地震的脆弱性评估一个孤立Multipylon斜拉桥使用摇表测试

文摘

近几十年来,斜拉桥已经在世界各地被广泛建造由于美学和高效和快速的建设模式。大量研究得出斜拉桥地震很敏感,因为他们拥有低阻尼特性和高灵活性。此外,斜拉桥需要保证可操作性尤其是在严重地震。实施抗震规范规定允许获得足够的斜拉桥的抗震性能组件;然而,他们还没有提供明确的可靠的规则来保护这座桥。到目前为止,很少有实验测试进行了斜拉桥的地震脆弱性分析是基于绩效的基础分析。本文旨在提出一个方法来推导multipylon斜拉桥的地震脆弱性曲线通过摇表测试。朝着这个目标,22.5米的1/20规模的三维模型斜拉桥在中国建造和测试动态利用振动台同济大学的设施。三塔斜拉桥包含和码头一侧。振动台模型试验所取得的结果综合进行斜拉桥已经利用推导脆弱性曲线基于一种系统性的方法。

1。介绍

近几十年来,斜拉桥受欢迎不仅在中国而且在世界各地由于美学,充分和有效的利用结构材料,在悬索桥刚度增加,高效、快速的建设模式(1]。现在,超过400的斜拉桥在中国已经建立。其中的一些桥梁位于高地震区域根据当前地震威胁的中国地图。从结构动力学的角度,斜拉桥表现出灵活、低阻尼行为的垂直,横向和扭转运动强烈耦合,提出了许多担忧他们的行为在环境动态负载下如风力和地震(2]。如果斜拉桥在地震中倒塌,它会造成巨大的生命和财产的损失。

由于其复杂的行为在地震波下,许多以前作品的动态行为进行了探讨斜拉桥考虑自由振动问题或强迫振动问题由于地震波(3- - - - - -5]。许多数值方法(即。,the time domain analysis or frequency domain spectral method) have been proposed to assess both linear and nonlinear seismic responses of cable-stayed bridges under uniform or multisupport ground motions [6- - - - - -8]。此外,许多作品关注地震控制策略和脆弱性分析斜拉桥(9- - - - - -11]。对斜拉桥的振动台试验,很少有研究提出研究斜拉桥的抗震性能。李等人。12)进行了振动台研究泰州长江公路大桥的抗震结构系统模型。王等人。13)调查了medium-span斜拉桥模型的横向抗震性能有两个具体的塔。宗庆后et al。14)使用1/100比例模型来研究动静力斜拉桥的地震响应multisupport荷载下比例模型。

最近,现代地震工程都集中在绩效评估的新设计结构或现有的建筑和桥梁。地震脆弱,它定义了损伤概率的函数地震烈度的措施,是基于绩效的一个重要组成部分工程框架(15]。脆弱的三个主要方法是用于开发功能:()实证研究法16];()专家意见;和()分析方法17]。数值方法是主要的方法进行结构的地震脆弱性分析。对斜拉桥的地震脆弱性分析,提出了一些研究最近斜拉桥的地震易损性评估。Casciati et al。9)评估基准斜拉桥的地震可靠性与被动滞后设备使用脆弱性曲线。Barnawi和堤坝10)开发的基准的脆弱性曲线斜拉桥配备三个响应修改系统,即活跃、半活性和被动的设备。彭日成et al。11)生成一个短的脆弱性曲线斜拉桥使用均匀设计方法考虑不同来源的不确定性。吴et al。(2016)提出了一个用户友好的和有效的框架建立的系统脆弱性功能medium-span混凝土斜拉桥基于连续系统的假设。钟et al。(2016)提出了详细的程序生成的组件和系统地震脆弱性曲线的大跨度斜拉桥在中国,包括选择最优强度极限状态的衡量和定义塔部分。然而,所有这些以前的研究采用数值方法以外的其他实验方法发展脆弱性曲线。以前的论文中采用的斜拉桥two-pylon斜拉桥,不是multipylon斜拉桥,这是一个相当新的结构,其抗震性能还没有完全理解。此外,没有研究已经开始分析multipylon斜拉桥的抗震性能使用摇表测试到目前为止。

上述动机的基础上,本文说明了摇表测试的初步结果进行规模1/20 multipylon典型斜拉桥配备隔离轴承在中国。结果从先前的研究主要是基于数值模型以外的摇表测试。摘要,脆弱性曲线不同的组件使用的数据生成振动台测试。本研究旨在调查multipylon斜拉桥的抗震性能,如电缆、分离轴承、桥塔、码头通过振动台试验。一个实际斜拉桥在中国南昌城市被选中作为一个代表性的案例研究实验评估。极限状态定义和确定为每个组件和整个系统。各种组件的历史记录时间是用于开发地震脆弱性曲线。

2。测试设置

的振动台测试multipylon斜拉桥进行地震模拟器系统可用在地震工程实验室同济大学桥梁工程系的中国。系统包括四个6米×4米矩形摇表。每个表的特点是三个自由度(纵向、横向和偏航)。每个表的最大有效载荷700 KN频率介于0.1和50 Hz,加速度峰值等于1.5克,速度峰值等于1米/秒,总位移等于500毫米。所有四个摇表是利用目前的实验。

2.1。扩展方法

比例模型的three-pylon斜拉桥设计(图1模拟的目的),这种类型的桥梁的抗震性能和生成脆弱性曲线根据预定义的限制。桥模型是一个真正的six-pylon 1/20-scale几何模型斜拉桥在南昌城市,中国,基于对称的方法。基于量纲分析计算比例因子。表1显示了比例因子和相应的维度和方程的物理量摇表测试。从表可以看出1这三个参数以粗体是关键物理量,即长度比例因子(),弹性模量比例因子()和加速度比例因子()。一旦三个关键物理量(长度、时间和力量)确定,剩下的数量可以通过列方程计算。选择这三个量的原因是,它是简单和方便的控制它们在早期设计阶段的测试。

设计考虑的限制大小1/20测试环境,制造成本和建筑的模型组件。质量比例因子, ,影响了重量和桥梁模型的动态特性,是由三个关键控制数量。在原型桥,梁的质量是相当大,因为梁预应力钢筋混凝土梁与波纹钢网。如果和都设计为1,模型将太大的质量是可以接受的,不会有足够的空间来把附加质量模型。得到一个合理的桥梁模型的质量,预计将减少。考虑到确定,这个目标可以通过减少或扩大 。根据王et al。(2016),可以设计成小如0.3使用microconcrete材料,然而,模型质量仍然太大。因此,为了进一步减少模型的质量,固定为2。

2.2。桥模型的细节

原型桥是南昌朝阳桥(王et al . 2015年)位于江西省,中国。这是一个对称six-pylon extra-dosed斜拉桥的桥塔是固定梁和主梁与桥墩的轴承。的钢筋混凝土梁总长度918米。人字形的钢筋混凝土桥塔设计模式在纵向方向的高度45米,九套双电缆平面两侧参与加强梁。钢筋混凝土桥墩的平均身高是23米。运用抗震Cable-sliding摩擦轴承隔离系统原来的建筑设计。

桥与许多规模规模组件是根据上面的扩展方法。图2显示了模型组件的详细尺寸。反对称边界条件模拟,一个特殊的边界设备设计北边的甲板和制造如图3(一个)允许纵向位移,而其余的甲板是支持的所谓cable-sliding摩擦轴承(18)在图2 (b)在四个钢筋混凝土(RC)码头。为了简化甲板的横截面,它被设计成流线型,平坦,薄壁钢框如图3 (c)。保持电缆模型的纤维芯钢丝绳索。电缆的约束是模拟使用锚孔塔和甲板在图3 (d)。鉴于塔和梁是固定的,钢用于制造三塔便于施工,也显示在图3 (d)。使用钢筋混凝土桥墩的构造与几个盒子用于装备附加质量图3 (e)。在这座桥的模型中,连接桥模型增加更多的群众的物质密度的结构和生成现实的惯性力,分布式沿着甲板,塔,和皮尔斯,列在表2。塔的附加质量,皮尔斯和侧梁的跨桥的模型都集中在几个盒子,如图3 (f)。

microconcrete被用来代替原型材料四个码头,需要设计成0.3原型的材料。在振动台测试之前,材料9 microconcrete块进行测试,测试弹性模量的平均值是11.3绩点弹性模量。三塔,相同的钢作为原型,波动在采用比例因子(0.3)的原型材料的弹性模量。实际的产量和极限强度的钢筋作为纵向增援400和525 MPa,分别。的镀锌电线作为钢筋箍筋是330和415 MPa,分别。

2.3。输入和测试协议

探讨multipylon斜拉桥的抗震性能,一套四个地面运动记录和四个人工地面运动被用作输入为纵向摇动均匀(图4)。四个地面运动记录选择基于以下标准:(a)之间的大小是5.5和8和(b) Vs30范围从250 - 500 m / s代表中国指南土壤二类桥(19]。记录的地震地面运动是1940年的帝王谷(站小城数组# 9),1999年集集地震(站TCU052), 1980年庞大的湖泊地震(90年站定罪Creek),和1986年Chalfant谷地震(站本顿270)。应该注意,因为地面运动的扩展方法是用于振动台测试、兼容性与目标光谱(19对地面运动记录)是没有完成。人工地面运动包括两个南昌波和两个埃塔波。南昌波浪使用提供的设计目标谱和生成桥址地震评估报告(“地震安全性评价报告南昌朝阳大桥施工现场,“地震减灾工程研究江西省研究所未出版的报告,2012年)。这两个埃塔波也生成基于提出的设计目标频谱使用算法Hariri-Ardebili et al。20.]。图5显示了8地面运动被认为是这个研究的光谱。

每个地面运动波模型应用于桥梁使用扩展方法在纵向方向。每一波的PGA变化从0.05到0.8 g。每个加速度图的应用程序之前,白噪声波被用来监测桥梁模型的动态特性的变化。6例不同PGA,即0.05克,0.1克,0.2克,0.4克,0.6 g和0.8 g,每个波被认为是。

记录要求的码头,桥塔、轴承和梁在215年测量传感器收集数据从桥模型的采样频率256赫兹在图中使用NI数据采集系统6。甲板的位移和加速度,塔,皮尔斯被37位移测量传感器和48个加速度计,分别。纵向和横向钢筋的菌株在塔的关键部分,皮尔斯被128应变仪测量。关键部分的底部部分桥墩和塔塔横梁部分略高于低。

2.4。损伤的定义

在地震脆弱性分析,各种组件的损伤状态非常重要,由于脆弱的原因,功能与组件相关联的能力。因此,破坏计划定义在这项研究中,视觉损伤检查振动台测试可以用一种损伤状态有关。例如,小裂纹混凝土底部的码头,这是观察到的测试,可以与轻微损坏,皮尔斯的状态。为了防止振动台设备损坏的桥的倒塌模式,只有两种损伤状态的组件被认为是和定义,也就是说,损伤状态1 (DS1)和损伤状态2 (DS2)。DS1意味着每个组件的初始或轻微损伤比较原来的条件。DS2意味着组件的中度破坏可能导致重大变化对整个桥梁的动态特性。组件的损伤在这座桥是通常定义基于地震需求或视觉损害,如混凝土裂缝或组件的残余位移,可以看到每个测试后检验。检查视觉损害在桥的每个组件可以与一个特定的损害状态表中定义3。应该注意的是,每个测试后,如果桥残余位移或小裂纹,这座桥应该搬迁或修复到原来的状态。

在表3、破碎的锚电报被定义为中度破坏(DS2)。那点轻微的损坏的电缆可以称为收益率的电缆。然而,由于有限的传感器,电缆部队没有在测试测量。因此,电缆损伤在DS1的定义。桥塔的伤害被定义基于最高桥塔的漂移率。在斜拉桥的设计实践,能力塔漂移率通常在3% - -5%。在这项研究中,斜拉桥考虑桥塔的高度是相对较短。因此,0.3%和1.5%的人认为DS1和DS2,分别。桥墩,皮尔斯的DS1损害是由小裂缝混凝土的定义。加速码头用于DS2顶部。 The value was calculated through the yield shear force (11,920 kN) of the original base section of the pier. The damage of deck and bearing damage were defined only for DS2. This is because both of them are the accessory components. The damage of accessory components may not lead to significant effect of globe system, which means that it can be replaced or relocated after the earthquakes. In this study, the cable-sliding friction aseismic bearings with 1 cm free distance were used as isolation bearing. After 1 cm sliding distance, the cable in the bearing could begin to restrict the displacement of deck. Thus, the peak displacement 1 cm was used as the value of DS2. The uplift of top slab was also observed in the test, so it was also used as the criterion of bearing damage at DS2. Moreover, the residual displacement was used to define the damage of the deck. The value was assumed to be 0.7 cm considering its influence on the relocation after the tests.

3所示。结果与讨论

3.1。动态识别

相对应的阻尼比的基频摇表测试是确定使用白噪声激励的结果。阻尼比是半功率带宽法获得的。桥模型使用本文阻尼比为2.45%。和白噪声扫频测试是为了执行动态识别multipylon斜拉桥的动态特性。传递函数采用评估不同组件的固有频率。传递曲线法、加速度时程记录在甲板上被用来评估桥梁的固有频率。振动周期等于0.21 s。

3.2。测试结果

地震震动执行根据节中描述的测试程序2。2。因为桥的比例模型是在四个不同的摇表,这四个摇表需要同时在振动台试验。因此,在每个测试之后,震动加速度的兼容性四摇表检查和确认。图7显示了兼容性验证四摇表进行震动测试时使用人工地面运动与PGA 0.4 g (ag1)。

摇表测试,时程响应四个组件的动静力斜拉桥纵向方向的,也就是说,码头加速度,最高桥塔位移,支座位移,和梁的残余位移,记录。在测试期间,视频记录以证实“视觉”损伤检测的结果。图8提供了四个组件的时程响应(码头、桥塔、轴承和梁)在EI-Centro波(0.8 g)。从图可以看出8不同的桥组件有不同的最大地震响应。从图也很明显8轴承位移和梁位移也有类似的时间获得最大的反应。如果有一个大型轴承位移响应,瞬间增加码头前加速和桥塔位移发生。EI-Centro波(0.8 g),短暂的增加发生在4 s。

记录了最大程度上的四个组件的要求,即码头加速度,最高桥塔位移,轴承位移和梁的残余位移,会重新排序。图9显示的最大响应四个组件。在图9码头放大,被定义为码头峰值加速度之间的比例和振动台加速度峰值策划与振动台加速度峰值。塔漂移被定义为最高桥塔位移之间的比例和桥塔高度的甲板上。从图9(一个),因此可以看到码头放大是介于1和3之间的低强度震动,也就是说,振动台加速度峰值小于0.3克。随着振动台输入强度的增加,码头放大的一般趋势增加。从数据9 (b)和9 (c),可以看出塔漂移和轴承人工地面运动的位移大于那些as-reordered地面运动,除了装腔作势的由于高震级的集集地震地面运动。事实上,码头放大,装腔作势的值比其他地震地面运动更大。从图9 (d)可以看出,残余位移的甲板不同的地面运动是不同的。一般的趋势,在低强度震动,甲板上的残余位移相对较小的位移比较moderate-to-high震动强度。

3.3。脆弱性曲线生成

地面运动中使用的部分2。2是单向的。因此,它被认为在当前研究的同时影响两个正交运动是被忽视的。为了选择的电子数据处理(如相关联。,码头加速度,最高桥塔位移、支座位移和梁的残余位移)损伤定义的两个州,振动台测试的结果在8地面运动使用IDA方法相结合,以生成电子数据处理和PGA之间的回归分析。表4显示了回归分析的结果。应该注意的是,损坏的电缆部队省略由于电缆没有损坏现象的原因在振动台试验。

根据表中的数据4,脆弱性曲线评估基于程序。脆弱的参数计算如下: 在哪里地面运动的数量,是四个组件的EDP的给定的损伤状态发生在测试模型,然后呢= 0.25,考虑到产能变化当测试样本的数量小于5。脆弱性曲线符合实验数据显然是证明对的较大的色散图10。后者也考虑了对数标准差 。

本文考虑地面运动的随机性是生成组件的脆弱性曲线的动静力斜拉桥。首先,实证检验观测概率估计的振动台试验。然后,安装开发基于脆弱性曲线拟合优度检验Lilliefors [21置信水平为5%。图10显示生成的结果脆弱性曲线的四个组件。如图8,安装脆弱性曲线与经验概率比较好。

4所示。结论

本文中给出的研究是出于需要调查动静力斜拉桥的抗震性能。摇表测试的初步结果1/20比例模型上装有典型的分离轴承进行了讨论。选择一个真正的动静力斜拉桥作为实验代表布局抗震性能评估。一套8地面运动是使用六种不同的PGA水平地震输入。共有48个震动整个测试期间执行活动。测试后,以下是总结说:(1)码头放大是介于1和3之间的低强度震动,也就是说,振动台加速度峰值小于0.3克。随着振动台输入强度的增加,码头放大的一般趋势增加。(2)一般来说,塔漂移和轴承位移的人工地面运动比那些as-reordered地面运动,除了装腔作势的地面运动。在低强度震动,甲板上的残余位移相对较小的位移比较moderate-to-high震动强度。(3)摘要经验概率估计检验观测在振动台试验。安装脆弱性曲线拟合优度检验开发基于Lilliefors置信水平为5%,与经验概率相比。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究是基础研究基金支持的中央大学、中国地质大学(武汉)在批准号G1323521673,中国博士后科学基金会资助下不。2016 m592407,中国的自然科学基金批准号51708527。

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