冲击效应在简支桥梁占地面运动的空间变异性:一个案例研究

文摘

本研究进行的参量的分析地震响应异步地震地面运动的动静力rc桥,沼泽大桥,位于意大利东北部的地震活动区域。参量的分析已经完成调查的影响地震输入结构相关性水平响应:一系列的非线性时程分析被执行,内容的变化频率在加速度图码头基地已经被考虑功率谱密度(PSD)函数和相干函数(CF)。为了包括由于影响桥梁的主要非线性行为组件,一个3 d有限元模型已经被开发出来,在cap-beams甲板的重击,梁在轴承、摩擦和桥墩的滞回行为已经占了。异步的敏感性分析表明,地面运动极大地影响冲击力量和deck-pier微分位移,和这些影响必须准确地考虑设计和脆弱性评估的长动静力简支桥梁。

1。介绍

地震地面运动通常被认为是一个空间统一的动态输入地震分析;站在这个假设是正确的,结构合理的限制区域,土壤特性的假定是均匀和地震波传播速度可以忽略,但对空间结构变得不站在扩展基础或大坝等大型网站,和long-estending结构如桥梁、高架桥、隧道和管道。在这些情况下应该考虑地震动的空间变异性,以避免总评估错误或至少低估的动态响应,因为这种现象影响响应显著,因此,保护这些结构的水平(Lupoi et al。1])。特别是长动静力简支桥梁、空间变异在输入代理支持(桥墩和桥台基础)应该考虑因为它可以诱发冲击效应和甲板取代。已经观察到在最近的主要地震这种桥梁结构经常经历冲击现象相邻结构部分(邻近的甲板或cap-beams和甲板之间,影响部队转移到码头)的一个组成部分,它可以放大微分运动之间相邻的跨越并确定裂缝或脆性骨折在梁的结局。这些微分放大位移可以诱导拖出放崩溃的跨度超过当轴承的位移能力设备或座位大梁的长度是不够让他们停留在支持在强烈的地面运动。

对于这种类型的桥梁需要相当复杂的数值模型与可接受的近似代表全球结构反应考虑地震激励的inchoerency支持,邻近的结构片段之间影响的现象,工程的非线性行为组件(皮尔斯和甲板)。

在目前的研究中,加速度和位移时间历史的一些规定位置相对应的地面支持的桥梁,生成使用光谱表征方法(2- - - - - -4]。为了生成随机领域,需要三个基本组成部分:(i)功率谱密度(PSD),给出了频率随机过程的内容,(ii)相干函数(CF),给出了地震动的空间变化分析表示在频域中,和(3)形状函数(SF)决定在时间域的非平稳随机过程。一些表达式提出了目标谱密度(即。,Clough-Penzien形式(5[],表情由抗震规范6]),相干函数(7- - - - - -10)对于形状函数(9]。生成的时间历史兼容规定响应谱和强地面运动的时间考虑地震地区,反映了波相干效应的通道和损失。

至于评价影响的冲击,必须说,研究人员最近相当的兴趣;(第一次调查的问题11]研究的冲击现象之间的两个相邻建筑,造型元素碰撞通过影响连接简单的单自由度结构。1992年,同样的问题也检查了(12];在1998年的研究(11)被再次和应用于桥梁结构在13]。进一步的调查是在14)的冲击过程的数值模拟,目的是校准的影响元素相邻结构之间通过比较计算结果与精确解基于波传播理论。近年来更复杂的有限元素模型开发:3 d数值模拟应用于动静力简支桥中描述(15]。

从上述研究有趣的结论可以淹没的改进模型的冲击效应:(1)重击相邻段可以通过影响公平准确地描述元素的特点是刚度和阻尼(占能量耗散);(2)它一直在13)没有必要造型整个结构大桥为了评估中间跨度响应与公平的准确性;它足以研究七个中心横跨因为没有相关数值结果差异模型与无限的跨度和seven-span模型;(3)有限元模型的刚度元素的影响应该校准考虑数量有限元素构成的甲板([14]);(4)巧很重要定义用于集成的时间步的时域避免碰撞相邻段邻近甲板可能像刚体,因为他们与轴向变形影响动态响应。

在目前研究最先进的模型被用来模拟异步作为multisupport地震地面运动激励和描述的冲击效应,如部分所述2。

2。地震响应占地面运动的空间变异性:敏感性分析

2.1。分桥

本研究进行的参量的分析地震响应异步地震地面运动的动静力rc桥,沼泽桥(见图1,2,3和4),位于威尼托地区的特雷维索省。

它代表了一个重要的人行天桥的皮亚韦河河地区道路网。它始建于19世纪中期,它由24个普通跨度24.75米的长度相同,除了桥墩附近的横向跨度,短(尤其是一端有两个跨度的长度18米和17.5米,分别同时在另一端只有过去时间稍微短长度的23.75米)。整体结构是长约579米。

甲板上住宿两车道的总体宽度为9米;甲板结构由四个工字形的预制梁恒定的高度为1.4米,高16厘米的钢筋混凝土板。交通荷载的横向分布是通过3正交rc梁定位在中间,每个跨度的两端。皮尔斯与圆形portal-shaped结构rc列,其高度变化逐渐沿着计划至少大约5到8米,由于甲板边坡纵向方向的约2%,而拱背地基的水平基本保持不变。码头上提高如图深基础3。

码头部分如图4(一):钢筋的两列是由23个纵向块20毫米直径和横向箍筋的10毫米直径(距= 20厘米)。

码头使用的材料可分为如下:(我)混凝土:C25/30年级;(2)钢筋:平滑酒吧、屈服应力特征= 315 MPa。

据国家地震区划地图,分桥坐落在一个区域的特点是PGA = 0.25 g,在土壤介质刚度(B型土壤,根据国家分带地图(16])。

2.2。Multisupported结构的有限元模型

在桥的数值模型元素与线性和非线性行为采取了为了有效地代表全球结构反应:主要梁cap-beams,和横向梁模型与线性梁元素,钢筋混凝土板与板建模元素,而非线性行为一直采用列模拟滞回行为(使用Takeda-model [17),见图5),相邻结构之间的差距元素模拟影响部分,以及纵向梁和cap-beams之间摩擦连接。

pier-element它一直在输入必要的分配一个非线性力-位移法,已通过推倒分析在纵向方向,列有悬臂偏转,桥墩的横向行为是门户框架。集中塑性元素被用于模拟桥墩;派生的力-位移曲线绘制如下(见图7和8)。

梁坐在cap-beams没有任何轴承设备因此上层建筑部分从纵向位移的限制只有摩擦;摩擦轴承的力-位移法是假定为理想刚塑性行为,摩擦系数作为= 0.60(参见图的分析6)。在横向方向上甲板和帽梁之间的刚性约束假定:cap-beam侧方,直接接触横梁和作为剪力键,不允许任何差动位移。

Pier-deck重击是通过非线性建模差距元素反应只有在压缩,在最初的差距关闭对应接缝宽度(2厘米)。

元素刚度的差距已经决心正常化1参数在以下表达式14]: 在哪里甲板横截面,它的弹性模量,跨度,n的数量有限元素的跨度已经分裂,作为在这项研究中。特别是影响元素的阻尼相当于能量耗散并没有被认为是和一个完全弹性碰撞模拟由于能量耗散的影响不显著影响全球结构反应(13]。

作为外部限制,他们被认为是固定在平移和旋转,因为基础的地基上桩和第一个近似土壤结构的相互作用可以忽略。上层建筑领域模型中不考虑(代表一个边界条件)与缺口代替元素如(13]。

桥的有限元模型和相关的非线性动态分析已经进行使用CSI SAP2000释放9软件(18]。模型表示只有7中央桥的跨度(见图9),适当的边界条件,而不是所有的24跨越;这使得大幅减少计算工作由于非线性效应包括在内,不影响结果的数值精度,因为报道(13),中央跨模型的地震反应与一些跨度不少于5是一个很好的近似获得造型完整结构的响应。

2.3。Charactherisation的空间变异性

在目前的研究中,规定的加速度和位移时间记录在几个位置相对应的地面桥支持使用光谱表征方法生成。一个统一的土壤类型。如前所述,为了生成随机领域,需要三个基本组成部分:(i)功率谱密度函数,(2)相干函数,(iii)形状函数。

2.3.1。功率谱密度函数

不同的分析模型对PSD先进一些作者;在这项研究中给出的表达式EC8 [6)已经使用的近似关系与site-dependent反应谱相对应的功率谱提出了代码。表达式推导如下: 在哪里加速度功率谱,阻尼比的值,,,谱加速度的值,速度和位移,然后呢和是反应谱参数。

2.3.2。相干函数

假设地震波场可以完全被一个飞机vawe,它的空间变化可以通过相干函数,量化的表达之间的依赖在频域中PSD的时间历史地面运动发生在两个不同的站和(给出的相对距离)[15]。一般定义如下: 在哪里是圆频率,和表示时间历史的autopower谱密度和和的交叉谱密度函数被认为是对流程。

在一般情况下是复杂的价值;其有界的模量措施之间的线性统计依赖两个时程:代表完美的两个动作之间的相关性,而表示完全缺乏线性相关,这意味着完全不相关的信号。

有几个型号在文学的相干函数;在目前的研究中给出的公式(10采用(见图10),它的一般表达式 其中第一项表示几何不连贯,来自异构土壤介质的散射波,而第二项占地震波的速度和到达的不同时间不同的电台(vawe-passage效应)。参数描述这些现象,分别,在这介质的横波速度,衡量损失的附着率随着距离和频率,是明显的价值水平速度的表面波。这两种不同的电台之间的相对距离和是由跨长度,而是圆频率。这两个参数和通常不同范围(300米/秒,和,相干函数的模量往往是1:两个信号是完全相关(相同的和同相的地面运动)。

2.3.3。形状函数

的形状函数振荡过程是定义在一个一般的指数形式的建议(15];正常化的包络函数的历史,是由参数和开始定义斜坡时间和衰减时间;时间持续时间和历史吗是振幅包络的比率。分析配方如下: 参数的值在这个工作采取如下:。

2.4。代的时间历史集兼容

在这项研究中制定了(6)为目标谱密度函数被用来生成时间历史集兼容的反应谱的代码的土壤介质刚度与PGA = 0, 25克。加速度图,根据前文所述的相干函数,生成槽的实现的alghoritms [2];静止的非平稳一直印象模拟运动的形状函数。为了使用生成的反应谱和相干时间历史兼容multisupport地震输入在车站编号从1到8(见图11),加速时间的历史已经双重整合来获取相应的位移时间历程(15]。

不同的相干模式被选择的参数研究,以代表中间水平之间的相关性和总uncorrelation时间历史:16的组合参数和不同的区间300 - 1200 m / s(见表1五套),并为每个组合生成时间历史的线性阵列8站(对应位置的码头7中央模仿跨越桥)的应用,共80套。

的叠加产生的位移时程模拟报道为例图12;强烈的两个极端情况下相关的地面运动(= 1200米/秒,= 1200 m / s)和弱相关的动作在支持(= 300米/秒,= 300 m / s)提出的8台考虑分析。

2.5。在时域分析

为了确定结构的非线性响应一系列大地震地作用,有必要使用一个有效的和不太耗时时集成算法;在目前的研究模式叠加过程基于load-dependent里兹向量(19)被雇佣而不是直接集成方法在时域减少计算工作和维护一个精确的解决方案。此外,用于集成的时间步的时间一直遵循的限制条件: 在哪里是预期的影响持续时间。因此有可能捕获模型中碰撞的影响相邻段邻近甲板产生的行为不像刚体,但与轴向变形影响动态响应(20.]。影响持续时间计算如下: 在哪里的跨度是甲板受到的冲击效应和波的传播速度是影响连续介质中旅行,定义如下: E代表superstucture的弹性模量和它的密度

计算的值为和相应的本研究采用表中列出2。

应该注意到,事实上上层建筑领域并不直接撞到邻近的甲板上,由于帽梁的存在,但是这个元素被认为是发射信号严格而不影响波传播的影响。

3所示。数值分析的结果

结构的灵敏度分析动态行为由于不同空间不同地面运动集进行了评估地震输入相关对结构响应的影响,在以下方面:(我)差动位移之间的码头和甲板部分;(2)cap-beams和甲板之间的冲击力量;(3)对桥墩的影响:剪切力在基地和最大位移。

响应分析主要集中在中央的有限元模型,为了提供结果的影响边界coditions;正如前面说的,对于每一个前缀水平地面运动相关性(总共16个,每一个由两个参数决定和5)非线性动态分析已经完成,使用兼容的时间历史集。五个结果的平均值被采用。

3.1。差动位移

微分码头和甲板之间的位移图表示13:它可以观察到,在所有情况下计算值相对较小,在5厘米的阈值;的最大位移差(= 4.4厘米),正如所料,极端的例子的最大相干损失(= 300米/秒,= 300 m / s)。

有限的差动位移振幅防止pull-off-and-drop崩溃甲板部分,可以考虑解释说,联合差距跨度结束小(2厘米),不允许在甲板高惯性力量的发展水平;因此不能显著位移放大。这些结果是根据观察报告(20.]。

3.2。打击力量

影响部队帽梁和甲板之间高度的相关性水平地面运动影响的结构性支持:如图(14日)显示,有一个趋势冲击力量,迅速增加的损失相干的地震输入:力F的大小的影响_我,得到了弱相关时间历史(极端的例子的= 300米/秒,= 300 m / s),假定一个值3倍(= 1293 kN)比分析与派生的统一输入,= 428 kN(代表的情况= 1200米/秒,= 1200 m / s)。因此,即使在一致地震激励的情况下不会出现损害帽梁和甲板、弱相关输入时间历史,影响的冲击可能会决定严重损害当地的大桥。

注册的影响遵循类似的趋势(见图14 (b)):数值结果表明,碰撞发生更频繁地随着时间的相关性水平历史投入减少。然而在所有情况下,影响的总数(平均值)执行5非线性动态分析发现相对较小(小于5)。

3.3。对桥墩的影响

至于对桥墩的影响在纵向方向,他们在图表示15剪切力和位移(最大值的顶部码头)获得的函数之间的相关性水平时间的历史。它可以观察到剪切力的最大值= 346 kN获得高度相关的历史,和最低= 274 kN派生使用输入和最弱的相关性(= 300米/秒,= 300 m / s)。同样可以说,有一种普遍的趋势在墩顶位移(见图15 (b)),成为更大的相关性增加,最大值= 3,7厘米计算的输入的相关性最高水平地面运动。

这些影响可以解释时考虑到地面励磁的弱相关或不相关的,甲板部分可以在相反方向的运动由于不同相的振动,和这一事实决定了碰撞,降低码头的顶部位移(因此剪力和弯矩引起的底部码头本身的变形)。地面激发高度相关时,桥跨度的反应阶段,码头上的惯性力是最大化,在顶部的位移结果和剪切力增加。

关于响应在横向方向上,应该注意的是,结构性行为并不明显受到地震输入相关(见图16);可以观察到有一个轻微的倾向于剪切力在码头基地增加相关性较高的水平,但甲板之间的值是弱受影响部分。这是符合的结果19]。

4所示。结论

参量的分析已经完成,目的是调查地震输入的影响相关性水平长动静力梁桥的结构响应。一系列的非线性时程分析已经完成,在桥的非线性行为的主要组件,包括:(i)在cap-beams甲板的重击,(ii)光束在轴承的摩擦,和(3)桥墩的滞回行为。可以得出以下结论:(我)差动位移之间的甲板和几何尺寸影响输入相关水平但仍然在有限的范围内(5厘米)的阈值下的最大价值获得最大相干损失的极端的例子。他们相对较小可以防止甲板取代,可以解释为桥的宽度有限关节;(2)异步地面运动影响极大的冲击力量之间的甲板和几何尺寸,也可以假设值3倍计算的分析与一致的输入(由时程之间的相关程度最高的情况下)。放大冲击效应可能会决定严重损害当地的大桥;(3)至于对桥墩的影响,它可以观察到,在纵向方向上有一个总的趋势为位移和剪切力,提高相关性较高水平的地面运动输入。在横向地震响应不明显受到相关的地面荷载水平的影响。

结果强调地震地面运动的空间变化特性可以显著改变冲击的结构响应尤其是部队和甲板取代,因此这些影响必须考虑设计或长期的漏洞评估动静力简支桥梁。

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