CN109446617A - 基于能量平衡的钢筋混凝土梁桥地震倒塌判定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于能量平衡的钢筋混凝土混凝土梁桥地震倒塌判定方法,包括:S1:创建钢筋混凝土梁桥结构的整体分析有限元模型,确定地震作用输入方向和地震作用分量组合方式;S2:选择n种输入地震波,将之逐一施加在整体分析有限元模型上,进行地震响应非线性时程分析,分析不同地震烈度工况下钢筋混凝土梁桥结构的响应;S3:计算每个地震烈度工况中的剩余能量比,将之与一剩余能量比限值做比较,如果计算得到的剩余能量比小于剩余能量比限值,则判定钢筋混凝土梁桥结构进入倒塌阶段,否则,判定钢筋混凝土梁桥结构未倒塌。本发明能够克服现有基于构件的倒塌准则的不足,基于能量平衡原理提供一种结构层次的钢筋混凝土梁桥地震倒塌判定方法。
Description
技术领域
本发明涉及土木工程领域中桥梁结构抗倒塌分析领域,具体而言涉及一种基于能量平衡的钢筋混凝土梁桥地震倒塌判定方法。
背景技术
钢筋混凝土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,严重时甚至桥梁倒塌,比较著名的有汶川地震中庙子坪大桥,为简支T梁(桥面连续),在汶川地震中第三联一孔简支梁沿桥梁纵向坠落水中。
在现行抗震性能化设计的研究和工程实践中,抗倒塌设计是一个独特的领域,不光因为它意义重大——“大震不倒”是抗震设计的最基本要求,而且倒塌的机理和影响因素也非常复杂。从本质上来说,结构倒塌是一个从连续体向非连续体转变的复杂过程,因此,目前各国学者大多采用数值模拟的方法研究桥梁的抗倒塌能力。
在桥梁实际震害中,常发现关键构件破坏引起结构倒塌的案例,因此部分学者将结构的倒塌准则退化为构件的倒塌准则(也称破坏准则):找到关键构件,其破坏则认为结构倒塌。也有学者采用综合指标判定,即将结构倒塌准则定为多个关键构件的破坏准则的集合,任意一个关键构件的破坏即认定为结构倒塌。以上两类基于结构的倒塌准则有较大安全余量有利于设计使用,但无法准确分析结构倒塌的具体时刻,对于倒塌的机理、破坏过程不能完整揭示,对多个构件的破坏准则进行逐条判断也较为繁琐。此外还有的学者基于软件模拟,通过可视化的动力响应过程判断结构是否倒塌。
发明内容
本发明目的在于克服现有基于构件的倒塌准则的不足,基于能量平衡原理提供一种结构层次的钢筋混凝土梁桥地震倒塌判定方法。
为达成上述目的,本发明提出一种基于能量平衡的钢筋混凝土梁桥地震倒塌判定方法,所述方法包括以下步骤:
S1:创建钢筋混凝土梁桥结构的整体分析有限元模型,针对该整体分析有限元模型,确定地震作用输入方向和地震作用分量组合方式。
S2:选择n种输入地震波,将之逐一施加在所述整体分析有限元模型上,对所述整体分析有限元模型进行地震响应非线性时程分析,其中,每一种输入地震波的地震峰值加速度被设定成由其所对应的最低限值逐渐增大,分析不同地震烈度工况下钢筋混凝土梁桥结构的响应,所述n为大于零的正整数。
S3:计算步骤S2中每个地震烈度工况中的剩余能量比,所述剩余能量比被设定成t时刻的钢筋混凝土梁桥结构剩余体系的累积总能量与外力功之比,将之与一剩余能量比限值做比较,如果计算得到的剩余能量比小于剩余能量比限值,则判定钢筋混凝土梁桥结构进入倒塌阶段,否则,判定钢筋混凝土梁桥结构未倒塌。
进一步的实施例中,步骤S1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,所述n大于等于3。
进一步的实施例中,所述方法还包括:
通过下述公式以计算所述t时刻的钢筋混凝土梁桥结构的剩余能量比ξ:
E(ti)=E(ti-1)+ΔE-E失效单元
W(ti)=W(ti-1)+ΔW(ti)
ΔE=ΔEK(ti)+ΔED(ti)+ΔER(ti)+ΔEH(ti)
其中,E(ti)是ti时刻钢筋混凝土梁桥剩余结构由地震作用产生的累计总能量,E失效单元是ti-1至ti期间钢筋混凝土梁桥新产生的失效单元由地震作用引起的总能量;
W(ti)是0至ti时间内由外力累计所做功,ΔW(ti)为时间增量Δti-1/2即ti-1至ti期间外力所做功;
ΔE、ΔEK(ti)、ΔED(ti)、ΔER(ti)、ΔEH(ti)分别为钢筋混凝土梁桥体系ti时刻的总能量、动能、阻尼能、应变能、沙漏能的增量。
基于前述方法,本发明还提及一种基于能量平衡的钢筋混凝土梁桥地震倒塌判定系统,所述系统包括以下几个模块:
1)用于创建钢筋混凝土梁桥结构的整体分析有限元模型,针对该整体分析有限元模型,确定地震作用输入方向和地震作用分量组合方式的模块。
2)用于选择n种输入地震波,将之逐一施加在所述整体分析有限元模型上,对所述整体分析有限元模型进行地震响应非线性时程分析,其中,每一种输入地震波的地震峰值加速度被设定成由其所对应的最低限值逐渐增大,分析不同地震烈度工况下钢筋混凝土梁桥结构的响应的模块,所述n为大于零的正整数。
3)用于计算每个地震烈度工况中的剩余能量比的模块,所述剩余能量比被设定成t时刻的钢筋混凝土梁桥结构剩余体系的累积总能量与外力功之比。
4)用于将计算得到的剩余能量比与一剩余能量比限值做比较,如果计算得到的剩余能量比小于剩余能量比限值,则判定钢筋混凝土梁桥结构进入倒塌阶段,否则,判定钢筋混凝土梁桥结构未倒塌的模块。
由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,现有倒塌判定方法主要为基于最关键构件的倒塌准则或基于多个关键构件的破坏准则的集合提出的倒塌判断流程,对于实际结构而言有较大安全余量,可以利用其进行偏安全的抗倒塌设计,但目前的这类倒塌准则都无法准确提供结构倒塌的具体时刻,对于倒塌的机理、破坏过程不能完整揭示,且对多个构件的破坏准则进行逐条判断也较为繁琐。本发明基于能量平衡的原理,提出了一种结构层次的倒塌准则应用于钢筋混凝土梁桥。与现有技术相比,本发明避开构件破坏即结构倒塌的传统思路,从本质上揭示了地震动能量输入与结构倒塌之间的内在关系,能够精确给出结构倒塌时刻,更加有利于桥梁倒塌分析的准确性和真实性,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平衡的钢筋混凝土梁桥地震倒塌判定方法的流程图。
图2是本发明的具体实施例一的流程图。
图3是本发明的El Centro波工况能量比变化曲线。
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平衡的钢筋混凝土梁桥地震倒塌判定方法,所述方法包括以下步骤:
S1:创建钢筋混凝土梁桥结构的整体分析有限元模型,针对该整体分析有限元模型,确定地震作用输入方向和地震作用分量组合方式。
优选的,根据研究对象的设计图纸,建立钢筋混凝土梁桥结构的整体分析有限元模型,依据研究对象的重要性和实际需求状况,对建立的钢筋混凝土连续梁桥结构有限元模型确定地震作用输入方向和地震作用分量组合方式。
S2:选择n种输入地震波,将之逐一施加在所述整体分析有限元模型上,对所述整体分析有限元模型进行地震响应非线性时程分析,其中,每一种输入地震波的地震峰值加速度被设定成由其所对应的最低限值逐渐增大,分析不同地震烈度工况下钢筋混凝土梁桥结构的响应,所述n为大于零的正整数。
优选的,根据场地条件、设计加速度反应谱等方面的要求,充分考虑随机性,选择不少于3种的输入地震波供后续分析使用,在此基础上,在整体有限元计算模型上施加调幅后的地震波,进行地震响应非线性时程分析,每一种输入地震波的地震峰值加速度由小逐渐增大,分析不同地震烈度工况下钢筋混凝土连续梁桥结构的响应。
S3:计算步骤S2中每个地震烈度工况中的剩余能量比,所述剩余能量比被设定成t时刻的钢筋混凝土梁桥结构剩余体系的累积总能量与外力功之比,将之与一剩余能量比限值做比较,如果计算得到的剩余能量比小于剩余能量比限值,则判定钢筋混凝土梁桥结构进入倒塌阶段,否则,判定钢筋混凝土梁桥结构未倒塌。
作为优选,根据达朗贝尔原理,在每一时刻结构体系的内外力合力为0,即:
fI+fD+fS-P=0 (1)
其中,fI为惯性力,fD为阻尼力,fS为弹性力,P为外力。
对于基于显式积分方法的有限元分析中,ti时刻多质点体系的运动方程为:
P(ti)-M·a(ti)-F(ti)+H(ti)=0 (2)
其中M为质量对角矩阵,a(ti)、P(ti)、F(ti)、H(ti)分别为ti时刻的加速度、外力(含体力)、单元应力场的等效节点力矢量或称应力散度矢量、沙漏粘性阻尼力。
由力的平衡条件可知,外力所做功与结构总能量的增量相等。如果在地震作用后结构完好,多自由度体系应满足以下平衡方程:
ΔEK(ti)+ΔED(ti)+ΔER(ti)+ΔEH(ti)=ΔW(ti) (3)
其中,ΔEK(ti)、ΔED(ti)、ΔER(ti)、ΔEH(ti)分别为体系ti时刻的动能、阻尼能、应变能、沙漏能增量,ΔW(ti)为时间增量Δti-1/2即ti-1至ti期间外力所做功。
如果地震作用后结构发生损伤,在有限元分析中最常采用“杀死”损伤单元模拟单元的失效,具体操作为在单元失效后即删去该失效单元的质量和阻尼信息。一旦有单元被“杀死”,剩余结构的动能、应变能、阻尼能等结构能量将无法与结构累积所受外力功相平衡,因此一旦发现结构体系的该平衡关系不再满足,结构中关键部件很可能已产生破坏。当足够多的关键构件破坏,结构体系不再稳定即进入倒塌阶段。
由此定义ti时刻剩余结构由地震作用产生的累计总能量E(ti)与0至ti时间内由外力累计所做功W(ti)之比为剩余能量比ξ。
最后,在所述每一个分析工况中计算ξ的数值,并与剩余能量比限值ξd进行比较,当剩余能量比ξ小于ξd即可判定结构进入倒塌阶段。
具体实施例二
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,依据两跨连续梁桥的重要性和实际需求状况,确定建立的钢筋混凝土连续梁桥结构有限元模型地震作用输入方向为水平纵向和水平横向,地震作用分量组合方式为依据原始地震波在水平两正交方向上的加速度峰值关系确定,比如Landers地震波的原始记录中水平两方向的加速度峰值比为1:0.788,因此数值分析中输入的水平地震动分量组合方式为X+0.788Y(X为纵向,Y为横向)。
接下来,考虑场地的随机性选取Lushan、Landers、Imperial valley、NorthernCalif-01、Humbolt Bay、Imperial Valley-02、Loma Prieta、Niigata、Chi-Chi地震中采集到的10条具有代表性的地震波备用,这些原始波进行调幅等处理后将成为后续分析所用输入地震波。
然后,对10个原始波分别进行时间压缩,再调幅后逐级加载在有限元模型中进行不同工况的地震响应非线性时程分析,直至激励模型桥进入倒塌阶段。
最后,分析每一个地震波工况中的剩余能量比ξ随时间的变化曲线,并将曲线峰值与剩余能量比限值ξd进行比较,当剩余能量比ξ小于ξd即可判定结构在该输入工况下进入倒塌阶段,反之则继续增加输入地震动的峰值加速度,再次调幅后开始新的工况计算,直至出现倒塌工况,得到ξ大于ξd的时刻,则有限元分析结束。以El Centro波纵向输入工况为例,图3所示为峰值加速度为1.2g的计算工况中剩余能量比ξ随时间的变化曲线,可以发现在t=1.03s时ξ大于ξd,因此结构倒塌,该工况为倒塌工况,计算结束。
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 (5)
1.一种基于能量平衡的钢筋混凝土混凝土梁桥地震倒塌判定方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤:
S1:创建钢筋混凝土梁桥结构的整体分析有限元模型,针对该整体分析有限元模型,确定地震作用输入方向和地震作用分量组合方式;
S2:选择n种输入地震波,将之逐一施加在所述整体分析有限元模型上,对所述整体分析有限元模型进行地震响应非线性时程分析,其中,每一种输入地震波的地震峰值加速度被设定成由其所对应的最低限值逐渐增大,分析不同地震烈度工况下钢筋混凝土梁桥结构的响应,所述n为大于零的正整数;
S3:计算步骤s2中每个地震烈度工况中的剩余能量比,所述剩余能量比被设定成t时刻的钢筋混凝土梁桥结构剩余体系的累积总能量与外力功之比,将之与一剩余能量比限值做比较,如果计算得到的剩余能量比小于剩余能量比限值,则判定钢筋混凝土梁桥结构进入倒塌阶段,否则,判定钢筋混凝土梁桥结构未倒塌。
2.根据权利要求1所述的基于能量平衡的钢筋混凝土混凝土梁桥地震倒塌判定方法,其特征在于,步骤s1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。
3.根据权利要求1所述的基于能量平衡的钢筋混凝土混凝土梁桥地震倒塌判定方法,其特征在于,所述n大于等于3。
4.根据权利要求1所述的基于能量平衡的钢筋混凝土混凝土梁桥地震倒塌判定方法,其特征在于,所述方法还包括:
通过下述公式以计算所述t时刻的钢筋混凝土梁桥结构的剩余能量比ξ:
E(ti)=E(ti-1)+ΔE-E失效单元
W(ti)=W(ti-1)+Δv(ti)
ΔE=ΔEK(ti)+ΔED(ti)+ΔER(ti)+ΔEH(ti)
其中,E(ti)是ti时刻钢筋混凝土梁桥剩余结构由地震作用产生的累计总能量,E失效单元是ti-1至ti期间钢筋混凝土梁桥新产生的失效单元由地震作用引起的总能量;
W(ti)是0至ti时间内由外力累计所做功,ΔW(ti)为时间增量Δti-1/2即ti-1至ti期间外力所做功;
ΔE、ΔEK(ti)、ΔED(ti)、ΔER(ti)、ΔEH(ti)分别为钢筋混凝土梁桥体系ti时刻的总能量、动能、阻尼能、应变能、沙漏能的增量。
5.一种基于能量平衡的钢筋混凝土混凝土梁桥地震倒塌判定系统,其特征在于,所述系统包括:
用于创建钢筋混凝土梁桥结构的整体分析有限元模型,针对该整体分析有限元模型,确定地震作用输入方向和地震作用分量组合方式的模块;
用于选择n种输入地震波,将之逐一施加在所述整体分析有限元模型上,对所述整体分析有限元模型进行地震响应非线性时程分析,其中,每一种输入地震波的地震峰值加速度被设定成由其所对应的最低限值逐渐增大,分析不同地震烈度工况下钢筋混凝土梁桥结构的响应的模块,所述n为大于零的正整数;
用于计算每个地震烈度工况中的剩余能量比的模块,所述剩余能量比被设定成t时刻的钢筋混凝土梁桥结构剩余体系的累积总能量与外力功之比;
用于将计算得到的剩余能量比与一剩余能量比限值做比较,如果计算得到的剩余能量比小于剩余能量比限值,则判定钢筋混凝土梁桥结构进入倒塌阶段,否则,判定钢筋混凝土梁桥结构未倒塌的模块。
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