張育智
(西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院,成都 610031)
采用延性方法設(shè)計(jì)橋墩時(shí),通過在橋墩與承臺(tái)或(和)橋墩與主梁的連接部位進(jìn)行塑性鉸設(shè)計(jì),使橋墩在大地震時(shí)在上述位置形成塑性鉸,一方面塑性鉸的出現(xiàn)會(huì)降低結(jié)構(gòu)剛度,延長結(jié)構(gòu)周期,從而可以減小輸入到結(jié)構(gòu)中的地震動(dòng)能量;另一方面塑性鉸的出現(xiàn)將消耗大量已經(jīng)輸入結(jié)構(gòu)的地震動(dòng)能量,減小結(jié)構(gòu)整體的地震動(dòng)響應(yīng)。雖然延性設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)“大震不倒”的性能要求,但由于塑性鉸的形成,使結(jié)構(gòu)發(fā)生了永久性的殘余變形,導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)的損傷,這直接導(dǎo)致震后結(jié)構(gòu)功能的恢復(fù)非常困難。由于經(jīng)濟(jì)和安全原因,大量按照延性方法設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)往往在震后被拆除而非修復(fù),這在造成巨大經(jīng)濟(jì)損失的同時(shí),給人民的震后生活帶來了極大不便。
隨著研究的逐步深入,研究者越來越清晰地意識(shí)到控制結(jié)構(gòu)地震殘余位移的重要性[1-5]。在20世紀(jì)90年代便有研究者提出了震后無損傷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法[6]。該方法的核心思想是將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成具有搖擺自復(fù)位能力的結(jié)構(gòu)。對(duì)于橋墩來說,搖擺自復(fù)位橋墩是指: 將橋墩與承臺(tái)或(和)橋墩與主梁之間連續(xù)的鋼筋斷開,放松橋墩在上述部位受到的轉(zhuǎn)角約束,在發(fā)生大地震時(shí),橋墩能夠在上述部位形成搖擺界面,利用橋墩的搖擺降低對(duì)橋墩抗彎能力的地震需求,使結(jié)構(gòu)在大地震中仍能處于彈性工作狀態(tài),且在地震結(jié)束后,結(jié)構(gòu)能夠自動(dòng)恢復(fù)至初始位置。震后無損傷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的是: 結(jié)構(gòu)的地震內(nèi)力并非隨地震動(dòng)強(qiáng)度的增大而持續(xù)大幅增大,而是將結(jié)構(gòu)的地震內(nèi)力控制在一定范圍內(nèi),這樣就可以最大程度地消除地震動(dòng)不確定性導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損傷的可能性,即使地震動(dòng)強(qiáng)度比設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)所采用的地震動(dòng)強(qiáng)度高,結(jié)構(gòu)仍然不會(huì)在地震過程中發(fā)生損傷。
在地震過程中,根部形成塑性鉸的剪力墻可以視為搖擺結(jié)構(gòu),在對(duì)搖擺剪力墻的研究過程中[7-10],研究者發(fā)現(xiàn)利用非線性時(shí)程計(jì)算得到的根部剪力比按照一階模態(tài)分布的水平地震力作用下計(jì)算出的根部剪力大,前者約為后者的1.4~4倍;且結(jié)構(gòu)將在除根部以外的其他位置形成第2個(gè)塑性鉸,隨著研究的深入,研究者認(rèn)識(shí)到這是由于搖擺自復(fù)位結(jié)構(gòu)的高階效應(yīng)導(dǎo)致的——雖然1階模態(tài)效應(yīng)在結(jié)構(gòu)發(fā)生搖擺后便不會(huì)繼續(xù)增大,但高階模態(tài)效應(yīng)可以在結(jié)構(gòu)根部形成搖擺界面的邊界條件下繼續(xù)增大,這便是搖擺自復(fù)位結(jié)構(gòu)中的高階效應(yīng)。
為了實(shí)現(xiàn)震后無損傷,必須對(duì)搖擺自復(fù)位結(jié)構(gòu)高階效應(yīng)進(jìn)行控制。為此,首先需要判斷各階模態(tài)對(duì)結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的貢獻(xiàn),從而確定需要控制哪些階次的高階效應(yīng)。國內(nèi)對(duì)搖擺自復(fù)位結(jié)構(gòu)的研究起步較晚,對(duì)搖擺自復(fù)位結(jié)構(gòu)高階效應(yīng)的研究尚未見報(bào)道。國外對(duì)搖擺自復(fù)位結(jié)構(gòu)高階效應(yīng)的研究主要針對(duì)鋼框架結(jié)構(gòu)[11],尚未見針對(duì)搖擺自復(fù)位高墩高階效應(yīng)的相關(guān)研究,由于高橋墩的動(dòng)力性能與鋼框架有較大差別,有關(guān)鋼框架的結(jié)果并不能直接用于高橋墩。因此,開展針對(duì)搖擺自復(fù)位高墩高階效應(yīng)的研究非常必要。
Wiebe[12]采用振型參與系數(shù)、各階模態(tài)振型及加速度反應(yīng)譜構(gòu)造了反映各階模態(tài)貢獻(xiàn)的綜合指標(biāo),對(duì)搖擺自復(fù)位框架的高階振型貢獻(xiàn)隨著結(jié)構(gòu)根部抗彎剛度變化的規(guī)律進(jìn)行了研究,但該方法并不適用于對(duì)某一特定搖擺結(jié)構(gòu)整個(gè)搖擺過程中各階模態(tài)振型貢獻(xiàn)的計(jì)算。Hasan等[13]利用模態(tài)分解法對(duì)四層搖擺自復(fù)位框架結(jié)構(gòu)中各階模態(tài)貢獻(xiàn)進(jìn)行了研究,由于概念清晰,便于理解,因此本文采用模態(tài)分解法對(duì)搖擺自復(fù)位高墩的各階模態(tài)貢獻(xiàn)進(jìn)行分析。
模態(tài)分解法的思路是利用在線性系統(tǒng)中成立的模態(tài)分析方法來計(jì)算非線性搖擺自復(fù)位結(jié)構(gòu)的各階模態(tài)動(dòng)力響應(yīng),因此模態(tài)分解法是一種近似方法。
(1) 各階模態(tài)內(nèi)力的計(jì)算。
結(jié)構(gòu)各階模態(tài)引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力,包括剪力和彎矩,可以根據(jù)對(duì)結(jié)構(gòu)非線性時(shí)程計(jì)算得到的等效地震荷載進(jìn)行模態(tài)分解而求得。根據(jù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)[14]模態(tài)分析的相關(guān)知識(shí),首先引入非線性多自由度結(jié)構(gòu)第n階模態(tài)的等效地震靜力{fe,n(t)}
{fe,n(t)}={sn}·αn(t)
(1)
式中:αn(t)為與線性結(jié)構(gòu)中的偽加速度An(t)相對(duì)應(yīng)的非線性系統(tǒng)中第n階模態(tài)的偽加速度; {sn}為第n階模態(tài)等效地震荷載的空間分布向量
{sn}=Γn·[m]{φn}
(2)
式中:Γn為振型參與系數(shù); [m]為結(jié)構(gòu)的質(zhì)量矩陣; {φn}為結(jié)構(gòu)的第n階振型。
假定疊加原理對(duì)搖擺自復(fù)位結(jié)構(gòu)仍然適用,則結(jié)構(gòu)t時(shí)刻總的等效地震靜力{fe(t)}等于t時(shí)刻各階等效地震靜力之和,即
(3)
利用振型的正交性,將式(3)左右兩側(cè)左乘{(lán)φn}T經(jīng)整理得
(4)
式中:Mn為第n階模態(tài)的廣義質(zhì)量。
具體求解方法及步驟:
步驟1根據(jù)非線性時(shí)程計(jì)算的結(jié)構(gòu)剪力結(jié)果可以得到t時(shí)刻結(jié)構(gòu)中各節(jié)點(diǎn)的等效地震靜力{fe(t)},即由相鄰單元根部剪力差組成的列向量;
步驟2由式(4)可以得到第n階模態(tài)的偽加速度αn(t);
步驟3由式(1)計(jì)算第n階模態(tài)的等效地震靜力列向量{fe,n(t)};
步驟4由式(5)可求得t時(shí)刻第n階模態(tài)對(duì)應(yīng)的橋墩根部剪力Qn(t)
(5)
式中:fie,n(t)為t時(shí)刻i節(jié)點(diǎn)的等效地震靜力;m為節(jié)點(diǎn)數(shù);
步驟5由式(6)可得t時(shí)刻第n階模態(tài)對(duì)應(yīng)的橋墩墩底彎矩Mn(t)。
(6)
式中:hi為i節(jié)點(diǎn)到墩底的高度。
(2) 各階模態(tài)位移的計(jì)算。
為計(jì)算各階模態(tài)位移,需要引入與第n階模態(tài)單自由線性系統(tǒng)位移響應(yīng)Dn(t)相對(duì)應(yīng)的第n階模態(tài)單自由度非線性系統(tǒng)等效位移響應(yīng)δn(t)。 則第n階模態(tài)的位移向量{un(t)}可以表示為
{un(t)}=Γn·{φn}·δn(t)
(7)
利用疊加原理,結(jié)構(gòu)總的位移向量可以表達(dá)為
(8)
利用振型的正交性,式(8)左右兩側(cè)左乘{(lán)φn}T, 經(jīng)整理可得第n階模態(tài)單自由度非線性系統(tǒng)的等效位移
(9)
在得到δn(t)之后, 根據(jù)式(7)便可以得到各個(gè)時(shí)刻各階模態(tài)對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)位移。
在由上述模態(tài)分解法求出各階模態(tài)對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)剪力、彎矩及位移之后,為了求解各階模態(tài)對(duì)這些結(jié)構(gòu)響應(yīng)的貢獻(xiàn),必須給出描述各階模態(tài)貢獻(xiàn)的指標(biāo)。以往采用的指標(biāo)主要有3種。
(1) 第n階模態(tài)響應(yīng)絕對(duì)值最大值|rn(t)|max與總響應(yīng)絕對(duì)值最大值|rtot(t)|max之比ID1, 第n階模態(tài)貢獻(xiàn)計(jì)算公式見式(10),各參數(shù)意義見圖1。
(10)
(2) 總響應(yīng)最大值對(duì)應(yīng)時(shí)刻tm第n階模態(tài)響應(yīng)值rn(t)t=tm與總響應(yīng)值rtot(t)t=tm之比ID2, 第n階模態(tài)貢獻(xiàn)計(jì)算公式見式(11), 各參數(shù)意義見圖1。
(11)
(3) 第n階模態(tài)響應(yīng)時(shí)程曲線與時(shí)間軸圍成面積與總響應(yīng)時(shí)程曲線與時(shí)間軸圍成面積之比ID3, 第n階模態(tài)貢獻(xiàn)計(jì)算公式見式(12)。 其中tt是整個(gè)地震動(dòng)持續(xù)時(shí)間。
(12)
上述ID1和ID2都只能反映某個(gè)時(shí)間點(diǎn)各階模態(tài)響應(yīng)與總響應(yīng)之間的比值關(guān)系,極易受到地震動(dòng)隨機(jī)性的影響,不利于較完整和準(zhǔn)確地描述各階模態(tài)對(duì)總響應(yīng)的貢獻(xiàn)。ID3將整個(gè)地震動(dòng)過程作為一個(gè)整體進(jìn)行考慮,未對(duì)結(jié)構(gòu)發(fā)生搖擺與未發(fā)生搖擺進(jìn)行區(qū)分。而搖擺自復(fù)位結(jié)構(gòu)在發(fā)生搖擺之后,其動(dòng)力性能會(huì)發(fā)生變化,從而導(dǎo)致各階模態(tài)對(duì)總響應(yīng)的貢獻(xiàn)發(fā)生一定的變化,因此采用ID3評(píng)價(jià)搖擺自復(fù)位結(jié)構(gòu)各階模態(tài)對(duì)總響應(yīng)的貢獻(xiàn)也存在不足。
圖1 搖擺點(diǎn)豎向位移,總響應(yīng)及第n階模態(tài)響應(yīng)時(shí)程示意圖Fig.1 Sketch of rocking point vertical displacement, total and the n th mode response
由于結(jié)構(gòu)發(fā)生搖擺后其動(dòng)力性能會(huì)發(fā)生變化,且搖擺過程中結(jié)構(gòu)響應(yīng)值通常較大,為了反映搖擺結(jié)構(gòu)的這一特點(diǎn),各階模態(tài)貢獻(xiàn)指標(biāo)應(yīng)能反映結(jié)構(gòu)發(fā)生搖擺時(shí)段內(nèi)各階模態(tài)的貢獻(xiàn)。為此,本文作者提出ID4,即搖擺幅度最大的時(shí)間段內(nèi)(圖1中t1時(shí)段),經(jīng)歸一化的各階模態(tài)響應(yīng)時(shí)程曲線與時(shí)間軸所圍面積與總響應(yīng)時(shí)程曲線與時(shí)間軸所圍面積的比值,見圖1中搖擺點(diǎn)最大豎向位移uv,max對(duì)應(yīng)的陰影面積,第n階模態(tài)貢獻(xiàn)計(jì)算公式見式(13)。
(13)
本文針對(duì)某圓端形鐵路橋搖擺自復(fù)位橋墩[15]進(jìn)行計(jì)算分析。橋墩的幾何尺寸如圖2所示,空心墩身高56 m,實(shí)心墩身及擴(kuò)大基礎(chǔ)均高2 m,橋墩外壁坡度為1∶40,內(nèi)壁坡度為1∶90。橋墩采用C30混凝土,上部結(jié)構(gòu)的質(zhì)量為7 190 kN,以集中質(zhì)量形式施加在墩頂節(jié)點(diǎn),橋墩擴(kuò)大基礎(chǔ)底面,即搖擺界面,傳遞的豎向荷載為36 357 kN。本模型無耗能裝置及后張預(yù)應(yīng)力,依靠重力提供自復(fù)位的恢復(fù)力。采用OpenSEES對(duì)橋墩順橋向的地震動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行非線性時(shí)程分析,橋墩采用彈性梁柱單元進(jìn)行模擬,搖擺模型采用夏修身等[16]提出的兩彈簧模型,兩彈簧間距即為墩底擴(kuò)大基礎(chǔ)順橋向尺寸10 m。彈簧單元?jiǎng)偠热?.1×108kN/m,采用瑞利阻尼,取前2階模態(tài)的阻尼比均為5%。計(jì)算模型的示意圖見圖3。
圖2 橋墩尺寸圖(單位: mm)Fig.2 Pier dimensions (unit: mm)
圖3 有限元模型示意圖Fig.3 Sketch of finite element model
為考慮地震動(dòng)差異性的影響,從FEMA P695遠(yuǎn)場地震動(dòng)系列中選取了7條D類場地的地震波作為輸入,相關(guān)地震動(dòng)記錄的信息見表1。為了考慮地震動(dòng)強(qiáng)度的影響,分別將地震動(dòng)的峰值加速度調(diào)幅至0.2g,0.4g和0.6g。
表1 地震動(dòng)記錄信息Tab.1 Information for ground motion records
由于墩底剪力對(duì)高階效應(yīng)比較敏感,因此以墩底剪力為例,圖4給出峰值加速度調(diào)幅至0.4g的N1地震動(dòng)記錄為輸入時(shí),結(jié)構(gòu)前4階模態(tài)與總響應(yīng)的對(duì)比情況。
根據(jù)圖4并結(jié)合表2給出的指標(biāo)ID3和ID4計(jì)算得到的前4階模態(tài)對(duì)墩底剪力的貢獻(xiàn)百分比可見: 對(duì)于墩底剪力而言,前2階模態(tài)對(duì)總響應(yīng)的貢獻(xiàn)均較大,二者之和占總響應(yīng)的80%以上;第3階模態(tài)對(duì)總響應(yīng)的貢獻(xiàn)仍達(dá)8.8%,而第4階模態(tài)對(duì)墩底剪力的貢獻(xiàn)便顯著減小。
圖4 墩底剪力總響應(yīng)與前4階模態(tài)對(duì)比Fig.4 Comparison of base shear for total and first four modes’ response
表2 前4階模態(tài)對(duì)墩底剪力貢獻(xiàn)比較Tab.2 Contribution comparison of base shear for first four modes%
第2節(jié)中的指標(biāo)ID1和ID2只是對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)最大值出現(xiàn)瞬時(shí)結(jié)構(gòu)特性的反映,并不能充分反映各階模態(tài)對(duì)總響應(yīng)的貢獻(xiàn),在本研究中未采用上述2種指標(biāo)。指標(biāo)ID3是整個(gè)地震動(dòng)作用時(shí)間范圍內(nèi)各階模態(tài)對(duì)總響應(yīng)的貢獻(xiàn)的一種度量方法,但是未對(duì)搖擺自復(fù)位結(jié)構(gòu)搖擺與否加以區(qū)分,不能反映出此類結(jié)構(gòu)獨(dú)有的特征。因?yàn)镮D3和ID4都是歸一化的指標(biāo)便于比較,因此本節(jié)給出前3階模態(tài)2種指標(biāo)計(jì)算結(jié)果的對(duì)比。
5.2.1 墩底剪力計(jì)算結(jié)果
表3給出了不同地震動(dòng)強(qiáng)度條件下2種指標(biāo)計(jì)算的前3階模態(tài)對(duì)墩底剪力貢獻(xiàn)的平均值及變異系數(shù)。
表3 不同模態(tài)對(duì)墩底剪力的貢獻(xiàn)對(duì)比Tab.3 Contribution comparison of base shear for different modes
由表3可得到以下規(guī)律:
(1) 隨著地震動(dòng)強(qiáng)度的增大,第1階模態(tài)對(duì)墩底剪力的貢獻(xiàn)逐漸減小,而第2階和第3階模態(tài)對(duì)墩底剪力的貢獻(xiàn)逐漸增大,當(dāng)?shù)卣饎?dòng)峰值加速度為0.6g時(shí),2種指標(biāo)得到的第2階模態(tài)貢獻(xiàn)分別已達(dá)到第1階模態(tài)貢獻(xiàn)的61%和97%,由此可見,高階模態(tài)對(duì)墩底剪力貢獻(xiàn)顯著,在進(jìn)行搖擺自復(fù)位結(jié)構(gòu)抗剪設(shè)計(jì)時(shí),必須充分考慮高階效應(yīng)的影響。
(2)ID3與ID4的差別隨著地震動(dòng)強(qiáng)度的增大而增大。產(chǎn)生上述差異的原因是ID3和ID4分別是針對(duì)整個(gè)地震動(dòng)時(shí)長和最大搖擺階段的評(píng)價(jià),這種差異實(shí)際上反映出結(jié)構(gòu)發(fā)生搖擺后各階模態(tài)貢獻(xiàn)與未發(fā)生搖擺時(shí)有一定的差異,這是搖擺結(jié)構(gòu)特有的特性。當(dāng)?shù)卣饎?dòng)峰值加速度為0.6g時(shí),對(duì)比ID3與ID4的結(jié)果發(fā)現(xiàn),第2階模態(tài)的貢獻(xiàn)分別達(dá)到第1階模態(tài)貢獻(xiàn)的61%和97%,采用ID3將大大低估第2階模態(tài)的貢獻(xiàn)。由此可見,對(duì)于搖擺自復(fù)位結(jié)構(gòu),ID4比ID3更適合評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)響應(yīng)較大的搖擺階段高階效應(yīng)的貢獻(xiàn)。
(3)ID3的變異系數(shù)比ID4的小。這是因?yàn)殡S著評(píng)價(jià)時(shí)長的縮短,計(jì)算結(jié)果越來越依賴于結(jié)構(gòu)搖擺階段的響應(yīng),而搖擺階段的響應(yīng)受地震動(dòng)隨機(jī)性的影響較大,因而當(dāng)評(píng)價(jià)從整個(gè)地震動(dòng)時(shí)長縮短到最大搖擺階段時(shí),各階模態(tài)貢獻(xiàn)變異系數(shù)就會(huì)增大。這實(shí)際上反映出搖擺階段各階模態(tài)貢獻(xiàn)受地震動(dòng)變異性影響較大,在實(shí)際分析時(shí),應(yīng)該采用多條地震動(dòng)計(jì)算進(jìn)行計(jì)算,并利用計(jì)算結(jié)果的統(tǒng)計(jì)值進(jìn)行評(píng)價(jià)。
5.2.2 墩底彎矩計(jì)算結(jié)果
表4給出了不同地震動(dòng)強(qiáng)度條件下2種指標(biāo)計(jì)算的前3階模態(tài)對(duì)墩底彎矩貢獻(xiàn)的平均值及變異系數(shù)。
由表4可見,與表3反映出的規(guī)律類似,隨著地震動(dòng)強(qiáng)度的增大,第1階模態(tài)對(duì)墩底彎矩的貢獻(xiàn)逐漸減小,第2階和第3階的貢獻(xiàn)有所增加;ID4比ID3更能反映出各階模態(tài)貢獻(xiàn)隨地震動(dòng)強(qiáng)度的變化規(guī)律。對(duì)搖擺自復(fù)位結(jié)構(gòu)而言,高階模態(tài)對(duì)墩底彎矩的貢獻(xiàn)要小于對(duì)墩底剪力的貢獻(xiàn)。
表4 不同模態(tài)對(duì)墩底彎矩的貢獻(xiàn)對(duì)比Tab.4 Comparison of base moment for different modes
5.2.3 墩頂水平位移計(jì)算結(jié)果
表5給出了不同地震動(dòng)強(qiáng)度條件下2種指標(biāo)計(jì)算得到的前3階模態(tài)對(duì)墩頂水平位移貢獻(xiàn)的平均值及變異系數(shù)。
表5 不同模態(tài)對(duì)墩頂位移的貢獻(xiàn)對(duì)比Tab.5 Comparison of pier top displacement for different modes
由表5可見,由于結(jié)構(gòu)發(fā)生搖擺后,墩頂水平位移主要都是由結(jié)構(gòu)繞搖擺點(diǎn)的剛體轉(zhuǎn)動(dòng)(即搖擺自復(fù)位結(jié)構(gòu)搖擺狀態(tài)下的第1階模態(tài))產(chǎn)生的,因此高階模態(tài)對(duì)搖擺自復(fù)位橋墩墩頂水平位移的貢獻(xiàn)很小,即使在地震動(dòng)峰值加速度為0.6g的條件下,第1階模態(tài)的貢獻(xiàn)仍在90%左右。
(1) 應(yīng)該采用能夠反映結(jié)構(gòu)搖擺階段特性的指標(biāo)ID4對(duì)搖擺自復(fù)位結(jié)構(gòu)各階模態(tài)貢獻(xiàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。
(2) 隨著地震動(dòng)強(qiáng)度的加大, 1階模態(tài)的貢獻(xiàn)逐漸減小,而2階、3階等高階模態(tài)的貢獻(xiàn)逐漸增大,在結(jié)構(gòu)發(fā)生搖擺后,高階模態(tài)的貢獻(xiàn)比搖擺前大。
(3) 對(duì)于搖擺自復(fù)位高墩,墩底剪力對(duì)高階效應(yīng)最敏感,在分析時(shí)應(yīng)考慮前3階的影響;墩底彎矩對(duì)高階效應(yīng)較敏感,在分析時(shí)需考慮前2階模態(tài)的影響;墩頂水平位移對(duì)高階效應(yīng)最不敏感,在分析時(shí)可只考慮1階模態(tài)的影響。
(4) 搖擺自復(fù)位結(jié)構(gòu)高階效應(yīng)控制的目標(biāo)是對(duì)第2、第3階模態(tài)的控制,且以第2階模態(tài)的控制為重點(diǎn)。
致謝
本研究是在中央高?;究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金的資助下完成的,在此表示感謝!