袁輝輝,唐藝航,吳慶雄,陳寶春
(福州大學土木工程學院, 福建福州350108)
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罕遇地震下薄壁帶肋箱型鋼橋墩抗震性能試驗
袁輝輝,唐藝航,吳慶雄,陳寶春
(福州大學土木工程學院, 福建福州350108)
為研究薄壁帶肋箱型截面鋼橋墩在罕遇地震作用下的非線性抗震性能,通過MTS伺服加載系統(tǒng)進行了3根試件的擬動力試驗。試驗采用了日本阪神地震中不同場地類型下的地震動時程(JMA波、JRT波、PKB波),得到了不同工況下試件的位移時程曲線、荷載—位移滯回曲線和累積滯回耗能時程曲線。試驗結(jié)果表明:對于文中所采用的薄壁帶肋方型截面鋼橋墩試件,罕遇地震作用下3個試件的塑性鉸位置均出現(xiàn)在底部,且均未出現(xiàn)剪切破壞現(xiàn)象;3根試件所對應的地震波輸入工況中,JMA波作用下試件的損傷程度和位移響應均為三者中最小,PKB波作用下試件的損傷程度和位移響應最大,JRT波作用下試件的累積滯回耗能最大;試件的最大位移響應與輸入地震波的峰值加速度大小并非絕對相關(guān),還與地震波的輸入能量、反應譜的特征周期等其他特征有關(guān)。
鋼橋墩;薄壁箱型截面;抗震性能;擬動力試驗;罕遇地震;地震波特性
現(xiàn)階段,國內(nèi)外大多數(shù)的橋梁普遍采用鋼筋混凝土橋墩。但由于混凝土本身的脆性,當外圍箍筋的約束不夠充分,此類橋墩在強震作用下容易發(fā)生嚴重的彎曲破壞和剪切破壞,甚至引起橋梁的倒塌,給震后的搶險救援工作帶來困難,造成巨大損失[1-5]。而采用薄壁帶肋截面的鋼橋墩因自重輕、施工方便、截面剛度大等優(yōu)點得到了國內(nèi)外專家學者的廣泛關(guān)注和應用[6-13]??梢灶A見,在方興未艾的中國城市化進程中,特別是抗震設(shè)防等級高的城市橋梁建設(shè)中,此類構(gòu)件將得到更廣泛應用。目前,對此類薄壁帶肋鋼橋墩抗震性能的試驗研究多采用擬靜力加載方式[13],通常是在試件屈服前采用荷載控制并分級加載,在試件屈服后采用屈服位移的倍數(shù)為級差進行控制加載[14],但實際地震作用具有隨機性,采用逐級反復加載方式的擬靜力試驗方法與之相比存在明顯區(qū)別;同時,此類構(gòu)件在強震作用下的非線性動力特性的研究還不夠充分,震害資料匾乏,致使抗震設(shè)計經(jīng)驗不足。因此,研究強震作用下薄壁帶肋箱型鋼橋墩的抗震性能具有重要的工程參考價值。為此,本研究制作了3根縮尺比例為1∶4的薄壁帶肋箱型鋼橋墩試件,通過輸入日本阪神地震3種場地類型下的地震動時程JMA波、JRT波和PKB波進行單向擬動力試驗研究,通過觀察試件破壞過程,得到不同工況下試件的位移時程曲線、荷載—位移滯回曲線和累積滯回耗能時程曲線,以探索不同地震動特性對結(jié)構(gòu)非線性動力響應的影響規(guī)律,并對各橋墩進行抗震性能評價。
1.1試件設(shè)計
本研究采用與文獻[13]中擬靜力試驗研究相同的幾何尺寸和材料特性,按照與原型結(jié)構(gòu)1∶4的比例制作了3根薄壁帶肋方型截面鋼橋墩模型,用于模擬地震作用下的反應。橋墩試件如圖1所示,所有試件均采用SM490鋼材制作,設(shè)計屈服強度為325 MPa。試件的有效長度為2 400 mm,方型截面邊長為450 mm,豎向加勁肋與橫向加勁肋的寬度均為55 mm,鋼材厚度為6 mm。試件底部橫向加勁肋的豎向間距為225 mm,橋墩高度900 mm以上時間距變?yōu)?50 mm。各試件的軸壓比n均取為0.15,采用材料設(shè)計值計算得到試件上部恒定豎向荷載P=648 kN。根據(jù)日本道路橋抗震設(shè)計規(guī)范(JRT-V-2012)[6],橋墩箱型截面通用寬厚比RR和通用長細比λ分別表示為:
(1)
(2)
式中,h為試件的有效長度(mm);b為方型截面邊長(mm);t為鋼板的厚度(mm);r為截面的回轉(zhuǎn)半徑(mm);σy為鋼材的設(shè)計屈服強度(MPa);Es為鋼的彈性模量(MPa);ν為鋼材的泊松比;kR=4ns2,為屈曲系數(shù),ns為方型截面各邊被豎向加勁肋劃分的片數(shù),本文采用的試件ns=3。由式(1)、式(2)分別求得RR=0.52,λ=0.34。
1.2加載方案
擬動力試驗的加載裝置示意圖見圖2,水平荷載和豎向荷載均由MTS電液伺服作動器施加。水平荷載采用位移控制。試件頂部的橫向荷載和位移可通過MTS系統(tǒng)自動采集。同時,還需要在試件底部可能出現(xiàn)塑性鉸的區(qū)域,沿方型截面環(huán)向均勻布置8個應變片,沿橋墩縱向布置6個應變片。
圖1橋墩試件
Fig.1Test specimens
圖2實際加載情況
Fig.2Photo of actual loading test
本研究的原型結(jié)構(gòu)為獨柱式橋墩,可簡化為單質(zhì)點受力模型。根據(jù)擬靜力試驗結(jié)果[13],試件的初始彈性剛度為15.5 kN/mm,試件的豎向軸力為648 kN,根據(jù)1∶4的縮尺比例可知各試件原型結(jié)構(gòu)的周期為0.82 s。選用1995年阪神大地震中在3種不同場地類型(Ⅰ類堅硬、Ⅱ類普通、Ⅲ類柔軟)上記錄得到的JMA、JRT、PKB波作為輸入地震波,其加速度時程見圖3(a)~3(c),各地震波的持時時間為30s,其絕對加速度反應譜與JRT-V-2012[6]中規(guī)定的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類場地設(shè)計反應譜的對比見圖4(a)~4(c)。輸入地震波與JRT-V-2012設(shè)計反應譜的基本參數(shù)如表1所示。
(a) JMA波加速度時程
(b) JRT波加速度時程
(c) PKB波加速度時程
(a) JMA波的絕對加速度反應譜
(b) JRT波的絕對加速度反應譜
(c) PKB波的絕對加速度反應譜
試件名稱輸入地震波名稱對應地基種類水平峰值加速度PGA/gal特征周期Tg/s設(shè)計反應譜最大值Sad,max/gal實際反應譜最大值Sac,max/galS1JMAⅠ類8120.3~0.720002072S2JRTⅡ類6730.4~1.217501996S3PKBⅢ類5570.5~1.515001550
我國現(xiàn)行的橋梁抗震設(shè)計規(guī)范[15-16]對E2罕遇地震作用下的橋梁結(jié)構(gòu)采用延性抗震設(shè)計方法,通過抗震設(shè)計和驗算,確保結(jié)構(gòu)的延性能力大于需求;通過引入能力保護設(shè)計原則,確保塑性鉸只在結(jié)構(gòu)選定的位置出現(xiàn),且不出現(xiàn)剪切破壞等破壞模式。本文接下來將就E2罕遇地震作用下各試件的抗震性能展開討論。其中,罕遇地震工況加載結(jié)束后各試件的破壞形態(tài)、各試件的位移時程曲線、荷載—位移滯回曲線、累積滯回耗能時程曲線分別如圖5~圖8所示,圖中的位移和荷載分別采用擬靜力試驗[13]得到的屈服位移δy0=15.00 mm和屈服荷載Hy0=233.00 kN進行歸一化處理。
2.1損傷情況
罕遇地震工況加載結(jié)束后各試件的破壞形態(tài)如圖5所示??梢?,對于薄壁帶肋箱型鋼橋墩試件S1、S2及S3來說,各試件在達到屈服荷載后,首先在試件底部加載方向上的鋼板出現(xiàn)了微小的局部屈曲變形,隨著加載的往復逐漸擴展到腹板,屈曲變形不斷擴展,當試件達到最大位移,豎向加勁肋間的鋼板出現(xiàn)了凹凸起伏的屈曲變形。相比試件S1,試件S2與試件S3底部鋼板的局部屈曲變形更為顯著。由于底部塑性變形區(qū)域的存在,試驗加載結(jié)束后可發(fā)現(xiàn)試件頂部的殘余變形十分明顯,尤其以試件S3最為明顯。從3個試件的破壞模式來看,試件S1、S2、S3的塑性鉸位置均出現(xiàn)在底部,且均未出現(xiàn)剪切破壞現(xiàn)象,說明薄壁帶肋箱型鋼橋墩試件的設(shè)計遵循了能力保護設(shè)計原則。
(a) 試件S1
2.2位移時程曲線
(a) 試件S1
(b) 試件S2
(c) 試件S3
圖6為罕遇地震工況下各試件的位移時程曲線。圖6中的點劃線表示通過擬靜力試驗[9]得到的試件容許極限位移δua=2.95δy0,該容許極限位移取為骨架曲線上峰后荷載最大值降至95%峰值水平荷載時的位移[9]。從圖6罕遇地震工況下的位移時程曲線可看出:對于JMA波作用下的試件S1,其在3 s左右達到屈服位移δy0,5.37 s達到正方向最大響應位移2.15δy0,緊接著在5.81 s負方向達到最大響應位移3.69δy0,此值是其容許極限位移2.95δy0的1.25倍,加載結(jié)束后試件震后的殘留位移達到了1.43δy0;對于JRT波作用下的試件S2,2.6 s左右試件達到屈服位移δy0,3.33 s達到正方向最大響應位移2.35δy0,緊接著在3.83 s負方向達到響應位移3.64δy0,在經(jīng)過幾次大位移反復加載后,試件于8.43 s達到最大響應位移4.82δy0,此值是容許極限位移δua的1.63倍,試件震后的殘留位移為2.01δy0;而對于試件S3,在PKB波作用下,試件在4.1 s前均處于彈性工作狀態(tài),試件屈服后于4.88 s達到正方向最大響應位移2.02δy0,緊接著在5.36 s負方向達到響應位移3.67δy0,在經(jīng)過1次大位移循環(huán)加載后,試件就迅速地在6.49 s達到最大響應位移5.18δy0,此值是容許極限位移δua的1.76倍,試件震后的殘留位移為2.86δy0。
2.3荷載—位移滯回曲線
罕遇地震工況下各試件的荷載—位移滯回曲線如圖7所示。圖7中的位移與荷載均已進行歸一化處理。從圖7可看出,試件S1、S2和S3在屈服之前均處于彈性階段,滯回曲線基本呈線性變化,滯回環(huán)包圍的面積較小,加載和卸載時的剛度無明顯變化;而當試件屈服進入彈塑性階段以后,加載與卸載時的剛度逐步降低,塑性變形不斷增大,尤其是試件S2和S3,隨著地震響應位移往復次數(shù)的增加,試件剛度降低的程度加快,滯回環(huán)的面積逐漸增大,達到最大荷載1.64Hy0后,試件進入劣化段,其強度明顯降低,加載與卸載時的剛度進一步降低,隨著往復荷載位移增加,柱肢底部塑性鉸的轉(zhuǎn)角不斷增大,滯回環(huán)的面積增大,滯回環(huán)形狀愈加飽滿;加載后期,隨著輸入地震波的加速度振幅不斷減小,各試件的滯回曲線基本呈線性變化,滯回環(huán)面積較小。
(a) 試件S1
(b) 試件S2
(c) 試件S3
2.4累積滯回耗能時程曲線
圖8為罕遇地震工況下各試件在加載過程中的累積滯回耗能時程曲線。圖中ΣE均采用單位耗能指標E0(Hy0·δy0/2=1 747.5 kN·mm)進行歸一化處理,圖中的點劃線表示由擬靜力試驗[13]得到的容許耗能指標ΣEua=112.94E0,該指標定義為試件峰后荷載最大值降至85%峰值水平荷載時(判定試件破壞)的累積滯回耗能。從圖8可看出,雖然輸入地震波的持時均為30 s,但在10 s之前各試件就幾乎完成了所有地震能量的輸入。JMA波下試件S1的累積滯回耗能為22.6E0,其中60%左右的能量是在5.0~5.8 s的短時間段內(nèi)快速輸入,這間接解釋了圖6中試件S1的最大位移響應出現(xiàn)在5.8 s附近且在3個試件中為最小的原因;JRT波下試件S2的累積滯回耗能為42.9E0,雖然試件S2的累積滯回耗能最大,但其能量輸入是在3.5~8.9 s的時間段內(nèi)分段完成,其中3.5~4.3 s的時間段內(nèi)輸入了45%左右的能量,接著在6.0~8.9 s的時間段內(nèi)完成剩余55%左右能量的輸入;而PKB波下試件S3的累積滯回耗能為34.5E0,其中90%左右的能量是在5.0~8.5 s的短時間段內(nèi)完成輸入,這也間接解釋了PKB波下試件S3的震時位移響應和震后殘余位移最大的部分原因。
(a) 試件S1
(b) 試件S2
(c) 試件S3
2.5抗震性能評估
遵循我國橋梁抗震設(shè)計規(guī)范[15-16]中結(jié)構(gòu)的延性能力需大于延性需求的原則,為定量地評估各試件的抗震性能,表2列出了各試件在罕遇地震作用下的最大響應位移δmax、殘留位移δr、累積滯回耗能ΣE及其相應的能力評價指標。需要指出的是,由于國內(nèi)現(xiàn)有橋梁抗震設(shè)計規(guī)范[15-16]并未規(guī)定罕遇地震作用下橋墩的震后容許殘留變形量,因此表中的容許殘留位移δra暫時按照日本道路橋抗震設(shè)計規(guī)范(JRT-V-2012)[6]的要求取為橋墩高度的1%,即δra=h/100=24 mm=1.60δy0。
對于試件S1來說,其墩頂最大位移為容許極限位移的1.25倍,說明其變形能力不足,無法滿足罕遇地震下結(jié)構(gòu)的抗震要求;震后殘留位移是容許殘留位移的0.89倍,說明結(jié)構(gòu)損傷有限,經(jīng)搶修可恢復使用,永久性修復后可恢復正常運營功能;累積滯回耗能的能需比為5.00,說明其耗能能力可保證其抵抗多次類似JMA波的強震作用。對于試件S2和試件S3來說,其墩頂最大位移分別為容許極限位移的1.63倍和1.76倍,說明其變形能力無法滿足類似JRT波和PKB波的罕遇地震下結(jié)構(gòu)的抗震要求;震后殘留位移分別是容許殘留位移的1.26倍和1.79倍,說明結(jié)構(gòu)損傷嚴重,震后難以修復,不利于抗震救災工作的展開;累積滯回耗能的能需比分別為2.63和3.27,說明其耗能能力可保證其抵抗余震或兩三次類似JRT波和PKB波的強震作用。
雖然試件S1的輸入地震波JMA波的峰值加速度為812 gal,設(shè)計加速度反應譜的最大值為2 000 gal,均為3條輸入波中的最大值,但由于其特征周期為0.3~0.7 s,而試件原型結(jié)構(gòu)的周期為0.82 s,另外,由“2.3節(jié)”荷載—位移滯回曲線可知在罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)的剛度會逐步降低,即結(jié)構(gòu)的周期還會進一步增大,根據(jù)JMA波的絕對加速度反應譜,結(jié)構(gòu)周期處于反應譜曲線的下降段,其地震作用效應進一步降低;對于試件S2的輸入地震波JRT波,其峰值加速度和設(shè)計反應譜的最大值分別為673 gal和1 750 gal,相比JMA波分別小17%和13%,但其特征周期為0.4~1.2 s,在地震波加載過程前期,試件原型結(jié)構(gòu)的周期處于反應譜峰值水平段,但當結(jié)構(gòu)剛度繼續(xù)降低時,結(jié)構(gòu)周期進入反應譜曲線的下降段,地震作用效應減?。欢嚰3的輸入地震波PKB波的峰值加速度和設(shè)計反應譜的最大值分別為557 gal和1 550 gal,在3條波中為最小,相比JMA波分別減少32%和23%,而其特征周期在三者中最長,為0.5~1.5 s,在罕遇地震加載過程中,試件原型結(jié)構(gòu)的周期均處于反應譜曲線的峰值水平段,地震作用效應十分明顯,因此,在3個試件中,試件S3擁有最大的響應位移和殘留位移。
表2 罕遇地震作用下試件抗震性能的評價Tab.2 Seismic performance evaluation of specimens for frequent earthquakes
本文通過3 根薄壁帶肋方型截面鋼橋墩在罕遇地震作用下的擬動力試驗研究,得到以下結(jié)論:
①罕遇地震作用下,3個試件的塑性鉸位置均出現(xiàn)在底部,且均未出現(xiàn)剪切破壞現(xiàn)象,說明薄壁帶肋箱型鋼橋墩試件的設(shè)計遵循了能力保護設(shè)計原則。
②對于本文所采用的薄壁帶肋方型截面鋼橋墩試件,在3個試件對應的輸入地震波中,JMA波作用下試件的損傷程度和墩頂?shù)奈灰祈憫鶠槿咧凶钚?,PKB波作用下結(jié)構(gòu)的損傷程度和位移響應最大,JRT波作用下結(jié)構(gòu)的累積滯回耗能最大。
③對于本文所采用的薄壁帶肋方型截面鋼橋墩試件,結(jié)構(gòu)的最大位移響應與輸入地震波的峰值加速度大小并非絕對相關(guān),還需要充分考慮地震波的輸入能量、反應譜的特征周期等其他特征。
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(責任編輯唐漢民裴潤梅)
Seismic performance test of steel bridge piers with thin-walled ribbed box section under rare earthquakes
YUAN Hui-hui, TANG Yi-hang, WU Qing-xiong, CHEN Bao-chun
(School of Civil Engineering, Fuzhou University, Fuzhou, 350108, China)
To investigate the nonlinear seismic performance of steel bridge piers with thin-wall ribbed box section under rare earthquakes, three specimens were produced and used in the pseudo-dynamic tests by using MTS servo loading system. JMA, JRT and PKB seismic waves under different site conditions from 1995 Hanshin Earthquake in Japan were adopted. In the tests, the displacement time history, load-displacement hysteretic curve, cumulative absorbed energy time history were obtained. The experimental results show that, for all three specimens, the plastic hinges were located at the base of the piers, and no shear failure occurred under rare earthquakes. The damage and displacement response of the specimen subjected to JMA wave were the smallest among the three, the specimen under PKB wave had the most serious damage and largest displacement response, and the specimen under JRT wave dissipated the most accumulated hysteretic energy. The maximum displacement response of structure and the peak ground acceleration of input seismic wave are not absolutely associated, but other characteristics of seismic wave, such as input energy and characteristic periods of response spectra, also need to be considered.
steel bridge pier; thin-wall ribbed box section; seismic performance; pseudo-dynamic test; rare earthquake; seismic characteristics
2016-02-18;
2016-05-23
國家自然科學基金資助項目(51508104);福州大學科研啟動基金(XRC-1417)
吳慶雄(1973—),男,福建南靖人,福州大學研究員,博士;E-mail: wuqingx@fzu.edu.cn。
10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.1246
TU318.1
A
1001-7445(2016)04-1246-09
引文格式:袁輝輝,唐藝航,吳慶雄,等.罕遇地震下薄壁帶肋箱型鋼橋墩抗震性能試驗[J].廣西大學學報(自然科學版),2016,41(4):1246-1254.