李宇,董世杰,喬云強(qiáng),賴亞平,薛曉鋒
(1.長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院,陜西西安 710064;2.林同棪國(guó)際工程咨詢(中國(guó))有限公司,重慶 401121)
抗震設(shè)計(jì)的能力譜法是一種計(jì)算結(jié)構(gòu)彈塑性地震響應(yīng)的近似方法,其計(jì)算精度雖然低于非線性時(shí)程分析法,但它的計(jì)算過(guò)程比較簡(jiǎn)潔、計(jì)算速率也較高,便于工程人員快速估算結(jié)構(gòu)抗震性能.
能力譜法最初是由Freeman[1]建議的,并為各國(guó)規(guī)范所采用[2].目前,已有許多學(xué)者對(duì)該法進(jìn)行了改進(jìn),例如:Chopra 等[3]建議了改進(jìn)的能力譜方法,并提出了多模態(tài)推覆分析方法;曹一山等[4]提出了適用于橋梁結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化能力譜法;王克海等[5]提出了基于模態(tài)分析的Pushover 方法;Ahmad 等[6]、陳偉宏等[7]、季春芳等[8]、李延和等[9]都將能力譜法應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能評(píng)估中;李宇等[10-11]將高階振型的影響引入能力譜法中,并應(yīng)用于鐵路高橋墩的抗震性能評(píng)估中;FEMA440[2]則給出考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用(SSI效應(yīng))的等效線性化方法,可用于中遠(yuǎn)場(chǎng)地震下的橋梁抗震設(shè)計(jì).
雖然上述學(xué)者[1-11]對(duì)能力譜法進(jìn)行了大量的研究,但是還沒(méi)有文獻(xiàn)研究在近斷層地震作用下的能力譜法.由于近斷層地震可以使建筑物直接承受高能量的沖擊,其脈沖性運(yùn)動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生更為嚴(yán)重的震害[12-14],因此,有必要研究近斷層地震作用下的能力譜法.另外,F(xiàn)EMA440[2]所建議的能力譜法雖然能夠考慮SSI效應(yīng)的影響,但它所采用的需求譜是依據(jù)國(guó)外規(guī)范,因此,不能直接應(yīng)用于我國(guó)橋梁的抗震設(shè)計(jì)中.
綜上所述,本文選取了215 條近斷層地震動(dòng)記錄,計(jì)算了適用于我國(guó)橋梁抗震設(shè)計(jì)的近斷層地震彈塑性加速度和位移反應(yīng)譜,進(jìn)而得到了考慮近斷層地震影響的需求譜,并將其與FEMA440 建議的考慮SSI效應(yīng)的能力譜法相結(jié)合,完善了近斷層地震下梁式橋考慮SSI效應(yīng)的能力譜法.
在FEMA440中,SSI效應(yīng)包括[2]:基礎(chǔ)柔性效應(yīng)、運(yùn)動(dòng)學(xué)效應(yīng)和地基阻尼效應(yīng).基礎(chǔ)柔性效應(yīng)可以在建立結(jié)構(gòu)的有限元模型時(shí),采用模擬基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)動(dòng)和平動(dòng)剛度的彈簧單元來(lái)考慮.運(yùn)動(dòng)學(xué)效應(yīng)和地基阻尼效應(yīng)的確定方法闡述如下.
式中:T為周期,s;e為基礎(chǔ)埋深,m;vs為場(chǎng)地剪切波速,m/s;n為剪切波速的折減系數(shù),見(jiàn)表1.
表1 剪切波速的折減系數(shù)Tab.1 Reduction factors of shear wave velocity
定義RRS=RRSbsa×RRSe,并分別將彈塑性加速度和位移反應(yīng)譜的譜值乘RRS,以此來(lái)考慮運(yùn)動(dòng)學(xué)效應(yīng)對(duì)需求譜的影響.
分別建立結(jié)構(gòu)的固結(jié)和柔性基礎(chǔ)的模型,并計(jì)算得它們的基階周期分別為T(mén)和T′,s
計(jì)算固結(jié)基礎(chǔ)模型的等效單自由度(SDOF)體系的剛度:
式中:M為固結(jié)基礎(chǔ)模型的總質(zhì)量(kg);α1為基階振型的質(zhì)量參與系數(shù).
計(jì)算基礎(chǔ)的平動(dòng)剛度Kx:
式中:λ和G分別為土的泊松比和等效剪切模量(Pa);rx為等效半徑,m;Af為基礎(chǔ)面積,m2。
計(jì)算基礎(chǔ)的等效轉(zhuǎn)動(dòng)剛度Kθ和轉(zhuǎn)動(dòng)半徑rθ:
式中:h*為等效計(jì)算高度,取結(jié)構(gòu)70%的高度,m.
計(jì)算等效周期延長(zhǎng)比(/Teff):
式中:μsys為土-結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的預(yù)期位移延性比.
計(jì)算地基輻射阻尼比βf:
式中:ce、a1和a2都為地基輻射阻尼比的參考系數(shù)。
最后,計(jì)算土-結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的總阻尼比β0:
式中:βi為初始阻尼比,一般取5%.
在此基礎(chǔ)上,從用RRS修正后的需求譜(對(duì)應(yīng)不同阻尼比)中,選取與β0對(duì)應(yīng)的需求譜,并與結(jié)構(gòu)的能力譜相結(jié)合,以求解結(jié)構(gòu)的性能點(diǎn).這就考慮了運(yùn)動(dòng)學(xué)效應(yīng)和地基阻尼效應(yīng)的影響.
本節(jié)將統(tǒng)計(jì)適用于我國(guó)橋梁抗震設(shè)計(jì)的近斷層地震彈塑性加速度和位移反應(yīng)譜,并以此作為本文建議的改進(jìn)能力譜法的需求譜.
呂紅山等[15]、劉培玄等[16]對(duì)我國(guó)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[17-18]和美國(guó)“NEHRP 報(bào)告”[19]的場(chǎng)地類型進(jìn)行了對(duì)比,得到了以下結(jié)論(表2):美國(guó)“NEHRP 報(bào)告”[19]中v30(土層深度30m 處的剪切波速)>510 m/s、v30=260~510 m/s、v30=150~260 m/s、v30<150 m/s 對(duì)應(yīng)的場(chǎng)地類型與我國(guó)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[17-18]中I~I(xiàn)V 類場(chǎng)地相對(duì)應(yīng).
表2 中國(guó)和美國(guó)的場(chǎng)地分類指標(biāo)對(duì)比Tab.2 Comparison of site classification indicators between Chinese and American codes
另外,根據(jù)Liossatou 等[12]、Alici 等[13]、Li 等[14]的研究成果,本文采用的近斷層地震動(dòng)記錄的選取原則為:有明顯速度脈沖[20-21],矩震級(jí)MR≥5.0,斷層投影距離D≤15 km,PGA≥0.05g.
在此基礎(chǔ)上,本文從美國(guó)的太平洋地震工程研究中心(PEER)的強(qiáng)震數(shù)據(jù)庫(kù)中,選取了219 條近斷層地震動(dòng)記錄,它們的矩震級(jí)MR和震中距R(km)的分布關(guān)系見(jiàn)圖1.然后,根據(jù)中美場(chǎng)地分類指標(biāo)的對(duì)比表(表2),將選取的地震動(dòng)記錄按照我國(guó)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的場(chǎng)地類型進(jìn)行分類,其中:I0類37 條、I1類40條、II類53條、III類45條、IV類44條.
圖1 矩震級(jí)MR和震中距R的分布關(guān)系Fig.1 Relation between MR and R
將選取的215 條近斷層地震動(dòng)記錄的峰值加速度PGA調(diào)幅到0.2g后,輸入BISPEC軟件中,采用Takeda 剛度退化模型,并取阻尼比ξ=5%、屈服后剛度比η=0.05 和位移延性比μ=1.0~6.0,可計(jì)算得對(duì)應(yīng)于ξ=5%和μ=1.0~6.0 的近斷層地震彈塑性加速度和位移反應(yīng)譜,如圖2和圖3所示.
圖2 近斷層地震彈塑性加速度譜Fig.2 Near-fault elastoplastic acceleration response spectra
在考慮地基阻尼效應(yīng)(1.2 節(jié))后,土-結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的總阻尼比會(huì)變?yōu)棣?[式(9)].因此,在采用能力譜法時(shí),應(yīng)選取與β0對(duì)應(yīng)的近斷層地震彈塑性反應(yīng)譜,來(lái)建立相應(yīng)的需求譜.圖2 和圖3 分別為ξ=5%對(duì)應(yīng)的近斷層地震彈塑性加速度和位移反應(yīng)譜,不能直接用于土-結(jié)構(gòu)系統(tǒng).
圖3 近斷層地震彈塑性位移譜Fig.3 Near-fault elastoplastic displacement response spectra
為了能夠利用圖2 和圖3(對(duì)應(yīng)ξ=5%)快速求得β0對(duì)應(yīng)的近斷層地震彈塑性加速度和位移反應(yīng)譜,以下將建立ξ=5%和β0分別對(duì)應(yīng)的近斷層地震加速度和位移彈塑性反應(yīng)譜之間的關(guān)系.具體做法為:
1)利用2.2 節(jié)方法,繼續(xù)計(jì)算ξ=1%、10%、15%、20%對(duì)應(yīng)的Ⅱ~Ⅳ類場(chǎng)地(根據(jù)FEMA440[2],Ⅰ0和Ⅰ1類場(chǎng)地不考慮SSI 效應(yīng))的彈塑性反應(yīng)譜(μ=1.0~6.0);
2)分別計(jì)算ξ=1%、10%、15%、20%與ξ=5%的近斷層地震彈塑性反應(yīng)譜的比值;
3)利用Matlab 擬合ξ對(duì)近斷層地震彈塑性反應(yīng)譜的影響系數(shù),即式(10):
式中:Δ為任意ξ的反應(yīng)譜與ξ=5%的反應(yīng)譜的比值;a~f為擬合參數(shù),見(jiàn)表3.
表3 阻尼比對(duì)近斷層地震彈塑性反應(yīng)譜的影響系數(shù)Tab.3 Impact factor of damping ratio on the near-fault elastoplastic spectra
在此基礎(chǔ)上,利用式(10)、圖2 和圖3,可求得任意ξ的近斷層地震彈塑性反應(yīng)譜.以Ⅱ類場(chǎng)地為例(設(shè)μ=3),先由式(9)求得土-結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的ξ=8%,再由式(10)算得Δ=0.922 3,并乘圖3 的譜值,可得到ξ=8%的彈塑性位移反應(yīng)譜(圖4).
圖4 Ⅱ類場(chǎng)地(μ=3)的彈塑性位移反應(yīng)譜Fig.4 Elastoplastic displacement spectrum of class Ⅱsite(μ=3)
本文根據(jù)FEMA440[2]考慮SSI 效應(yīng)的方法(第1節(jié)),并采用Chopra[3]的改進(jìn)能力譜法的步驟,再結(jié)合圖2、圖3、式(10)和表3,完善了近斷層地震下適用于我國(guó)梁式橋的考慮SSI效應(yīng)的能力譜法.其詳細(xì)步驟如下:
1)按照《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50111—2006)[18]計(jì)算基礎(chǔ)的水平和轉(zhuǎn)動(dòng)剛度,并采用彈簧單元來(lái)模擬基礎(chǔ),進(jìn)而建立考慮基礎(chǔ)柔性效應(yīng)的梁式橋有限元模型,并對(duì)其進(jìn)行Pushover 分析,以得到ADRS形式的能力譜;
2)按照梁式橋所處的場(chǎng)地和抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn),從圖2 和圖3 中選取對(duì)應(yīng)的近斷層地震彈塑性反應(yīng)譜(ξ=5%),進(jìn)而繪制近斷層地震彈塑性需求譜;
3)由式(1)和式(2)計(jì)算折減因子RRS,進(jìn)而修正第2)步的近斷層地震彈塑性需求譜,以此來(lái)考慮運(yùn)動(dòng)學(xué)效應(yīng)的影響;
4)由式(3)~式(9)計(jì)算得土-結(jié)構(gòu)體系的阻尼比β0,并利用式(10)來(lái)修正第3)步的近斷層地震彈塑性需求譜,以此來(lái)考慮地基阻尼效應(yīng)的影響;
5)將第1)步的能力譜和第4)步的近斷層地震需求譜繪制到同一坐標(biāo)系中,再根據(jù)Chopra 等[3]的改進(jìn)能力譜法的計(jì)算步驟,求得等效SDOF體系的性能點(diǎn),并轉(zhuǎn)化為墩底剪力和墩頂位移.
某三級(jí)公路的梁式橋如圖5和圖6所示.上部結(jié)構(gòu)為等截面五跨預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支箱梁(跨徑30 m);橋墩采用C30 混凝土,截面配置60 根Φ32 的HRB400 縱筋和體積配箍率0.5%的HPB300 箍筋;采用剛性擴(kuò)大基礎(chǔ)(C25 混凝土、邊長(zhǎng)5 m 的正方形、厚度2 m),基底埋深4 m;處于Ⅱ類場(chǎng)地,8度設(shè)防.
圖5 工程實(shí)例(單位:m)Fig.5 Project case(unit:m)
圖6 橋墩及其有限元模型(單位:mm)Fig.6 Pier and its finite element model(unit:mm)
采用SAP2000 軟件,按照《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG/T 2231-01—2020)[17]建立該梁式橋的單墩有限元模型,如圖6(b)所示:1)將上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量(5.31×105kg)等效為集中荷載施加于模型頂部,并用剛臂與墩體相連;2)按照《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG/T 2231-01—2020)[17]計(jì)算得墩底塑性鉸長(zhǎng)度為1.5 m,并用XTRACT 軟件計(jì)算塑性鉸截面的M-φ曲線(圖7),以模擬墩底塑性鉸;3)根據(jù)《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50111—2006)[18]計(jì)算的基礎(chǔ)的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)剛度分別為150.85×105kN/m 和56.33×106kN·m/rad,進(jìn)而在模型底部加設(shè)彈簧單元來(lái)考慮基礎(chǔ)柔性效應(yīng).
圖7 M-φ曲線Fig.7 M-φ curve
步驟1計(jì)算能力譜曲線(考慮基礎(chǔ)柔性效應(yīng))
采用SAP2000 軟件,對(duì)考慮基礎(chǔ)柔性效應(yīng)的有限元模型[圖6(b)]進(jìn)行Pushover 分析,得到了該梁式橋考慮基礎(chǔ)柔性效應(yīng)的能力譜曲線(ADRS形式).
步驟2計(jì)算需求譜曲線(考慮運(yùn)動(dòng)學(xué)效應(yīng)和地基阻尼效應(yīng))
(1)利用式(1)~(2),可計(jì)算得運(yùn)動(dòng)學(xué)效應(yīng)的折減因子RRS(圖8).如果將圖2 和圖3 的近斷層地震彈塑性反應(yīng)譜的譜值乘RRS,即可得到考慮運(yùn)動(dòng)學(xué)效應(yīng)的近斷層地震彈塑性反應(yīng)譜.
圖8 運(yùn)動(dòng)學(xué)效應(yīng)的折減因子Fig.8 Reduction factor of kinematic effects
(2)采用SAP2000軟件,對(duì)有限元模型[圖6(b)]進(jìn)行動(dòng)力特性分析,可計(jì)算得:
①基礎(chǔ)固結(jié)模型的基階周期T=0.933 9 s;
②柔性基礎(chǔ)模型的基階周期T′=0.996 5 s;
③基礎(chǔ)固結(jié)模型的基階振型的質(zhì)量參與系數(shù)和參與質(zhì)量分別為α1=0.767 9和m=8.493 9×105kg;
④根據(jù)式(3)~式(5)可計(jì)算得K*fixed=38 447 kN/m、Kx=2.762 8×106kN/m和Kθ=7.700 6×107kN·m/rad.
在此基礎(chǔ)上,對(duì)應(yīng)于不同的μ,可由式(7)計(jì)算得等效周期延長(zhǎng)比,再由式(8)計(jì)算得地基輻射阻尼比βf,最后由式(9)計(jì)算得土-結(jié)構(gòu)體系的總阻尼比β0.其中,不同μ對(duì)應(yīng)的/Teff、βf和β0的計(jì)算結(jié)果如表4所示.
表4 不同μ對(duì)應(yīng)的/Teff、βf和β0Fig.4 /Teff,βf and β0 with different μ
表4 不同μ對(duì)應(yīng)的/Teff、βf和β0Fig.4 /Teff,βf and β0 with different μ
然后,令ξ=β0,并代入式(10)中,即可計(jì)算得對(duì)應(yīng)于不同μ的Δ(即得到任意β0的反應(yīng)譜與圖2-3 的ξ=5%的反應(yīng)譜的比值).將圖2 和圖3 的近斷層地震彈塑性反應(yīng)譜的譜值乘以Δ,即可得到考慮地基阻尼效應(yīng)的近斷層地震彈塑性反應(yīng)譜.
(3)由于該橋處于Ⅱ類場(chǎng)地且為8 度設(shè)防,可根據(jù)《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50111—2006)[17]取設(shè)計(jì)加速度峰值PGAd=0.3g.根據(jù)文獻(xiàn)[22]的研究成果,可將圖2和圖3的近斷層地震彈塑性反應(yīng)譜乘αm,以得到與PGAd對(duì)應(yīng)的近斷層地震彈塑性反應(yīng)譜.
式中:αm為近斷層地震彈塑性加速度和位移反應(yīng)譜的調(diào)整系數(shù)。
(4)將(1)~(3)計(jì)算得到的RRS、Δ和αm乘圖2和圖3 的近斷層地震彈塑性反應(yīng)譜后,即可得到與PGAd對(duì)應(yīng)的、考慮運(yùn)動(dòng)學(xué)效應(yīng)和地基阻尼效應(yīng)的近斷層地震彈塑性反應(yīng)譜.然后,按照文獻(xiàn)[11]的方法,分別以彈塑性加速度為縱坐標(biāo)(Sa)、彈塑性位移為橫坐標(biāo)(Sd),繪制出與PGAd對(duì)應(yīng)的、考慮運(yùn)動(dòng)學(xué)效應(yīng)和地基阻尼效應(yīng)的近斷層地震彈塑性需求譜(圖9).
步驟3將步驟1求得的考慮基礎(chǔ)柔性效應(yīng)的能力譜(圖9)與步驟2 求得的考慮運(yùn)動(dòng)學(xué)效應(yīng)和地基阻尼效應(yīng)的需求譜(圖9)繪于同一坐標(biāo)系中,再用Chopra[3]的改進(jìn)能力譜法來(lái)求性能點(diǎn).具體做法為:
圖9 ADRS形式的能力譜和需求譜Fig.9 Capacity and demand spectra with ADRS form
(1)根據(jù)圖9可求得各交點(diǎn)(a~f)的結(jié)構(gòu)延性,如表5 所示:c(d)點(diǎn)延性大(小)于需求延性.因此,結(jié)構(gòu)的性能點(diǎn)(圖9中的星號(hào)點(diǎn))的延性應(yīng)介于c點(diǎn)和d點(diǎn)之間,并可插值求得其延性為μ=2.727.
表5 求解性能點(diǎn)Fig.5 Solution of the performance point
(2)在圖9 中,進(jìn)一步查得結(jié)構(gòu)性能點(diǎn)(星號(hào)點(diǎn))的譜位移和譜加速度分別為:Sd=7.533 cm和Sa=2.236 m/s2.然后,根據(jù)等效SODF 體系和MDOF 體系的轉(zhuǎn)換關(guān)系,按照文獻(xiàn)[11]的方法,可計(jì)算得墩頂位移和墩底剪力分別為8.152 cm和1 375.85 kN.
步驟4從圖1中分別選?、瘛ⅱ?、Ⅲ類場(chǎng)地的近斷層地震動(dòng)記錄各7 條,并將它們的PGA 都調(diào)幅為0.3g后,輸入有限元模型[圖6(b)]中,進(jìn)而用SAP2000 進(jìn)行非線性時(shí)程分析,可算得算例梁式橋的墩頂位移均值和墩底剪力均值,并與本文改進(jìn)能力譜法和FEMA440 的計(jì)算結(jié)果相互對(duì)比(圖10),從中可知:
圖10 計(jì)算結(jié)果的對(duì)比Fig.10 Comparison of result
(1)與非線性時(shí)程分析法計(jì)算的墩頂位移相比,本文改進(jìn)能力譜法和FEMA440 的計(jì)算結(jié)果的誤差分別為8.97%和16.32%.可見(jiàn),對(duì)于近斷層地震下考慮SSI 效應(yīng)的我國(guó)梁式橋,F(xiàn)EMA440 的計(jì)算結(jié)果偏于保守,而本文改進(jìn)能力譜法是有效且可行的.
(2)與非線性時(shí)程分析法計(jì)算的墩底剪力相比,本文改進(jìn)能力譜法和FEMA440 的計(jì)算結(jié)果都偏小.這是因?yàn)槟芰ψV法主要是考慮了結(jié)構(gòu)基階振型的計(jì)算結(jié)果,而非線性時(shí)程分析法則考慮了結(jié)構(gòu)全部振型的計(jì)算結(jié)果.
綜上所述,本文完善的近斷層地震下適用于我國(guó)梁式橋考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用的能力譜法是有效可行的,可以用于我國(guó)梁式橋的抗震性能評(píng)估.
雖然FEMA440 建議的能力譜法能考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用(SSI效應(yīng))的影響,但它所采用的需求譜是來(lái)自國(guó)外規(guī)范,即該法不能直接應(yīng)用于我國(guó)橋梁的抗震設(shè)計(jì)中,而且該法也未能考慮近斷層地震動(dòng)的影響.因此,本文致力于完善近斷層地震下我國(guó)梁式橋考慮SSI效應(yīng)的能力譜法,主要工作有:
1)根據(jù)近斷層地震動(dòng)特性和我國(guó)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范,從PEER 強(qiáng)震數(shù)據(jù)庫(kù)中合理選取了四類場(chǎng)地的215 條近斷層地震動(dòng)記錄.再采用BISPEC 軟件計(jì)算了適用于我國(guó)橋梁抗震設(shè)計(jì)的近斷層地震彈塑性加速度和位移反應(yīng)譜,并擬合了阻尼比對(duì)近斷層地震彈塑性反應(yīng)譜的影響關(guān)系式.
2)將計(jì)算得到的近斷層地震彈塑性反應(yīng)譜與FEMA440 考慮SSI 效應(yīng)的方法、Chopra 的改進(jìn)能力譜法相結(jié)合,完善了近斷層地震下適用于我國(guó)梁式橋且能考慮SSI效應(yīng)的改進(jìn)能力譜法,并應(yīng)用于某梁式橋的抗震性能評(píng)估中.
3)與非線性時(shí)程分析法的計(jì)算結(jié)果對(duì)比后,可知:對(duì)于近斷層地震下考慮SSI 效應(yīng)的我國(guó)梁式橋,F(xiàn)EMA440 的計(jì)算結(jié)果偏于保守,而本文的改進(jìn)能力譜法是有效且可行的,可以應(yīng)用于我國(guó)梁式橋的抗震性能評(píng)估中.