考虑刚度退化的铁路低配筋混凝土桥墩抗震评估方法_卢明奇

第32卷,第3期 中国铁道科学Vo l 132No 132011年5月 CH INA RAILWAY SCIEN CEM ay,2011文章编号:1001-4632(2011)03-0041-06考虑刚度退化的铁路低配筋混凝土桥墩抗震评估方法卢明奇,杨庆山,杨 娜(北京交通大学土木建筑工程学院,北京 100044)摘 要:根据已有试验结果,得到适用于铁路低配筋混凝土桥墩的荷载位移双折线模型。

选取4类场地的320条实际地震记录,利用该双折线模型研究4类场地的强度折减系数谱值随桥墩屈服后刚度折减系数变化的规律。

结果表明:在考虑桥墩屈服后刚度退化的情况下,强度折减系数谱值随桥墩屈服后刚度折减系数的增大而降低,说明低配筋混凝土桥墩屈服后的刚度退化越大,桥墩对地震的强度需求越大。

通过对4类场地强度折减系数谱的统计分析,给出考虑刚度退化的三折线型强度折减系数谱以及据此的铁路低配筋混凝土桥墩抗震评估方法。

关键词:混凝土桥墩;低配筋;刚度退化;刚度折减系数;强度折减系数谱;抗震性能;评估方法 中图分类号:U 443122:U 442155 文献标识码:A收稿日期:2010-11-13;修订日期:2011-03-05基金项目:国家自然科学基金青年科学基金资助项目(51008013);山东省交通科技计划项目(2009Y007);北京交通大学基本科研业务费专项基金资助项目(2009JBM 060)作者介绍:卢明奇(1978)),男,黑龙江齐齐哈尔人,讲师,博士。

我国5铁路工程抗震设计规范6(GB50111)2006)[1]中规定钢筋混凝土桥墩主筋全截面配筋率不应小于015%,箍筋不小于主筋配筋率的1/4,且不小于013%,以满足延性设计的要求。

但是,目前仍有大量已建铁路桥梁桥墩仅配有少量护面钢筋,截面配筋率低于规范要求,这些铁路桥墩截面延性较差,在地震作用下易于破坏。

有必要对上述低配筋混凝土桥墩的抗震性能进行评估,以便对其进行加固处理。

目前对铁路混凝土桥墩抗震性能的研究[2-6]主要是通过试验方法从桥墩抗震性能即自身能力的角度进行探讨,而对低配筋混凝土桥墩的抗震评估方法研究较少。

本文进行铁路低配筋混凝土桥墩抗震评估方法研究。

1 铁路低配筋混凝土桥墩荷载位移曲线模型文献[4]对铁路低配筋混凝土桥墩模型进行了低周反复加载试验,在试验中考虑了不同配筋率、配箍率和剪跨比对其抗震性能的影响作用,试验桥墩模型的主要参数见表1。

本文根据文献[4]试验结果绘制了不同配筋率和配箍率试件的荷载位移曲线,如图1所示。

表1 铁路低配筋混凝土桥墩试验模型参数模型编号配筋率/%配箍率/%剪跨比101101195132011010951330110106513401101094135012010951360120119513701201065138012010941390120109312图1 试验模型荷载位移曲线由图1可见,其荷载位移曲线均可近似表示为图2所示的双折线模型。

图2中,K 为低配筋混凝土桥墩初始刚度;A 为刚度折减系数;P y ,$y 和$u 分别为屈服力、屈服位移和极限位移;C 为极限状态时荷载下降系数。

图2 低配筋混凝土桥墩荷载位移双折线模型由图2可得桥墩的极限位移 $u =$y +C P y A K =$y +C A $y(1)桥墩的位移延性系数 L =$u $y =1+C A(2)根据5铁路工程抗震设计规范6(GB50111)2006),建议取荷载下降至018倍最大抗力作为破坏抗力,即当达到极限位移$u 时对应的荷载(1-C )P y =018P y ,所以C 可取为012。

2 铁路低配筋混凝土桥墩强度折减系数谱强度折减系数反映了结构在地震作用下的强度需求,是基于位移和能力谱抗震设计的重要指标。

目前,国内外研究者已经对强度折减系数谱展开了一系列的研究,并取得了很多重要的研究成果[7-11]。

但研究多是在给定体系的位移延性系数且忽略屈服后刚度和强度退化对强度折减系数影响条件下进行的。

对于低配筋混凝土桥墩,由式(2)可知,其位移延性系数与刚度折减系数以及极限状态下荷载下降系数均相关。

因此,本文采用图2所示的低配筋混凝土桥墩荷载位移双折线模型,考虑屈服后刚度和强度退化的影响,进行低配筋混凝土桥墩的强度折减系数谱研究。

211 地震记录的选取本文从美国PEER 地震记录数据库中选取了与5铁路工程抗震设计规范6(GB50111)2006)相符的Ñ)Ô类场地各80条,合计320条地震记录,根据不同场地类型,计算其动力放大系数B 谱曲线并进行统计平均,将得到的平均谱曲线与5铁路工程抗震设计规范6(GB50111)2006)中的B 设计谱曲线进行比较,如图3所示。

可见选取的4类场地地震动记录特性符合我国规范要求。

212 强度折减系数谱本文用上述选取的不同场地的320条地震记录,采用图2所示的荷载位移双折线模型考虑刚度和强度退化,计算4类场的强度折减系数谱,计算中刚度折减系数A 分别取0105,011,012和014,阻尼比N 取5%,得到图4所示不同场地的平均强度折减系数谱。

由图4可见,强度折减系数谱值随着A 增大而降低,说明低配筋混凝土桥墩的屈服后刚度退化越大,桥墩对地震的强度需求将增大。

图5给出了周期分别为012,210和310s,阻尼比N 为5%时不同场地平均强度折减系数与A 的关系曲线。

由图5可见,不同场地的平均强度折减系数R 随A 的增大而减小;周期越长,R 值越大;当A 较小时,不同周期的R 差别较大,当A 较大时,不同周期的R 差别不大。

为方便实际工程应用,本文根据计算得到的4类场地不同刚度折减系数A 下的平均强度折减系数谱,提出了图6所示的3折线型强度折减系数谱。

通过统计回归,得到了不同场地条件、A [014情况下图6中控制点A ,B 和C 的坐标,见表2,其中T g 为场地特征周期。

3 铁路低配筋混凝土桥墩抗震评估方法利用本文提出的考虑屈服后刚度退化的三折线型强度折减系数谱可对低配筋混凝土桥墩进行抗震评估,具体步骤如下。

(1)按照5铁路工程抗震设计规范6(GB50111)2006)建议的B 设计谱曲线和设计地震动参数计算弹性加速度谱曲线。

(2)通过静力弹塑性分析得到低配筋混凝土桥墩结构的能力谱曲线,通常为图2所示的双折线形式,由能力谱曲线得到刚度折减系数、结构自振周期和强度最大值。

(3)根据已知的场地条件、刚度折减系数和结构自振周期,利用本文提出的三折线型强度折减系42中 国 铁 道 科 学 第32卷图3 不同场地条件下的动力放大系数谱曲线图4 不同场地条件下的平均强度折减系数谱43第3期 考虑刚度退化的铁路低配筋混凝土桥墩抗震评估方法图5 不同场地的平均强度折减系数与A关系曲线图6 3折线型强度折减系数谱数谱确定适用于该桥墩的强度折减系数,并以此强度折减系数对上述得到的弹性加速度谱曲线进行折减,得到设计地震作用下桥墩的强度需求谱。

(4)比较桥墩能力谱曲线最大值与同周期下桥墩强度需求谱值,若前者大于后者,则桥墩满足设计地震作用下的强度需求;反之,则不满足,需进行抗震加固。

现应用上述方法对某铁路低配筋混凝土简支梁桥桥墩进行抗震评估。

该桥位于8度地震区(013g ),Ò类场地,第1分区。

双柱式桥墩墩高为15m,墩身为212m @313m 的矩形截面,立柱间距为214m ,如图7所示。

上部简支箱梁重量为50316t 。

墩身材料采用C35混凝土,墩柱采用82根516m m 的纵筋和510mm 的箍筋,箍筋间距为100m m 。

纵筋配筋率为01227%,体积配箍率为01222%。

表2 4类场地下3折线型强度折减系数谱控制点坐标场地a xa yb xb yc x c yÑ类0108+0141T g 1132+3138e (-A /0116)-0137+4168T g 1135+7103e (-A /1135)51143+7168e (-A /0113)Ò类0108+0141T g1129+319e (-A /0114)-0137+4168T g1127+6192e (-A /0113)51125+8108e (-A /0113)Ó类0108+0141T g 1122+2174e (-A /0122)-0137+4168T g 1137+7e (-A/0113)51137+9148e (-A /0113)Ô类0108+0141T g0195+2164e (-A /0124)-0137+4168T g1129+6136e (-A /0115)51148+10148e (-A/0111)44中 国 铁 道 科 学 第32卷图7 双柱式桥墩首先由5铁路工程抗震设计规范6(GB50111)2006)建议的B 设计谱曲线得到设防烈度为8度的弹性加速度谱曲线,如图8所示。

然后利用静力弹塑性分析方法计算该双柱式桥墩的能力谱曲线,如图9所示。

由图9得到刚度折减系数A =0107,结构自振周期T =0162s,能力谱曲线的强度最大值为01537。

再由图6和表2,根据已知的刚度折减系数和结构自振周期,求得对应于该图8 8度区弹性加速度设计谱和折减后的加速度谱周期下的强度折减系数谱值R =4129。

按照所求得的强度折减系数对弹性加速度谱曲线进行折减,如图8所示。

上述该双柱式桥墩的能力谱曲线的强度最大值为01537,而图8中对应于T =0162s 时的谱值为01169,显然前者大于后者,桥墩满足设计地震作用下的强度需求,无需进行抗震加固。

图9 双柱式桥墩的能力谱曲线4 结 论(1)铁路低配筋混凝土桥墩的荷载位移曲线呈双折线形,因此需考虑刚度折减系数A 对地震强度需求的影响作用。

(2)强度折减系数谱值随着A 增大而降低,说明低配筋混凝土桥墩的屈服后刚度退化越大,桥墩对地震的强度需求越大;A 较小时,不同结构周期的R 值差别较大,A 较大时,不同结构周期的R 值差别不大。

(3)本文在对4类场地的强度折减系数谱统计分析的基础上提出了考虑屈服后刚度退化的三折线型强度折减系数谱,并给出了据此的低配筋混凝土桥墩抗震评估方法。

参考文献[1] 中华人民共和国铁道部.GB50111)2006铁路工程抗震设计规范[S].北京:中国计划出版社,2006. [2] 刘庆华,阎贵平.低配筋混凝土桥墩抗震性能的实验研究[J].北方交通大学学报,1996,20(5):517-521.(L IU Q inghua,Y A N G uiping.Ex perimental Studies on Seism ic Behavio ur of Reinfo rced Concrete Bridge P iers [J].Jo ur na l of N o rthern Jiaoto ng U niver sity,1996,20(5):517-521.in Chinese)[3] PIN T O A V ,M O L IN A J,T SIO N IS G.Cyclic T est s o n L arg e -Scale M odels of Exist ing Br idge Piers with Rectangu -lar H ollo w Cr oss -Sectio n [J].Earthquake Eng ineering and Structural Dynamics,2003,32(13):1995-2012.[4] 鞠彦忠.低配筋圆端型铁路桥墩的抗震性能研究[D].北京:北京交通大学,2004.(JU Yanzhong.Study on Seismic Per for mance of Round -Ended Railway Pier s w ith Lo w Lo ng itudinal Steel Ratio [D].Beijing :Beijing Jiaoto ng U niver sity,2004.in Chinese)[5] 孙卓,李建中,闫贵平,等.钢筋混凝土单柱式桥墩抗震性能试验研究[J].同济大学学报:自然科学版,2006,34(2):160-164.(SU N Zhuo ,L I Jianzhong,YA N G uiping,et al.Ex perimental Study on Seismic P erfor mance of Reinfor ced Co ncr ete45第3期 考虑刚度退化的铁路低配筋混凝土桥墩抗震评估方法46中国铁道科学第32卷One-Co lumn Br idg e Piers[J].Jour nal of T o ng ji U niver sity:Nat ur al Science,2006,34(2):160-164.in Chinese) [6]CHU N G Y S,PA RK C K,L EE D H.Seismic P erfor mance o f RC Br idge P iers Subjected to M oderate Earthquakes[J].Str uctur al Engineering and M echanics,2006,24(4):429-446.[7]ORD AZ M,P ER EZ R L E.Est imatio n of Str eng th-R eduction Facto rs Elasto-P lastic Systems:a N ew A pproach[J].Ear thquake Eng ineer ing and Str uctur al Dy namics,1998,27:889-901.[8]L EE L H,H AN S,O H Y H.Deter mination o f Ductilit y Facto rs Elasto-Plastic H y ster etic M odels[J].EarthquakeEng ineer ing and St ruct ur al Dy namics,1999,28:957-977.[9]F A JF A R P.Capacity Spect rum M ethod Based o n Inelastic Demand Spectra[J].Earthquake Eng ineering and Str uc-tura l Dy namics,1999,28(9):979-993.[10]卓卫东,范立础.结构抗震设计中的强度折减系数研究[J].地震工程与工程振动,2001,21(2):84-88.(ZH U O W eidong,FA N L ichu.O n Strength Reductio n Factor s U sed for Seismic Design o f Str uctures[J].Earth-quake Eng ineering A nd Eng ineering V ibratio n,2001,21(2):84-88.in Chinese)[11]王东升,李宏男,王国新.统计意义一致的弹塑性设计位移谱[J].大连理工大学学报,2006,46(1):87-92.(W AN G D ongsheng,L I H ongnan,W AN G Guox in.Statistical P ro per ty-Consistent Elastic-P lastic Displacement De-sig n Spectra[J].Journal o f Dalian U niv ersity of T echnolo gy,2006,46(1):87-92.in Chinese)Seismic Evaluation Method of RC Railway Piers withLow Steel Ratios Considering Stiffness DegradationLU M ingqi,YA N G Q ing shan,Y A NG N a(School of Civ il Eng ineer ing,Beijing Jiaotong U niversity,Beijing100044,China)Abstract:From the existing ex perimental results,it can be fo und that the P-$load displacement curve of RC r ailw ay piers w ith low steel ratios can be described as a double-broken-line m odel.T hen the total of 320earthquake reco rds for4types of soil conditio ns w ere selected,and the r ule that the strength reduction facto r spectra for4types of soil conditions v ar ying w ith the stiffness reduction factors w as studied by the pro posed double-bro ken-line model.It can be seen that under the condition of considering stiffness deg ra-dation,the v alues of the streng th r eductio n factor spectra w ill decrease with the incr easing of the stiffness reduction factors.It indicates that the seism ic strength demands w ill increase if the stiffness degr adation of RC r ailw ay piers w ith lo w steel ratios becomes distinctive.Fr om the statistical analy sis of the strength re-duction factor spectra for4ty pes of so il conditions,the tr ilinear streng th reduction factor spectra co nsider-ing stiffness degradation w ere g iv en and the seismic evaluation method of RC railw ay piers w ith low steel ratios w as propo sed.Key words:RC pier;Low steel ratio;Stiffness deg radatio n;Stiffness reduction factor;Str ength reduction facto r spectra;Seismic behav io r;Ev aluation metho d(责任编辑吴彬)。