我国《铁路工程抗震设计规范》(2009年版)中给出的普通铁路桥梁总体抗震性能要求和目标在2.2.2节已有论述。
钢筋和混凝土材料的应力、应变可以定量描述材料的性能状态,能从材料层面反映结构或构件的性能水平,可作为结构的性能指标。弹性时应变与应力为一一对应关系,规范中常以应力为指标进行强度验算。但当钢筋混凝土结构或钢结构材料屈服后,外载增加而钢筋应力增幅很小,此时应力作为性能指标就不能较好地反映结构或构件的损伤状态,而应变(钢筋拉应变、混凝土压应变)则可以较好地描述结构的损伤状态,反映结构的延性变形能力。要直接得到结构在地震作用下的材料应变需要建立相对较精细的纤维截面梁单元计算模型,此外还要处理众多钢筋与混凝土纤维的应变数据,计算效率往往较低。
为方便计算和设计,一般采用易于获取的性能指标表征抗震性能目标,如曲率、位移等。高墩受高阶振型的影响,墩顶位移与桥墩截面中的应变没有严格的对应关系,墩顶位移不能作为抗震性能指标,此时需要采用截面层次的曲率作为抗震性能指标。位移延性系数指标及曲率延性系数指标则分别是位移与曲率指标的延伸。
目前,国内外多数桥梁抗震设计规范中采用墩顶位移作为结构弹塑性性能指标。这是因为位移与曲率、应变相比较为宏观,用它描述桥梁的损伤程度比较便利。规范适用的桥梁反应中以一阶振型的贡献为主,多在墩底出来一个塑性铰区。通过试验引入等效塑性铰长度的概念,对曲率两次积分可以得到墩顶位移。位移指标可以说是曲率指标在一定条件下的转化。因此,对于一阶振型为主的普通桥梁,墩顶出现最大位移的时刻也是墩底塑性铰区截面出现最大曲率及材料的最大应变的时刻,桥墩材料的应力-应变关系与截面的弯矩-曲率关系一一对应,两者又与墩顶的力-位移关系一一对应,因此位移性能指标与应变或曲率指标是一致的,现行规范将位移作为桥墩弹塑性的抗震性指标是合理的。对于发生剪切破坏的构件,则以截面层次的剪力作为抗震性能指标。
采用损伤指数DI评估强震作用下结构的损伤程度,不同的损伤指数值代表结构不同的破坏状态。损伤指数DI范围为[0,1],DI=0对应无损伤状态,DI=1对应结构完全破坏极限状态,DI介于0与1之间对应结构不同程度的损伤状态。表5.4-1给出了5种损伤等级划分标准:无损伤、轻微损伤、中等损伤、严重损伤和局部失效或倒塌,并建议取DI=0.4作为可修复损伤状态与不可修复状态的临界值。
表5.4-1 桥墩损伤状态分类
钢筋混凝土空心墩的性能水平是指其在地震作用下限定的预期损伤状态。在国内外学者研究的基础上,结合空心墩模型试验结果,根据其破坏状态与地震损伤性能目标,将空心墩的损伤程度划分为5个等级:
(1)基本无损坏:出现微裂缝;
(2)轻微损伤:局部出现贯通的微裂缝,纵筋屈服;
(3)中等损伤:裂纹显著发展,混凝土保护层开始脱落;
(4)严重损伤:裂纹急剧变宽,混凝土保护层局部完全剥落;
(5)倒塌破坏(或接近倒塌):受压区核心混凝土压碎,纵筋拉断、压屈或箍筋断裂。
对应上述损伤等级众多学者给出不同定量化描述,部分既有研究成果如表5.4-2所示。结合损伤指标、试验现象和公式计算结果,对比分析各损伤评估的合理性。
表5.4-2 不同损伤等级对应的损伤指数范围(www.xing528.com)
根据文献分析,在《铁路工程抗震设计规范》中确定的性能目标基础上进行定性描述,建议铁路钢筋混凝土圆端形桥墩的抗震性能水准分为3类,如表5.4-3所示。
表5.4-3 抗震性能水准
具体到空心桥墩,在不同设防水准地震下的抗震性能目标,建议量化如表5.4-4所示。
表5.4-4 空心墩的量化性能目标
确定了试件的性能水准划分标准后,还需要根据构件破坏形式选取合适的性能目标。因试验构件主要发生的是弯曲破坏,所以可基于强度退化性能曲线选取性能目标;对于作为延性构件的桥墩,规范对其位移延性能力与构件变形能力(墩顶位移限值)都有相应要求,采用位移延性比对桥墩性能进行量化有很大的工程指导意义,且在过去的桥墩性能目标量化分析中位移延性系数作为量化指标已经被广泛使用,作为弯曲破坏试验构件的量化指标。首先根据试验构件的损伤特点,将各墩典型损伤状态下对应的位移延性比进行统计,如表5.4-5所示,接着结合试验墩的性能水准划分标准对其进行五水准量化。
表5.4-5 试验构件性能量化结果
注:表中位移延性为对应状态的墩顶位移与屈服位移的比值。
整理已有的性能目标量化成果,并结合其各阶段的损伤量化特征与性能目标划分标准,将其与试验墩结果对比,如表5.4-6所示。通过对比可发现:构件在第Ⅴ水准下的位移延性比较以往统计值偏小,这是由于以往统计值是基于大多数实体墩与少量空心墩得出的,而本书的数值是基于试验圆端形空心墩数据得出的;构件在第Ⅳ水准、第Ⅲ水准下的位移延性比均在已有统计量化范围内;构件在第Ⅱ水准、第Ⅰ水准下位移延性比相对学者刘艳辉的量化值偏低,这是由于各自选取的损伤界限有一定差异,刘艳辉是选取塑性铰的屈服作为Ⅰ、Ⅱ水准的分界标准,而本书是选取钢筋首次屈服作为这两级的分界标准。
表5.4-6 基于位移延性的目标量化
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