中小跨径梁桥考虑服役劣化的准隔震行为演变规律研究

来源 :重庆交通大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:haizhiren
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中小跨径梁桥数量庞大,分布广泛,在国民经济发展中发挥着至关重要的纽带作用。这类桥梁通常将板式橡胶支座设置在墩台垫石之上,与主梁和墩台之间无连接锚固措施,为限制支座的横向位移,通常在桥墩盖梁或桥台台帽两侧设置钢筋混凝土挡块。汶川震害表明,这种限位体系在地震激励下会发生挡块剪断、支座滑移现象,两者进行能量耗散对桥墩起到一个“隔震”作用,减小墩柱与基础的破坏程度,但因为支座没有传统隔震设计所要求的耗能和自复位功能,其在地震中的力学行为被称为“准隔震行为”。然而,准隔震行为是个矛盾体,在对桥墩隔震的同时可能导致墩、梁之间产生过大的相对位移,甚至引发落梁。另一个方面来说,我国大多数桥梁跨越峡谷、江河,甚至部分修建在沿海环境,结构常年直接暴露于恶劣的服役条件下,在环境影响下随着时间的推移,钢筋与混凝土材料劣化程度不断加剧,使得桥梁在地震作用下的动力响应发生改变,可能会放大准隔震行为中存在的设计缺陷。因此,研究准隔震行为的工作机理及其随桥梁服役性能劣化的演变规律,是中小跨径梁桥的抗震设计中的重要一环。为研究中小跨径梁桥考虑服役劣化的准隔震行为演变规律,本文考虑氯离子环境下桥梁服役期间材料劣化问题,以汶川地震中典型中小跨径简支梁桥为研究对象,从构件-体系-时间三个层面递进,提出新型准隔震设计理念并运用于桥例中。在对比了准隔震设计与延性设计理念桥梁破坏模式差异后,以准隔震设计理念建立全桥精细化模型,探讨不同参数下准隔震行为演变规律,最后从时间层面出发,探究不同服役年限下准隔震行为时变规律并建立时变易损性模型。本文的主要研究内容与结论如下:(1)选取汶川地震中典型中小跨径简支梁桥为工程背景,基于传统准隔震体系震害缺陷,提出新型蝶形限位体系并进行有限元分析;利用Open SEES建立简化模型分析传统与新型准隔震体系在不同频谱特性人工波下响应差异,突出新型准隔震体系横向限位作用;基于国内外学者研究成果划分桥梁构件及体系的损伤指标,对全桥进行基于模态力的Pushover分析,揭示了延性行为与准隔震行为损伤模式与破坏机理。研究表明:利用蝶形限位装置的新型准隔震体系下桥梁展现出显著的横向限位能力,但其良好的力学性能同样增加了传递到下部结构的惯性力,加重桥墩的损伤,但与延性体系仅依靠下部结构的塑性耗能相比,利用板式橡胶支座滑移隔震的准隔震体系桥墩损伤程度优于延性体系。(2)根据场地条件选取对应地震波并建立全桥精细化有限元模型,借助能力需求比(C/D)法、一次正交回归设计法对新型准隔震体系不同参数变化下的参数敏感性及准隔震行为演变规律进行探讨,其中包络板式橡胶支座摩擦系数、新型限位装置数量及厚度、桥型布置形式的影响;最后利用IDA分析法比较传统及新型准隔震体系的抗震行为差异。研究表明:研究参数的变化会对准隔震行为造成不同程度的影响,其中限位装置力学性能的变化桥梁构件损伤响应最为敏感,甚至改变体系的损伤模式;传统准隔震体系下体系破坏模式趋近于因墩梁横向位移过大引起的位移破坏,新型准隔震体系下趋近于因墩柱损伤引起的延性破坏,但此类破坏可通过对限位装置力学性能的合理设计解决。(3)结合国内外研究成果,确定了氯盐环境下氯离子扩散规律及钢筋混凝土材料性能退化时变规律,建立浪溅区环境下桥梁劣化时变有限元模型,得到桥梁服役年限递增下准隔震行为时变演变规律,并基于IDA分析法建立时变易损性模型,得到桥梁体系及构件时变易损性曲线。研究表明:考虑下部桥墩的材料劣化在影响钢筋混凝土强度、变形能力基础上会降低桥墩整体抗震性能,但减缓了支座的损伤,且通过易损性分析表明,在新型准隔震体系下墩柱的损伤超越概率较支座而言更大,随服役年限的增长墩柱损伤被进一步放大,不利于桥梁整体抗震性能。综合而言,本文针对我国中小跨径梁桥结构的典型特点,围绕构建“准隔震设计方法”的关键理论瓶颈问题,明确了延性行为与准隔震行为下桥梁构件及体系的损伤机理与损伤模式差异,通过对关键构件的参数分析初步明确了不同工况下准隔震体系抗震行为演变规律,进而上升至时间层面,建立桥梁劣化时变模型并揭示了准隔震行为时变规律,在此基础上建立时变易损性模型,对准隔震体系下桥梁时变损伤进行了评估,以期为“准隔震设计方法”构件提供初步设计思路,促进我国中小跨径梁桥防震减灾技术的进步。
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