分离式连续梁桥的地震损伤模型外文翻译资料

分离式连续梁桥的地震损伤模型

请引用本文作者：谭平，黄嘉东，张嘉明 张云张，地震分离式连续梁桥的损伤模式，工程损伤分析（2017），doi：10.1016 / j.engfailanal.2017.05.030这是已经被接受出版而未经编辑的手稿PDF文件。 若为我们的客户提供服务，我们将提供这个早期版本的手稿。该稿件将经过抄写，排版和审查它以其最终形式出版。 请注意，在生产过程中可能会有错误被发现导致影响到其内容，以及适用于所有这些内容的所有法律免责声明期刊属性。

分离式连续梁桥的地震损伤模型

a广州大学土木工程学院，P.C.510405，中国

b广西交通研究咨询有限公司 ，南宁，中国.530007

台湾大学土木工程系台湾台北10617台湾

广西祥璐建设股份有限公司，南宁，中国.530007

摘要

对于基础设施，尤其是地震分离式桥梁的损伤模式的可靠估计是需要建立在桥梁的抗震设计和几乎任何形式的改造分析。洪港珠澳大桥（HZM），一座建设中跨海的六跨抗震连续梁桥，将连接中国大陆，香港和澳门。因为桥梁位于高度活跃的地震带，所以必须评估该桥梁的抗震性能，特别是其损伤模式。基于这个实践，本文通过开发的加权秩和比法强力地面运动，结合开发的3D有限元桥梁模型研究了受分离式连续梁桥的损伤模式。首先，开发了使用增量动态分析方法评估的三维有限元桥梁模型。由于地震隔震的可变性，在分析中考虑了分离式支座的弯曲和旋转刚度。另外，支座旋转角度的研究对分离式连续大桥的地震分析结果是十分敏感的。然后，对十五强HZM桥进行了非线性动力学分析地震记录。此外，通过统计学加权秩和比法确定桥的显著的故障模式和最弱的故障模式。这导致了在桥台连续梁桥的中间墩的一部分支座处，侧墩上的分离式支座和底部的分离式支座侧墩产生损伤。故障模式分析的结果将大大有助于工程师在未来建立性能提升的桥梁，并提出抗震改造的有效策略

关键词

隔震; 支座转动刚度; 加权秩和比; 连续梁桥; 铅橡胶支座

1.引言

桥梁结构是地震的震后应急响应工作至关重要的区域。桥梁损伤在每个国家的运输系统中都会产生巨大的后果。在除了伤员和生命的损失外，服务中断也造成了巨大的影响，特别是对于发展中国家的经济增长。由于连续梁桥被广泛使用在交通运输系统中，频繁发生的地震可能会加速桥梁的进一步恶化，这可能导致桥梁损伤。最近二十年，各种地震分离式器已被开发和实际应用于结构的抗震设计，如弹性支座，滑动支座和滚子支座等[1]。分离式被认为是提高多跨桥梁性能的最有效手段之一，连续钢梁桥是最常见的用于脆弱地震区的桥梁[2]。铅橡胶支座（LRB）是最受欢迎的分离式装置之一。原因是LRB具有较大的滞后量，这意味着比弹性体支座更能消耗能量。LRB可以减少甲板和桥台之间有效的相对位移。此外，LRB需要的初始成本和维护[3] 最少。由于相互作用，桥梁受到环境负载和动态激励桥梁与周边环境之间。对桥梁的外部激励，如作为地震，由于不确定性，可能会引起导致结构部件的损坏事件甚至损伤[4-6]的结构变形和应力。虽然一般桥梁故障并不归因于恶化，它们突出了系统的重要性冗余和安全与维护之间的关系。在1987年，在Schoharie Creek的Thruway大桥的悲剧性崩塌之后，纽约交通部（NYDOT）采取了几步来减少和阻止将来的桥梁故障。其中一个步骤就是创建了桥梁安全保证部门，该部门建于1990年的，初步承诺是尽可能多集收集发生在美国的桥梁损伤信息。尽管关于这个重要问题的信息不足，该部门还是已经对建筑设施的损伤进行了研究。例如，Eldukair和Ayyub [7]从1975年到1986年在美国研究了604个结构和建筑故障Harik等人进一步研究了美国在1951 - 1988年期间的桥梁故障[8]。此外，早期建设的设施故障分析由Hadipriono [9]和Hadipriono和Diaz[10]在1977 - 1981年期间进行，分别为1982 -1988年。前者分析显示了57例发生在1977年至1981年之间美国的桥梁故障。后者研究了24例这种发生在1982年和1988年之间公布了的桥梁损伤。

为了研究LRB在桥梁结构性能提升中的有效性，已经进行了大量的研究，并为LRB提供适当的设计程序，并通过参数研究了解对LRB行为的影响因素。 Agrawal和Tan基于91/5公路桥梁的孤立公路桥梁开发了通过竞争控制策略提供系统化和标准化的手段[11,12]的基准模型。 E. Choi等[13]在原先的El Centro地震期间改造LRBs研究的一种三跨连续钢桥，得出结论：LRB可以令人满意地保护墩柱，但是即使最弱的地面运动，LRB仍将保持残余变形。森，A [14]对压缩载荷下支座的实际行为有了更好理解，得出在铅插头后，LRB的抗压刚度几乎与EB的抗压刚度同时开始的结论。 Zordan等[15]提出了对结构等效线性化的改进表达式支持LRB。 Cook等人[16]使用区域桥梁故障数据库来确定发生在87和222国家之间桥梁破坏率与相关因素和联合估计的年平均桥梁故障率，预期值128. Tinnea＆Associates的杰克TinneaLLC发现了美国一些主要桥梁故障的历史，并提供详细的技术分析，这些破坏发生的原因和原因[17]。在加利福尼亚州例行视察率先发现钢筋混凝土桥梁的永磁体疲劳破坏，并得出桥梁由于水平方向的循环退化而破坏施工联合[18]的结论。以前的研究对于损坏没有统一的定义。在本文中，专业损伤定义为桥梁在关键桥梁时变为几何不稳定系统构件时，即达到损伤标准。所有人都知道损伤对于不同的构件的标准是不一样的。整个桥梁系统的损伤是由关键结构部件的渐进损伤引起的。因此，破坏标准和破坏结构部件序列形成各种故障模式ACC基于上述动机，本文的目的是调查破坏连续梁桥模式，基本上有助于工程师开发有效的策略用于提高抗震能力和抗震改造优先级。在本文中分析的洪港珠澳大桥（HZMB），是一条新的跨海大桥正在建设中，设计要求桥梁地震行为的高性能。和该故障模型对这个六跨桥台连续梁桥非常有趣。因此，在十六个地震记录下进行了HZMB的动态分析。统计学通过使用重要故障模式和桥梁的最弱损伤模型进行识别加权秩和比（WRSR）方法。在以往的研究中，我们认为连续梁桥中的支座变形是理所当然的，支座总是被模拟成只允许横向有位移，旋转角度往往会被被忽略。在这个研究中，推导出支座的转动刚度，并分析铅橡胶支座转角对桥梁响应的灵敏度。

2.工程背景

2.1 HZMB的说明

香港-珠海-澳门大桥是连接香港、广东省珠海市和澳门特别行政区的大型海上通道。总长约42公里。HZMB的独特之处在于使用期限为120年，设计可承受8.0级地震里氏的规模。作为香港，澳门，珠江三角洲地区的交通运输平台，HZMB形成了一个小时的交通圈，其释放出来更多扣人心弦的经济和社会效益。

2.2 HZMB有限元模型

由于对桥梁抗震性能的期望较高，这个连续梁桥损伤模式是十分有研究价值的。在不失一般性的情况下，本文研究了香港珠海 - 澳门大桥（HZMB）的一个典型六个跨的独立连续梁桥，如图1所示。案例研究了两端分别由两个支座支承的6times;110米连续桥梁，在表1中总结材料性能。桥梁的上部结构包括箱型桁架和箱形墩。主梁宽度为33.1m。桩帽是长15.4米，宽11.1米，高4.5米。1-7＃桥墩的高度分别为23.7m，23.4m，23.8m，23.5m，23.1m，23.1m和22.7m。支撑在五个独立钢筋混凝土桩柱上主梁是平直的，所有的子结构都是垂直于直桥中心线的。七套钢支座，每套支座由两个用于在每个支撑处将负载从上层建筑转移到子结构的LRB组成。遵循分离设计，有三种类型的LRB，即LRB1250，LRB2500和LRB2750，安装在这座桥上。LRB的参数列在表2中。每个拐角由一个10米times;3.5米的中空箱形柱和1米的厚度组成。混凝土棱柱体抗压强度为fc = 18.4MPa。列中的垂直钢筋由128＃16钢筋组成和376＃28条（fy = 280MPa）。靠近隐藏的塑料铰链区域没有连接条。如图2所示，C50桥台混凝土面积为23平方米。和垂直区域HRB335的钢筋为0.257m2，配筋率为1.11％。开发了6跨的HZMB三维有限元模型ABAQUS的环境，如图1所示。桥墩用纤维元素建模，剪切刚度设定为1times;1016N /m。CONN3D2连接元件用于模拟支持者。基座使用支撑在弹簧上的梁元件进行建模。其他构件使用梁柱元件（梁31）建模。桩基础受弯假定为固定为在岩石上的连续传力构件。桁架和支座之间的节点，支座成为帽梁和桥墩的顶部的89、82梁元素刚性杆连接。对于位于同一墩上的支座弯曲，由于位置对称，LRB纵向剪切应变应同步水平地震激励的理论。这是由LRB在1＃桥墩地震反应证明的（见图4）。因此，每个LRB弯曲的代表被称为1至7。弹性刚度，屈服强度，屈服位移后的强度受到广泛关注以前的研究[19,20]，此外，本研究考虑了支座的旋转角度。可能形成塑料铰链的墩的底部段被称为8至14。在ABAQUS的非线性动力学分析中，采用瑞利阻尼。自然假定阻尼为5％，因此alpha;和beta;可以分别计算得到为0.118和0.021。

3.桥台建模

3.1纤维模型的材料构成关系

桥台用纤维元素建模。根据材料的本构关系，有两个重要的非线性时间历程分析，即滞后规则和骨架曲线。磁滞模型中的纤维模型中的钢是由Clough的组成关系建立起来的。该本构模型由弹性描述模量，屈服强度和硬化刚度系数。混凝土模型的拉伸强度为在本文中也考虑到拉伸和压缩骨架线形成一个完整的曲线，其指向拉伸载荷下的原点。另外，重新装载的刚性是当最大压应变增加时，减小，当不大于当时达到的极限压应变。图5和图6显示钢筋和混凝土单轴往复载荷下的应力 - 应变关系。

3.2桥台损伤标准

根据82个圆形桥墩的测试数据，Stone和Taylor [21]修改了损伤理论

Park-Ang如下：

其中phi;m是地震作用下桥台的最大曲率；M_y，phi;u和phi;y是分别在单独载荷曲率下的桥墩力矩，极限曲率和屈服曲率; beta;e是墩下循环载荷曲率下的纵向轴向压缩比损伤参数，剪切跨度比，桥墩配筋率；int;dEh是构件累积的能量耗散。 结构分类和修正Park-Ang的参数见表3。

3.3桥墩容量参数

本研究中桥墩的识别参数如屈服曲率phi;y，屈服力矩，极限力矩Mu，极限曲率phi;u，可以通过商业有限元程序ABAQUS获得。假设当混凝土最终评定的截面应变的条件压缩面积达到εcu时，截面的弯曲能力降至最大力矩值的85％时的能力如表4所示。关于桥墩部分如图2所示，图7显示了墩底部的M-phi;曲线，不考虑其轴向力作用。

3.4 LRB的损伤标准

许多代码如AASHTO LRFD地震桥设计，欧洲编码设计的结构抗震性和日本公路桥规范也有类似的规定，分离式系统的位移应符合一定要求。例如，AASHTO地震分离式指南规范设计规定由于地震施加横向位移应确定为dt / Tr，其中dt为总设计的位移和Tr是弹性体的厚度。但是定义LRB的损伤标准的方法是一般性的，它与要选择的规格无关。位于中国的HZM Bridge实际上是这样的，根据中国规范设计，中国地震代码可能推测者估计本研究中的破坏标准。遵守指引的明确条款中国公路桥梁抗震设计，地震作用下的剪应变应为当检查LRB的稳定性时，支座橡胶层厚度小于2.5倍。在另外，城市桥梁抗震设计规范规定了剪力应变的抗震作用在地震作用下应小于支座橡胶层厚度的250％。在这个规范中，三种LRB类型的故障剪切变形，即LRB1250，LRB2500和LRB2750715mm，630mm和612.5mm。

4.动态特性分析

在这里用ABAQUS有限元建模和分析比较LRB和传统盆式橡胶桥梁之间的动态特性支座（PRB）。支座用于连续梁桥的延伸状态评估。绘制桥梁模型的前五个模型形状，如图所示，图8和图9总结了桥梁的前五个自然时期和模式特征表5。如表5所示，桥墩的基本自然周期为2.72s，而传统桥分别为1.80s。对于高阶模式，桥梁的振动周期和分离式将更接近，这表明分离式支座对前几种模式有很多的影响更大。在图8中，前几个模式主要是横向的浮动和弯曲，其示出横向刚度比和纵向的弱刚性。因此，应更多地重视桥梁的横向抗震设计。该桥梁的第四模式形状是桥面板的纵向浮动，这表明纵向位移不应忽视。如图9所示，第一种模型的形状连续的桥梁是桥面板的纵向浮动，其发生在第四振动模式的孤立的桥梁。如图8和图9所示，支座对模型的影响很大取决于桥梁的形状，因为公路桥梁抗震设计指引要求改变的水平和垂直刚度在90％以上的累积模态参与质量。 纵向，横向和垂直方向是分别由X，Y和Z表示。 第80次累积模态参与量分离式和非分离式的桥梁列在表6中。累积模态的百分比参与质量在纵向，横向和垂直方向分离式桥分别为94.16％，93.95％和91.15％。 对于没有分离式的桥梁，累积模态参与量的百分比分别为94.31％，95.89％和93.69％。均符合规范要求。

5.桥梁故障模式分析

5.1选择地震记录

根据以前的Vamvatsikos和Cornell的研究[22] A组15地面运动记录可以使用IDA方法提供足够的地震要求精度[23-25]。 在这个论文选择了16座桥梁的地震记录，分析了桥梁结构，涵盖了分布在更广泛的频谱范围内各种各样的结

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[141288]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word