不等高墩连续混凝土箱梁桥抗震性能的评价标准
摘要：在不等高高度的桥墩上支撑的不规则桥梁的抗震设计和响应预测——当跨越陡峭的山谷时通常采用的解决方案——代表了一个特别具有挑战性的问题，尚未得到全球地震设计规范的有效解决。从基于受力的设计角度来看，较矮的桥墩受到延展性要求的增加，因此，在地震危险程度增加的情况下，这些相对刚性大的桥墩会造成损坏。 本文介绍了三跨案例连续桥梁（通常遇到的实际）的方案的地震反应的研究，其特征是两个相对高度分别为0.5,0.64,0.75和0.86的不等墩。采用OpenSees进行了静力推倒和时程非线性弹塑性分析，验证了E。。。的有效性，以及最近建议的A。。D规范中针对延性桥梁的常规抗震行为基于力的设计方法所提出的建议。
据证实，满足EC8规律性条件并不一定会导致在极端危险等级下不等高桥墩几乎同时失效，特别是在墩高比较小（）的情况下。进一步得出结论，这两项规定的规律性标准都未能提供被调查的桥梁的绝对定期抗震行为。最后，本文引入（并验证）新的设计标准，并且针对具有不相等的高度墩的桥梁进行了推广，但具有与通常由一些令人信服的美学和实践考虑所规定的相同的横截面尺寸。 然而，值得一提的是，假设桥墩受力由弯曲控制（因此失效），并且不考虑剪切破坏和屈曲。 DOI：10.1061 /（ASCE）BE.1943-5592.0000383。 copy;2013美国土木工程师学会。
CE数据库标题：地震效应; 延性 桥梁; 桥墩
作者关键词：EC8; AASHTO-LRFD; 规则地震行为;延性桥梁；不等高墩引言
桥梁设计和施工工作在世界范围内广泛存在。这些做法随着时间的推移而演变，特别是由于二十世纪下半叶发生的严重地震的经验，地震设计实践在世界范围内大大改善。 历史上，观察到的倒塌/破坏现象为地震工程规范和实践中的许多改进提供了动力（Moehle和Eberhard 2000）。这使得委员会和决策者能够超越生命安全思考，这在设计中是必不可少的，以减轻由于严重的桥体破坏和崩溃而造成的经济损失。这一趋势使得大家越来越关注基于性能的抗震设计，尤其是对于接近倒塌和倒塌时的状态。一个特别具有挑战性的问题是不等高桥墩桥梁的抗震设计和响应预估——所谓的不规则桥梁，这是普遍采用的在穿越陡峭的河谷时的解决方案。在桥墩横截面相同的情况下，短墩比高墩可以抵抗更高水平的惯性力。 短墩延性需求增加，因此损坏倾向于发生在这些相对较刚的桥墩中。 目前已经提出了一些实际措施来纠正以前描述的情况： 通过减少短墩段尺寸可明显降低吸引的惯性力;但是，通过将轴向力传递到地面的要求也可以等同地限制（Priestley 2007）。此外，美观角度上的考虑通常可能会使所有桥墩具有相同的尺寸。另一方面，加固或加强高要求的桥墩通常会导致相反的结果，产生更大的力。 因此，由规范认可的设计方法应以面向不同高度的给定极限特征需求为目标，保证给定桥梁的所有桥墩的平衡损坏最终几乎同时崩溃。用更具体的术语可描述为：在最佳设计情况下，所有桥墩应同时达到目标需求水平。本文研究了验证桥梁规则性的规范规定和建议。对相关高度为0.5,0.62,0.75和0.857的两个不等墩上的案例研究三跨连续混凝土箱梁桥进行了调查。桥墩固定在他们的基础上，并且在其顶部上固定（即桥面板板水平）。 使用OpenSees分析软件包进行非线性非弹性分析，以检查Eurocode 8（EC8）的有效性，进行静态推理和时间历史（增量放大实际记录）和最近提出的AASHTO（2007; Imbsen 2006）根据基于力的设计程序确定的延性桥的常规抗震性能的条件。欧洲规范8通过一个比例来解决桥梁地震行为规律性，通过比较在阿维尼奇桥内所有不等高桥墩之间的最大和最小力矩要求之间的比值，同时对其中的特征影响进行了分析。最后，在此引入了新的设计指标，并提出了不等高高度墩 但是具有与通常由一些令人信服的美学和实践考虑所指示的相同的横截面尺寸。这个提出的标准保证了根据基于力的方法设计的桥梁的正常行为——受到增加的侧向荷载作用直到倒塌。Priestley（1993年，2007年）引入和推广了一种称为直接位移设计（DDBD）的新的抗震设计程序，用于替代基于力的设计（FBD），有效地处理了不等高的桥墩的不规则桥梁的地震设计。 DDBD是一种简单的设计方法，其中多重自由度结构的特征在于等效单程度自由度结构的正割刚度和等效弹性阻尼。通过切线刚度对结构的表征避免了FBD固有的许多问题，其中使用初始完整（即总刚度或未开裂）刚度来确定弹性周期，因此力在构件之间以比例弹性刚度分布.Priestley（2007）声称DDBD是在处理具有不等高高度墩的高度不规则的桥梁的抗震设计时，FBD程序的优化过程不受影响和回退。作者已经取得了这样的进步，这将是另一篇出版物的主题。然而，目前的研究仅着重于验证当前震设计的最优选择，它能克服FBD程序的缺点——包括不规则桥梁的情况。研究内容和基本理论
基于力的设计方法遇到的问题基于力的设计方法构成了传统地震设计的基础，全球各地的震源和标准。虽然目前的FBD与早期使用的程序相比有了显着的改善，但仍然存在一些基本问题，特别是当应用于具有不等高的墩的桥梁时。在FBD中，估计各种结构构件的初始刚度并将其用于向各种构件分配总要求的强度（即基底剪力）。这一步骤可能导致不良和不合逻辑的后果。其中一个案例是一座不同墩高的桥梁。考虑到跨过山谷的三跨桥，由于地形影响可能会有两个高度不同的桥墩。在纵向地震响应下，桥墩顶部的位移基本相等。假设一个刚性上层结构，初始刚度设计将按照它们的弹性刚度，将抗震设计力量分配给桥墩（Priestley等人，1996）。如果由于建筑的原因，如果这些桥梁的横截面尺寸不同，那么桥墩的设计剪切力将与墩高的3次方成反比。这种设计方法的结果是，在桥墩底部的设计弹性力矩（需求）与桥墩高度的平方成反比。这种强制性的分配有许多后果。首先，重要的是混凝土截面的屈服曲率与强度无关。因此，墩的屈服位移将与H2成正比，不管最大限度地分配到墩上。如果两墩的高度是其他高度的2.5倍，则其屈服位移将是另一墩的6.25倍。显然，两个桥墩的延展性要求将会有很大差异，而对行为因子q（或R）的特征结构导数因子和行为因素的评估将是有问题的。第二，最短的桥墩将被分配到更高的抗弯钢筋。这会导致一些不好的结果。分配更多的外部加速度到增加的速度将增加弹性刚度，进一步与其强度成比例。因此，应改进对桥墩刚度的估计，从而进行重新设计，这将导致将总弹性抗震力分配给较短桥墩的百分比更高。将大部分抗震设计力量分配给短桥墩，增加了其对剪切破坏的脆弱性。此外，随着钢筋比例的增加，高强度钢筋的排量能力下降（Priestley et al.1996），因此初始刚度方法将趋向于降低整体结构的位移能力。
如前所述，FBD中存在固有的问题。 Priestley等 （1996）和Priestley（1993，2007）相应地推荐了基于正割刚度的最大设计位移的DDBD方法来解决上述不规则桥梁问题。 然而，这种方法不在当前研究的范围之内。
各种规范标准延性桥梁抗震性能的规律
目前，许多规则处理了结构地震规律性的思想，并从不同的角度对每个规范进行处理。由于桥梁是规则或不规则的，所以限制因素决定了判断。根据EC8（CEN 2005c），桥梁规律性的概念侧重于穿透力的强弱（即主体能力和要求）。满足以下条件时，桥梁正常考虑：
其中，和分别为所有延性墩i的最小和最大值；r=局部力减小因子；q =行为因素；和分别等于在塑性铰链延性墩I的预期位置的地震荷载组合下的设计（即需求）最大值和设计灵敏度的最大值。并且等于极值，以确保延性墩的顺序屈服不会对一个桥墩相对于另一个桥墩造成不可接受的高延展性要求。的规范推荐值为2.如果剪切角不超过正在考虑的方向的总地震剪切的20％，一个或多个延性桥墩可以免除上述最初的计算。
另一方面，在美国最近提出的AASHTO（2007）指南规范中，建议的设计规范规定将规则性标准与桥墩有效刚度相关联，并为高地震带提出了这种标准。规定限制了最低有效刚度与给定桥墩的最大有效刚度之间的比例。这些限制的值根据在长度方面的位置而变化。对于两个相邻的桥墩，该值等于0.75，而对于桥中的任何两个桥墩（即对于不位于两个相邻轴的桥墩），该值等于0.5。这些建议不包括对基台的考虑。
以前的建议是根据AASHTO（2002）或者抗震设计类别D（SDC D），分配了抗震性能D类（SPC D）的LRFD抗震桥设计（Imbsen 2006; SCDOT 2008），而最近提出的指南规范则是根据SCDOT（2008）。然而，对于低地震带（即，对于AASHTO指定SPCA，B和C），由人造卫星（2006）提出的指导线建议从桥墩到跨度的有效刚度比方面放宽规律性标准; 因此，AASHTO（2002）表4.2B和AASHTO（2007）表4.7.4.3.1-2中列出的标准是适用的。
案例研究桥梁的设计与建模
桥梁简述
所选案例研究桥梁是一条长84米长的连续预应力混凝土箱梁桥，分为三个相等的28米长跨度，两端支撑两座。选择该案例研究桥梁，是为了验证由各种设计规则预设的上述规律性标准。该桥梁线形是平直的，所有的子结构件垂直于直桥中心线。桥面由二十四个箱形截面组成，宽14.6米，深1.5米。 桥面板通过固定的罐轴承固定在两个桥墩上，防止在桥的纵向和横向方向滑动，但允许仅在桥的纵向方向上旋转。 在支座处安装滑动罐轴承，以允许仅在桥的纵向上滑动和旋转。桥墩被设计后尝试各种尺寸和高度，随后将进行证明。
图一 研究桥梁的总体布置
图二桥梁箱梁桥面板（典型截面尺寸）
图1和图2分别代表横截面尺寸和横截面尺寸。欧洲，北非，中东和阿拉伯海湾国家的桥梁类型如图1和图2所示，尽管其典型设计条款已被废止，在美国桥梁设计实践中通常不会使用这种桥梁设计方案;目前的研究主要是按照欧洲标准设计的，而不是CALTRANS（2009）设计标准。对案例研究桥梁进行了一些方案设计，以涵盖两个不等高桥墩之间的范围。 所有设计的方案，都考虑了一个14米高的长桥墩。 选择短墩具有7,9,10.5和12米的高度，从而导致各种调查案例的两个不等墩之间的相对高度分别为0.5,0.64,0.75和0.857。
使用OpenSees建模结构分析平台用于确定案例研究桥梁的结构响应。所使用的混凝土材料是在OpenSees手册中定义的Concrete01材料。这种材料是根据Karsan和Jirsa（1969）提出的，具有降低的线性卸载/重载刚度的单轴Kent-Scott-Park（Scott et al.1982）混凝土材料物体，没有拉伸强度。用于定义Concrete01材料的所需数据的计算是基于一组半经验方程式，考虑到混凝土部分由于箍筋对混凝土的约束而产生的影响。这导致混凝土抗压强度的增加和应变的增加（两者在最大抗压强度和混凝土压碎强度下）。约束和无约束混凝土应力和应变限值参考了EN1992-2，也在Guirguis的文章中进行了解释。据此，固定面积的抗压强度为35MPa，达到最大强度的应变值为3％，并且组合的复合材料为14％，其中钢材为钢材，主要用于非线性演化方程，该材料为非线性双线性钢材，主要由非线性演化方程描述。其行为的特征在于应力 - 应变关系的初始线性弹性部分，其弹性模量Es = 200GPa（直到屈服应力），随后是应变硬化的后续区域。钢筋的屈服应力为400MPa，硬化模量为4MPa。虽然目前的有限元（）建模是基于位移的单元构建的，但最近出现了基于力的单元公式，以消除非线性应用中基于位移的单元的固有缺点和局限性，特别是关于描述高 曲率梯度，如具有塑料铰链的元件和RC柱的软化行为与当前研究相关。为此，在OpenSees中实施的以分布式可塑性为特征的力量要素，采用模拟案例研究桥墩，并监测关键部分的曲率要求（Kalkan and Kwong 2012）。尽管基于力的公式比基于位移的公式更准确，但它可能存在重要的不收敛问题。为了克服收敛问题，需要进行灵敏度分析，以案例研究桥梁的最方便，可靠，准确的误差为依据。结果是使用一些根据每个桥墩的高度而变化的单元。 例如，对于14米高的桥墩，考虑了四个单元（范围从3到4米），每个单元包括五个积分点。 该离散化方案在一方的计算问题与另一方面的计算需求的收敛性和准确性之间实现了合理的平衡（Guirguis 2011）。
案例研究桥梁被模拟为二维框架单元。根据EC8建议，使用弹性框架元件对桥面进行了建模，其中指出“桥面应在地震荷载下保持在弹性范围内”（CEN2005c）。对于建筑承载力（CEN 2005c）的冲击力的稳定性（CEN 2005c）进行了建模。正如前面提到的，桥梁是模型非弹性的强制性梁柱元件。桥墩被认为固定在底部的基础上——即，土壤结构相互作用被忽略，并且在纵向方向上（通过使用零长度的单元）被释放。该交叉点被建模为不规则地分成不规则的，具有两个截然不同的矩形补丁（矩形补丁）区域——（1）一个未定无约束义区域和（2）一个高度约束的区域，每个区域由应力 - 应变性质表示，这些区域是各种水平的确定函数（更多细节见Guirguis 2011）。桥梁两端的支座被建模为允许围绕垂直于桥梁的轴线旋转的滚柱支撑在纵向上的对准和位移。桥梁质量集中在桥面板的水平上，并分配给当前研究兴趣的方向（桥梁纵向）。 根据EC8，集体质量除了20％的桥梁荷载外还包括恒载。桥梁的载荷由桥梁自身的重量，叠加的恒载（60 mm沥青）和护栏组成。 考虑到桥梁的纵向方向，考虑了地震作用，所有模式都假定了5％的恒定模态阻尼。
案例研究桥梁的延性的最优力学设计
案例研究桥墩的尺寸从预选截面尺寸开始，以满足重力设计和适当的细长比，以避免屈曲问题。 因此，对于基于EC8（CEN 2005b）的地面加速度为0.3g（因此假设桥梁位于中等至高的地震活动度），根据构造的响应频（
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