文摘

本文提出了一种新的自适应推覆过程占更高模式为了准确估计的影响桥梁的地震反应。更高的模式的影响被认为是通过引入总有效模态质量的最小值。该方法采用足够数量的模式,以确保定义的总有效模态质量参与容易做的事情的所有增量加载。一种适应性需求曲线也为评估地震需求开发的。演示了该方法的效率和鲁棒性进行参数研究。分析包括18 four-span积分桥梁桥墩的各种高度。采用非弹性响应历史分析作为参考解决方案在这个研究。数值结果表明优秀的准确性评估地震反应的方法。对于大多数桥梁调查在这项研究中,该方法的估计响应之间的差异和非弹性响应历史分析位移小于25%和10%内力。这表明一个非常好的精度相比,可用推覆过程在文献中。 The proposed method is therefore recommended to be applied to the seismic performance evaluation of integral bridges for engineering applications.

1。介绍

在过去的二十年里,越来越关注非线性静态程序(NSPs)桥梁的地震评估和评价。在这些方法中,进行推覆分析来估计结构的非弹性能力以及应对不同级别的地震需求。NSPs有简单的线性静态方法和非线性动态分析的准确性。因此,他们已经成为桥梁的分析标准工具等抗震规范和指导方针EC8-2 [1和加州运输局2]。然而,NSPs最初为建筑开发的原则。它已经被Isaković和Fischinger表示3)之间有重大差异结构体系和建筑和桥梁的地震反应,特别是在响应分析在横向方向上的一座桥。因此,应用程序NSPs应该修改和调整的桥梁。

桥梁抗震性能评估的NSPs一般基于两个经典的推覆过程:能力谱法(CSM) [4)和无弹性需求谱法也称为N2法(5]。两种方法考虑单一模式,保持形状的推覆分析负载分配常数。为了克服这些不足,提出了几种方法,如模态自适应非线性静态过程(MANSP) [6,7)和增量响应谱分析(IRSA) (8]。在这些方法中,更高的模式的影响包括在分析和推覆负载被认为是一个函数的更新的结构模态特征。

为了提高自适应容易做的事情的效率方法桥梁、各种研究已经进行。Isaković和Fischinger3]MANSP和IRSA更高模式的方法和效果进行了调查连续甲板高架桥的抗震评估。MANSP和IRSA表现良好常规的桥梁。然而,这些方法被报道的准确性降低随着桥的不均匀性增加。Casarotti和Pinho9)开发了一个基于过程称为适应能力谱法(ACSM)。这种方法被证明提供令人满意的预测位移和时刻。Pinho et al。10)采用四个容易程序和参数研究14 continuous-span桥梁抗震性能评估。他们得出的结论是,容易做的事情方法的准确性通常是可以接受的。然而,据报道,分散的结果是不规则桥梁的高。因此,找到一种更可靠的方法需要进一步调查。

本文的主要贡献是提出一个精致的多模自适应能力谱方法以提高信息的准确性和可靠性NSPs桥梁抗震性能评估。要做到这一点,两个中已经作了一些改进估算地震能力和需求。首先,识别的能力,包括重要的推覆分析提供更高的模式。这是通过引入一个最小值总有效模态质量。然后包含足够数量的模式来确保定义的总有效模态质量参与容易做的事情的所有增量加载。换句话说,该方法能够将变量的模式分析。第二,一个自适应需求曲线开发了基于连续更新的地震需求。然后派生自适应需求曲线相交的适应能力曲线来确定结构的性能点。最好的作者的知识,使用一种自适应方案的想法的能力和需求曲线的过程中地震评估是小说,尚未提出。制定该方法获得结构的能力曲线类似于ACSM [9]。然而,该方法基本上是一个部队推覆过程而ACSM基于位移的方法。ACSM不同,参与模式的数量不是固定在该方法。此外,一步一步更新能力和需求曲线及其交叉检查在每个增量的检测性能。这提供了一个更直接的过程相比ACSM首先获得容量曲线和地震需求然后应用于迭代过程来确定性能点。

本文组织如下。部分2提出了提出了评估方法以及新的改进实施的过程。评估的准确性和效率提出了程序,参数研究进行的部分3。部分4介绍了数值参数的研究结果,并讨论了该方法的适宜性和充分性。部分5突出了结束语。

2。提出的地震评估方法

该方法中执行以下主要步骤:(1)评估的桥的容量曲线进行多模自适应推覆分析,(2)估计的自适应需求曲线的基础上更新过阻尼的弹性反应谱的地面运动,(3)测定性能点,(4)确定桥梁的位移和内力。这些步骤的详细说明如下。

2.1。适应能力的评估曲线

提出了过程的第一步是进行推覆分析在桥上。基于光纤分布式塑性有限元程序中实现OpenSees [11对桥梁抗震性能评估。执行以下步骤在每个增量的容易装载。

(我)进行特征值分析,发现模式的形状。该方法提供了选项定义的任意值总有效模态质量,参加了推覆分析。例如,如果90%的总质量的共同价值结构的选择,我们的计算机代码将包括足够数量的模式的组装容易负载,这样至少90%的总质量的结构参与分析。由于方法是一个渐进的过程,这个检查重复在每一个载荷增量。因此,参与模式的数量,因此容易负载向量中不断地变化的形状分析。因此,模态特性的变化由于逐渐软化结构的所有成员都被捕获并包含在推覆曲线。

(2)组装增量容易负载向量,,因为 在哪里定义的基底剪力是增量分析,初归一化模态力在哪里th自由度(自由度),合模态力应用于景深基于Square-Root-of-Sum-of-Squares (srs)组合规则,参与模式的数量,景深的模态力吗在模式下获得, 在哪里的质量吗景深,景深的模式形状吗在模式下,的模态参与因子模式,的光谱pseudo-acceleration模式确定更新过阻尼的弹性反应谱的给定的输入运动。确定这个频谱的过程将部分中解释2。2。

(3)执行一个incremental-iterative分析采用牛顿-数值方法(12] 在哪里桥的增量位移矢量和吗的切线刚度是结构包括几何和材料非线性。

(iv)推导出等效单自由度体系的适应能力曲线通过计算等效位移和等效加速度。这些值计算th一步的分析9] 在哪里是重力,是总结构的基底剪力一步,是质量的位移在步骤。注意结构的等效位移和加速度不指一个特定的物理位置的桥梁和更新基于结构的变形形状。

2.2。自适应估计需求曲线

在每一步的过程中,地面运动的响应谱被更新以匹配的当前状态结构。为此,结构的等效阻尼决定在每个加载步damping-ductility关系的武田退化刚度滞回反应(13] 在哪里是桥的粘性阻尼假设5%的临界阻尼,然后呢代表了postyield preyield刚度比和假定为0.05 (14]。的等效延性结构,,被定义为所有横向抗成员的平均延性,剪切力加权的每个成员。原因是相关的整体延性结构延性和刚度贡献的成员侧阻力。桥的等效延性计算 在哪里和位移延性的码头和桥台在步骤。和是码头的剪切力和桥台在一步的分析。这个词的影响占soil-abutment交互解释的部分3.2。

2.3。确定性能点

在每个分析增量,适应能力曲线相比,自适应需求曲线的检测性能点(见图1)。在初始步骤的分析,结构弹性和需求曲线所得弹性反应谱。当第一个结构成员开始产生,结构的等效阻尼开始增加根据(5)和(6)。然后从需求曲线的弹性派生光谱谱。内部收益率价差结构,需求曲线从上一步的光谱谱的新台阶。当检测到一个交点,它保存在一个输出文件作为一个潜在的性能问题。然而,分析继续,因为不止一个交叉的能力和需求曲线可以发现(9]。分析极限状态时停止。被认为发生在极限状态下的结构无法抗拒时容易负载或漂移限制列达到3%15]。

2.4。测定结构的反应

一旦检测到性能点,可以确定结构响应位移和力。流程图的过程示意图总结在图2。评价该方法的效率,在下一节中进行了参数研究。

3所示。描述的参数研究

参数的研究包括180米长的four-span积分桥梁桩基础支持。桥梁设计主要是根据AASHTO LRFD桥梁设计规范(16)和加州运输局抗震设计标准(2本研究的目的)。桥梁结构的细节调查数据中所示3(一)-3(e)。在这项研究中,18个桥梁不同码头的高度。这些桥梁用B在哪里,,标签数据表明左的高度,中间,和正确的码头。每个码头的高度可以6、12或18米将标记为1,2和3,分别。例如,在图的桥梁3(一)用B123。光纤分布式塑性有限元程序中实现OpenSees提出的地震评估方法。最低总有效模态质量被定义为结构的总质量的90%。考虑几何非线性的结构元素。无弹力的潜力被限制为列。非线性温克勒弹簧是用来代表土壤桩的反应和基牙。该方法的准确性是历史评价非弹性反应分析(IRHA)。对于每一个18的桥梁,10强地面运动下的执行分析。这意味着总数180分析该方法进行了评估。

3.1。结构建模

三维(3 d)典型模拟桥的有限元模型如图3(b),上层建筑和子结构的材料是现浇钢筋混凝土。混凝土28 GPa的杨氏模量和抗压强度的35 MPa。混凝土的本构定律所描述的曼德的局限在具体的模型17]。钢钢筋的弹性模量是200 GPa。钢是由Menegotto-Pinto定义模型的应力-应变关系(18]450 MPa的屈服应力。桥的总质量包括上层建筑的质量、盖梁、桥墩的一半。研究桥梁的总重量在50100 - 50800 kN的范围,取决于他们的桥墩的高度。每个元素的质量均匀分布在其结束节点。

桥面是一个多单元的箱形梁如图3(c),甲板由3 d建模梁柱单元完全弹性截面属性的特征。减少50%的弹性抗弯刚度(EI)和减少80%的弹性扭转常数(GJ)被认为是根据加州运输局(建议给2)对多单元的箱形梁部分。上层建筑也造成桥墩整体连接。

桥墩由两个圆形列如图3(c),列的横截面是描绘在图3(d)。刚性结束1.0区位于顶部的列占列的顶部之间的偏移量和结构节点的上层建筑。列是由3 d建模与纤维截面非线性梁柱单元。列之间的联系和桩帽是提供完整的连续性。桩帽是由8钢铁摩擦桩,如图3(e),桩长15米,由3 d建模非线性梁柱单元。土壤地层下整个桥被认为是僵硬无黏性砂的单位重量18 kN / m³和内摩擦角40度。所有的桩躺在基岩。

3.2。土壤结构的相互作用

整体桥梁的分析的一个重要问题是如何模型基之间的相互作用,地基和桩与周围的土壤。这种交互地震响应有很大影响,因此应该小心地包含在桥的结构模型。为了实际土壤结构的相互作用模型,利用非线性弹簧来模拟水平反应造成桩周围的土壤。由于土壤结构相互作用不是本研究的主要范围,土弹簧的特点是所有调查桥梁保持不变。双曲正切曲线推荐的美国石油学会(19()是用于横向力-位移关系曲线)桩周围的土弹簧。这些弹簧被分配在造成码头基础下桩的长度。的在特定深度曲线绘制在图4(一)。soil-abutment交互在横向方向上还包括翼墙的贡献。翼墙的影响由双线性平移春天如图4 (b)。今年春天被分配给桥台顶部的横向方向。这个弹簧的刚度是由一个翼墙的抗剪能力(20.]。初始刚度和postyield刚度在图4 (b)基于弹性计算和最终翼墙的抗剪能力。

3.3。地面运动记录

采用地震激发被定义为一组十自然由于地面运动强烈的和世界各地的大地震。7个记录选择从太平洋地震工程研究中心《强震动数据库(21)和三个记录Kyoshin强震动地震仪网(22]。所选记录级的范围从6.4到7.6,震中距的范围从2到22公里。的特点,总结了地面运动输入表1。由于选定的地震记录涵盖各式各样的地面运动参数。在这项研究中,记录的PGA缩放0.4克为代表的设计地震水平。不同强度级别的影响该方法的准确性是后来调查部分4.4。地面运动是应用于桥梁的横向方向。

3.4。统计分析

参数研究的结果提出了各种反应参数,其中,甲板位移,位移码头基地,这里柱基的时刻了。为了评估该方法的准确性、响应参数归一化的反应IRHA为每个输入地面运动。这提供了一个很好的措施以来评价该方法的所有数量都是标准化的。

由于随机地震的本质,任何结构的地震响应可以被视为一个随机变量。这个响应是一个函数的输入地面运动以及景深的计算。为了正确地描述结构的响应,每个响应参数的行为必须就读于不同的自由度受到各种地面运动。换句话说,输入地面运动和景深应该统计建模。因此,任意响应参数,说,可以被视为一个随机变量。通过,我们的意思是响应参数在景深服从地面运动。评估我们的方法的准确性,相比计算非线性静态程序然后IRHA的结果作为参考的解决方案。这是在数学上表示为 标规划和IRHA表示该非线性静态过程和非弹性响应历史分析,分别。注意,我们已经选择了相对差异, 我们提议的可能性度量方法的参考解决方案。如果该方法估计IRHA地震反应完全,等于零。随机变量的均值获得的是 在哪里自由度的总数在响应参数计算和哪一个是输入的数量地面运动应用到桥。的标准偏差显示响应的色散IRHA相比该方法预测的结果。这是写成

的必要条件接受该方法的准确性是相对的均值差异应该接近于零。这个条件可以确保该过程可能是能够正确预测IRHA获得的结果。的充分条件,另一方面,是满意的标准偏差的相对差异是足够小。这个条件保证了该方法估计的结果总是接近IRHA结果。因此,该方法被认为是准确的,当且仅当两个相对偏差的平均值和标准偏差都足够小。

基于计算标准差,信心是有用的考虑范围的相对偏差的测量精度。95%置信概率是一种常见的价值和可靠性分析的结构,因此接受了在这个研究。正态分布随机变量的95%置信区间是来自来在哪里和表示的期望值和标准差,分别。如果色散的相对差异是低,95%置信范围小和响应的估计参数被认为是准确的。相对正常的差异可以验证了非参数Kolmogorov-Smirnov(钴)测试23]。这个测试是由广泛使用的统计软件SPSS。所有相对差异响应参数的研究已经成功地通过了钴测试,从而验证了遵循正态分布。数值结果表明,在下一节中给出的参数研究。

4所示。讨论了数值结果

十八桥梁考虑本研究可以作为规则和不规则的几何分类定义的基础上提出的指数规律Calvi et al。24]。根据阿克巴里的全面研究和Maalek [25)规律的桥梁,桥梁B111 B121, B131, B222, B232, B323, B333这项研究被认为是普通的,和其他11个桥梁是不规则的。的影响规律对该方法的反应将调查部分4.2。该方法的准确性是评价的非弹性响应历史分析有2%瑞利阻尼分配给最高的两种模式有效模态质量。

4.1。统计分析的结果

统计分析的结果部分3.4提出了在这里。均值的95%置信区间相对差异介绍了数字5,6,7甲板上的位移、码头基础位移和柱基时刻,分别。相对标准偏差的差异()如图8。结果每个响应参数详细讨论如下。

甲板上的选择自由度位移响应位于每15米沿着桥的长度。这意味着总共11自由度响应参数。考虑到10输入地面运动的表1总数110实现提供的相对差异。钴的测试表明,此示例遵循正态分布的很好。的意思是,范围从−8% + 5%,表明该方法有必要条件准确地估计上层结构的位移。有95%的信心,相对的区别如图12桥梁5还不到25%。这意味着三分之二的调查桥梁、自信地该方法估计不到25%的甲板位移差IRHA相比的结果。响应的标准偏差通过该方法从8%到17%不等。据Pinho et al。10],甲板位移标准差为40%在不同的推覆过程。因此,该方法满足充分条件甲板位移精度估算。它可以得出结论,该方法估计甲板位移响应与令人满意的精度。

选择的自由度为响应每个码头的基础在横向位移和绕纵轴旋转的桥。因此,选择6自由度为每个桥。考虑到10输入地面运动,总数60实现都包含在示例。钴测试的结果表明,随机变量遵循正态分布。的意思是,从−4% + 2%不等,这表明优秀的充分性必要条件。我们可以看到在图8,标准偏差范围从2%到9%。结果显示Pinho et al。10),标准差是满足足够低充分条件的准确性。然后得出结论,该方法极好地估计墩基础的位移响应。

列基地的时刻,6自由度对应六列的桥。采用10地面运动的表1总数的60个样本中得到实现。的意思是,范围从−2% + 3%,表明该方法提供了必要条件极好地。我们可以看到在图7自信地,该方法预测柱基时刻所有18桥梁IRHA结果相比差异不到15%。的最大相对标准偏差的区别是7%(见图8)。这表明该方法的准确性。Pinho et al。10]报道的标准差列剪切力(因此基地的时刻)高达20%。因此,标准差方法获得的满足充分条件估计的准确性列时刻响应。因此,可以得出结论,该方法估计柱基时刻响应与理想的精度。

4.2。桥规律对结果的影响

桥的总体效应规律对该方法的反应调查评估随机变量的标准偏差如表所示2。七个普通的平均标准偏差和十一个不规则桥梁计算和比较,选择响应参数。可以看出该方法在估算的准确性三个响应参数是更可靠的常规桥梁。然而,这种差异很小,忽略桥规律性的影响提出了程序的准确性。

4.3。案例研究结果

为了突出该方法的特点,这里解释了一个案例研究。维护的一般性讨论,桥B123被认为是由于其码头有不同的高度和对称不影响其地震响应。北岭记录(PGA扩展到0.4 g)也选择表的记录中1。图9显示了容易负载的变化模式作用在桥面上。一开始装货,列是弹性和横向刚度是相当大的。因此,桥面可以被视为一种动静力连续梁在横向方向。容易负荷的强度高于中间的桥桥墩附近的区域(见图中虚线9)。随着荷载的增加,列开始产生及其刚度降低。因此,见图9(一个),容易负荷的强度变化的中间桥梁,其目的更多的刚度是由牙。随着荷载的持续和更多的非弹性变形介绍了列,更多的负载变化对基牙桥的中间,如图9 (b)。渐渐地,桥墩的刚度降低,附近的一些地区的负荷重新分配牙桥的中间,可以看到在图9 (c)。结构趋于极限状态,列经验广泛的非弹性变形和刚度变得非常小。因此,桥面像一个单拱桥束由两个牙。在这一点上,只有第一个参与分析和模式,因此,容易做的事情载荷分布类似于抛物线形状,如图9 (d)。

表3显示了B123的模态特性。观察到三种模式有参与分析。随着列开始产生连续,第一个模式逐渐倾向于控制桥梁的振动。第二个模式的影响可以忽略不计,而第三个模式的模态质量比约20%显著参与桥梁的振动。三种模式的振动周期产量增加的列。增加不显著更高的模式相比,第一个模式。该方法已经能够提供准确的定量测量桥梁的模态特性。

4.4。地震烈度对结果的影响

调查地震烈度的影响在该方法的准确性,应该选择一个适当的强度测量。在这项研究中,选择PGA作为强度的措施,因为它已被确认为适用于桥梁抗震性能评估(26]。这里,塔巴记录被选中的PGA和缩放的典型值的范围从0.2克到1.2 g。然后记录被应用于一个规则桥(B222)和一个不规则的桥(B123)。图10显示了不同地震烈度甲板位移模式。可以看出,该方法的结果几乎相同的IRHA结果。只有1.2 g的PGA,该方法低估了位移的两个中间跨越,而两端的位移跨度仍然正确估计。图11显示了不同强度级别柱基的时刻。该方法能够估计的时刻非常接近IRHA结果在所有强度水平。因此,可以得出结论,地面运动的强度没有显著影响该方法的准确性和鲁棒性。此外,桥梁的变形形状和柱基时刻都很好地捕获规则和不规则的桥梁。因此,这座桥规律并不影响提出过程在不同强度的性能水平。

5。结论

一种有效的非线性静态程序整体桥梁的地震评估提出了。该方法基本上是一个多模自适应能力谱法与改进的评估能力和需求曲线。该方法采用incremental-iterative分析和更新能力和在每一个载荷增量需求曲线。性能点被定义为两个自适应的交叉曲线。然后确定位移和内力。

参数研究进行了评价该方法的准确性和适用性。非弹性响应历史分析也被选为参考的解决方案。参数研究的数值结果表明,该方法估计模拟桥梁的位移和力响应接近结果的参考解决方案。大部分桥梁调查在这项研究中,这种差异小于25%的位移预测。列的时刻的结果更准确的平均差异小于10%。除此之外,这样的结果很低的色散位移的最大标准差为17%和7%,列的时刻。这些值被认为是完全可以接受的值相比,文献中报道。

数值结果还表明,桥的规律可以忽略的影响提出了程序的准确性。该方法能够预测位移和力的反应规则和不规则的桥梁与准确性。此外,地面运动的强度并不影响该方法的精度估算的强迫响应桥。观察到,然而,该方法的位移响应之间的差异和参比溶液略增加随着地面运动的强度增加。然而,这一增长没有影响整体精度和该方法执行令人满意地对大多数强度水平。

这是最后强调,该过程也可以用于其他类型的桥梁与小的调整。此外,这种方法提供了一个健壮的工具发展脆弱性曲线和评估桥梁的抗震性能。