度分级标准即各级损伤程度的D的容许值条件必须通过大量试算(10条地震波工况以上)和模型试验数据验证才可用于实桥评估使用。
具体实施例二
一座两跨主梁长度为14.2m的连续梁桥，横截面为两片T梁，下部墩柱为钢筋混凝土实心双柱墩，梁、墩混凝土强度标号为C30，纵筋为HPB235级钢筋。
首先，根据结构设计图纸采用通用有限元软件建立全桥结构的整体有限元模型。混凝土采用实体单元模拟，钢筋采用杆单元模拟，钢筋和混凝土之间采用共节点方式连接，不考虑钢筋的滑移和断裂和钢筋对混凝土的约束效应。支座采用弹簧单元，附加质量块采用质量单元模拟。
其次，通过大量试算找出两跨连续梁桥结构中的易损构件有桥墩、支座、挡块、伸缩缝等，针对分析工况为纵向单向地震动输入条件，筛选出关键构件为中墩和中支座。中墩墩底截面为易损点，易发生弯曲破坏，中支座易发生压剪破坏。
接下来，围绕锁定的关键构件1(中墩)和关键构件2(中支座)分析各自破坏的机制，建立合适的破坏准则：中墩柱顶水平峰值位移超过极限位移则中墩破坏，中支座水平剪切峰值位移超过盖梁纵向长度(＝0.4m)则中支座破坏。
然后，依据抗震设计的参数要求进行各类地震动工况的抗震验算，同时进行不同地震动输入条件下连续梁桥各关键构件的能量分析，譬如在El Centro地震波0.2g纵向输入工况中，计算得到中墩能量传递率ψ1为0.41，中支座能量传递率ψ2为0.59。
再次，计算各分析工况中每个关键构件的损伤值
Figure GDA0004151232810000051
譬如在El Centro地震波0.2g纵向输入工况中，中墩损伤值为0.09，中支座损伤值为0.01。
最后，计算基于能量传递率ψi建立钢筋混凝土连续梁桥地震损伤评价指标D，如ElCentro地震波0.2g纵向输入工况中D计算为0.04。结合表1所确定的该连续梁桥地震破坏状态分级标准，评价该结构在El Centro地震波0.2g纵向输入工况中为基本完好。
表1两跨连续梁桥地震破坏状态分级表
Figure GDA0004151232810000052
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (7)

1.一种基于能量传递率的钢筋混凝土连续梁桥地震损伤评价方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1：获取钢筋混凝土连续梁桥结构中的易损构件，从所述易损构件中筛选出与结构安全相关的关键构件；
S2：针对每个所述关键构件，根据其破坏机制建立对应的破坏准则，获取n个与构件损伤相关的构件参数、以及每个构件参数的最大容许值δui，其中，i＝1,2,…,n；
S3：根据钢筋混凝土连续梁桥抗震设计的参数要求进行各类地震动工况的抗震验算，同时进行不同地震动输入条件下连续梁桥各关键构件的能量分析，获取每个关键构件的能量代表值ΔEi、以及每个构件参数的响应峰值δi，根据下述公式以计算每个关键构件的能量传递率ψi：
Figure FDA0004151232790000011
S4：根据下述公式，基于能量传递率ψi建立钢筋混凝土连续梁桥地震损伤评价指标D：
Figure FDA0004151232790000012
步骤S1中，获取钢筋混凝土连续梁桥结构中的易损构件，从所述易损构件中筛选出与结构安全相关的关键构件的方法包括以下步骤：
S11：建立钢筋混凝土连续梁桥结构的整体分析有限元模型；
S12：对所述钢筋混凝土连续梁桥结构开展非线性有限元分析试算，找出结构中的易损构件，从所述易损构件中筛选出与结构安全相关的关键构件。
2.根据权利要求1所述的基于能量传递率的钢筋混凝土连续梁桥地震损伤评价方法，其特征在于，所述方法还包括：
以钢筋混凝土连续梁桥地震损伤评价指标D的若干个取值范围为基础建立钢筋混凝土连续梁桥的结构整体损伤程度分级标准；
根据步骤S4中计算得到的钢筋混凝土连续梁桥地震损伤评价指标D所属的取值范围，以判断当前地震动工况条件下钢筋混凝土连续梁桥的结构整体损伤程度的等级。
3.根据权利要求1所述的基于能量传递率的钢筋混凝土连续梁桥地震损伤评价方法，其特征在于，从所述易损构件中筛选出与结构安全相关的关键构件的方法包括：
根据抗震验算中的地震动工况条件，以筛选对应的关键构件。
4.根据权利要求1所述的基于能量传递率的钢筋混凝土连续梁桥地震损伤评价方法，其特征在于，步骤S11中，根据钢筋混凝土连续梁桥的设计资料以建立该钢筋混凝土连续梁桥结构的整体分析有限元模型。
5.根据权利要求1所述的基于能量传递率的钢筋混凝土连续梁桥地震损伤评价方法，其特征在于，将任意一次地震动验算中，地震动输入时间由0至t内，每个关键构件的能量峰值作为该关键构件在当前地震动验算中的能量代表值。
6.根据权利要求1所述的基于能量传递率的钢筋混凝土连续梁桥地震损伤评价方法，其特征在于，所述能量分析包括动能分析、应变能分析、沙漏能分析。
7.如权利要求1所述的基于能量传递率的钢筋混凝土连续梁桥地震损伤评价方法应用的系统，其特征在于，所述系统包括：
用以获取钢筋混凝土连续梁桥结构中的易损构件，从所述易损构件中筛选出与结构安全相关的关键构件的模块；
用以针对每个所述关键构件，根据其破坏机制建立对应的破坏准则，获取n个与构件损伤相关的构件参数、以及每个构件参数的最大容许值δui的模块，其中，i＝1,2,…,n；
用以根据钢筋混凝土连续梁桥抗震设计的参数要求进行各类地震动工况的抗震验算，同时进行不同地震动输入条件下连续梁桥各关键构件的能量分析，获取每个关键构件的能量代表值ΔEi、以及每个构件参数的响应峰值δi，根据下述公式以计算每个关键构件的能量传递率ψi的模块：
Figure FDA0004151232790000021
用以根据下述公式，基于能量传递率ψi建立钢筋混凝土连续梁桥地震损伤评价指标D的模块：
Figure FDA0004151232790000022
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