一 研究意义 我国位于环太平洋地震带与欧亚地震带之间,地震断裂带数量众多,且十分活跃。出于地形限制或道路规划等原因,难以避免在一些近断层区域修建斜拉桥。近断层地震动通常包含典型的长周期速度脉冲波,对斜拉桥这类长周期结构地震反应的影响较大,可能导致结构的损伤甚至破坏。由于体系复杂,斜拉桥损伤位置往往不集中于单一构件或单一节点,而是分散在全桥多个构件,目前的研究几乎都只集中在塔柱损伤破坏的构件层面,不能同时考虑多个构件的损伤性能及其相互影响关系,亦未能考虑不同构件损伤性能与地震动输入特性之间的关系。针对于此,本文建立精细化斜拉桥非线性有限元模型,准确揭示近断层脉冲波作用下斜拉桥的损伤性能,分析不同周期的近断层脉冲波对斜拉桥屈服状态和极限状态的影响,建立脉冲波周期(Tp)与各构件损伤发展趋势的联系。本文研究成果可为近断层区域斜拉桥的抗震设计工作提供一定的参考依据。
一
研究意义
我国位于环太平洋地震带与欧亚地震带之间,地震断裂带数量众多,且十分活跃。出于地形限制或道路规划等原因,难以避免在一些近断层区域修建斜拉桥。近断层地震动通常包含典型的长周期速度脉冲波,对斜拉桥这类长周期结构地震反应的影响较大,可能导致结构的损伤甚至破坏。由于体系复杂,斜拉桥损伤位置往往不集中于单一构件或单一节点,而是分散在全桥多个构件,目前的研究几乎都只集中在塔柱损伤破坏的构件层面,不能同时考虑多个构件的损伤性能及其相互影响关系,亦未能考虑不同构件损伤性能与地震动输入特性之间的关系。针对于此,本文建立精细化斜拉桥非线性有限元模型,准确揭示近断层脉冲波作用下斜拉桥的损伤性能,分析不同周期的近断层脉冲波对斜拉桥屈服状态和极限状态的影响,建立脉冲波周期(Tp)与各构件损伤发展趋势的联系。本文研究成果可为近断层区域斜拉桥的抗震设计工作提供一定的参考依据。
二
研究内容
1
斜拉桥精细化非线性有限元模型
在考虑了几何非线性基础上,进一步考虑一下四种非线性效应,如图1所示。主要包括:(1)塔柱的材料非线性效应,采用非线性纤维单元模拟塔柱截面;(2)梁体的材料非线性效应,考虑钢材的材料非线性,采用非线性梁柱单元模拟梁体的受弯屈服性能;(3)拉索大应变条件下的垂度效应,以及(4)支座的摩擦效应。
2
性能状态的定义
针对单个构件,桥塔、梁体和拉索的屈服指数分别定义为:
桥塔、梁体和拉索的极限指数分别定义为
对于桥梁整体,屈服指数和极限指数分别定义为:
3
桥梁屈服状态
桥梁结构屈服指数YI=1时,图2给出了各构件屈服指数与脉冲波周期Tp的关系。可见,不同周期脉冲波作用下主要表现为塔柱首先屈服,但当Tp=4s时梁体首先屈服;当2s≤Tp≤5s时,主梁的屈服指数YId均大于0.8,说明梁体地震响应较大,需要特别设计。
图2 桥梁屈服时各构件屈服指数
4
桥梁极限状态
当桥梁结构极限指数YI=1时,图3给出了各构件极限指数与脉冲波周期Tp的关系。可见,不同周期脉冲波作用下主要表现为塔柱或拉索的破坏:当TP=0.5s和TP=7s时,塔柱首先破坏,除此之外,拉索首先破坏,而梁体极限指数均小于0.2,损伤程度较小。
图3 桥梁极限状态各构件的极限指数
5
桥梁结构延性发展规律
分别定义塔柱和梁体的延性指数为:
图4 为桥墩和梁体延性指数相对发展情况。当TP=3~5s时,梁体损伤程度较大,这是因为脉冲波周期接近于梁体竖弯振动周期(T=3.04s),该阵型被激励程度较大;除此之外,塔柱损伤较大。
图4 桥墩和梁体延性指数相对发展情况
三
研究结论
本文研究了不同近断层脉冲波作用下斜拉桥纵桥向损伤破化性能,结果表明,当脉冲波周期接近于第一阶梁体竖弯振动周期时,梁体地震反应较大,表现为梁体首先屈服、梁体损伤程度较大、拉索首先破坏;除此之外,塔柱地震反应较大,表现为塔柱首先屈服、损伤程度较大和首先破坏。
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知识点:近断层脉冲波作用下斜拉桥纵向损伤性能