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含熔融支承元件的公路桥梁结构抗震性能研究
Evgueni T. Filipov , Jessica R. Revell , Larry A. Fahnestock ,James M. LaFave ,Jerome F. Hajjar , Douglas A. Foutch and Joshua S. Steelman
摘 要
伊利诺斯现代公路桥梁往往安装经济弹性轴承，允许上部结构的温度变形，还安装钢固定轴承和横档，防止由于荷载而产生过大的移动。在地震作用下，轴承系统有可能提供一个准隔离的响应，其中牺牲元素的失效和轴承的滑动会导致周期的延长，并减少下部结构的受力。用来进行参数研究的非线性行为的计算模型，已经校准了预期，用来评估准隔离桥的响应。这项研究调查了不同的上层建筑类型、结构类型、底座高度、基础类型和弹性体轴承类型。总的来说，在新马德里地震带被发现的，只有少数桥的变形是因为设计地震输入而失效，这表明大多数结构在标准的设计寿命内，在伊利诺斯州不会经历严重损害。然而，包括一个弹性支承和平坦的聚四氟乙烯滑块在内的II型轴承系统，在中等和高地震输入时，在某些情况下会因失效导致临界破坏。任何桥梁的破坏形式表明支座在低级地震输入下会屈服。这是由于高强度的固定支撑元件，这也证明了准隔离设计方法得到了进一步验证。最后，地面运动的类型，桥墩高度，和轴承类型被指出对桥梁响应有显著的影响。
关键词：隔震；准隔离；公路桥梁；滑动轴承；地震响应时程分析
第一章 引言
在美国的强地震地区，地震隔离是一种广泛接受的桥梁设计理念。尽管地震隔离可以提供一个高水平的结构性能，但由于其设计施工的复杂性和高成本，使得这种方法在伊利诺斯州等存在大地震可能性的地区缺少吸引力，只存在于有长期复发地震的地区。因此，桥梁的准隔离概念已经成为一个创新的、务实的、可以广泛应用的设计理念。准隔离的基本概念是典型桥梁支座系统，这样他们能作为限制荷载从上部结构传播到基础的保险，同时能协调随之而来的位移。传统隔离和本文研究的系统的主要区别是准隔离不需要复杂的设计过程，还可以减轻重大地震的损伤。这种体系，最初是通过伊利诺斯州运输部(IDOT)发展的，目的在于在新马德里地震带(NMSZ)提供一个具有防地震系统(ERS)和成本效益的桥，以限制小地震损失同时防止大震下的跨度损失。IDOT ERS的核心是一种在美国的强震地区常见的桥梁设计方法，在这些地方，桥梁的基础和上层建筑应该保持弹性，两者之间的接口有一个特定的融合机制。IDOT ERS的概念允许以下三个不同的层次的融合和：一级——允许轴承组件损伤和失效以允许准隔离，二级——提供足够的座位宽度满足所需的滑动，三级——只要没有跨度损失，允许基础有一些损坏。
本文中描述的研究是一个庞大程序的一部分，目的是校准和细化IDOT ERS研究的常见的多跨简支连续的公路桥梁。整个研究程序，详细讨论了以前的出版物，有6个主要部分：(i)对在伊利诺斯州使用的典型桥梁支撑进行全面测试；(ii)开发桥梁支撑的数值模型，对测试结果进行验证；(3)不以实验性地探索当地支撑的响应；(iv)开发能够捕获行为中所有重要方面的全桥的数值模型系统；(v)进行参数研究，以探索一系列典型的伊利诺伊州桥梁的系统级的地震响应；(vi)发展使用准隔离抗震设计理念的桥梁。本文的重点在研究程序的第五部分，将对准隔离系统的地震反应进行定量和定性评估。
许多在伊利诺斯州的现有桥梁有可能实现准隔震。对于热膨胀，这些桥梁采用钢筋弹性轴承，这要么是(1)IDOT I型轴承，直接放置在混凝土底座上或(2)IDOT II型轴承，包括：底板用螺栓固定于下部结构、涂上聚四氟乙烯 (也称为聚四氟乙烯或聚四氟乙烯)的中间板，一个在不锈钢聚四氟乙烯表面上直接加载梁荷载的顶板。弹性轴承上的可靠横向位移由加强的边角保护架限制。固定钢轴承放于中间底座上来支撑交通制动负荷，并且防止结构的总体维修负载运动。IDOT桥梁手册上的初步设计程序目标是使保护架和固定轴承成比例，以使其横向能力等于20%的轴承恒载，目的是使这些钢组件将表现出非线性行为并在高地震荷载下失效。IDOT大桥设计程序主要是为了美国州国家公路运输官员协会(AASHTO) 所定义的地震区域1、2和3的标准桥梁设计的。有复杂的几何形状或处于高地震灾害(地带4)地区的桥梁，鼓励采用比IDOT桥梁手册规定的更先进的分析和设计技术。最近由菲利波夫开发的非线性轴承和护圈元素模型，是基于这个项目的早期实验结果，能够模拟环轴承组件反应的独特方面 (如弹性体剪切变形、摩擦(粘滑运动)和非线性护圈失效)。应用于总体桥梁模型的非线性元素是用于准隔离系统的静力弹塑性分析。同样的模型是本文中描述和分析的基础。
第二节简要描述了模型，概述了在这项研究中在参数空间考虑变化，并讨论了轴承模型的校准。在第三节，对输入地面运动的注意事项进行了讨论，给实施在每个桥梁上的增量动态分析(IDAs)一个基础。第四部分讨论了在地震中可能遇到的破坏极限状态，展示了一个桥梁结构的动态分析的事例。第五节提供了一个在伊利诺斯州的典型桥梁系统的抗震性能的综合评价。
第二章 非线性建模参数变化的概述
2.1.基本桥梁模型
基本桥梁原型见图1，是一个三跨四桥墩连续梁工字钢梁 (按照IDOT桥梁手册成比例)。桥面有两个车道，它是由六个W27*84(AASHTO M27 Gr。50)钢梁，搭在20.3厘米(8英寸)厚混凝土甲板上。所有在适当的弹性刚度下建为线形。
图1.基本桥梁模型
多列桥墩有4.5米(15英尺)高，模型为梁柱与基础铰接，混凝土和钢筋材料为非线性。原型系统通过一个固定的基座，即一个岩石地基上的坚硬的，不变的基础来建模。桥台后墙的非线性响应通过5厘米(2英寸)的模拟热膨胀间隙，和一个模拟回填行为的双曲材料模型建模。在这个参数研究中使用的典型的三跨桥梁桥配置，固定轴承安装在第二个桥墩(桥墩2)，而I型和II型弹性扩张轴承使用在其他桥墩和桥台。基本原型桥在发生滑动的弹性混凝土接口使用I型弹性轴承。详细的总体桥模型和组件构成信息包含在之前的出版物中。
2.2.参数变化
本文关于参数变化研究是基于当前在伊利诺斯州的桥，以及当前在伊利诺斯州的桥梁设计趋势，在这里弹性轴承是活动支撑的的首选类型。在以前的研究中，75%的桥梁有三个跨越，总长度在33到82米之间(110 - 270英尺)，另外，其中有86%的桥梁由钢梁和复合甲板组成，其余的由混凝土梁与复合甲板组成，67%的桥有多列桥墩，32%有壁墩，高度范围从2.7米(9英尺)到14米(46英尺)。场地类别从B类土到E类土，基础主要由桩(86%)组成，33%的桥梁有弹性轴承。桥梁调查包括上层建筑的类型，基础类型，基础高度，地基类型和弹性支承系统的变化。另一方面，在这个研究中不考虑简支桥梁，钢性伸缩轴承，完整的桥台或弯曲的上层建筑。桥模型的变化将根据用于这项研究的参数，以一系列字母和数字命名。模型名称的前两个字母表示上层建筑类型，(Ss，短钢；Sl，长钢；Cs，短混凝土)。第三个字母和接下来的两个数字指定中间基础类型(C，列柱；W，壁墩)和高度(15英尺(4.5米)和40英尺(12.2米))。下一个字母和数字显示使用的轴承类型(T1，I型IDOT轴承；T2，II型IDOT轴承)。最后的字母表明地基边界条件的柔性F，固定/摇晃；S，柔性的地基边界条件)。灵活的边界条件模拟一组有一个桩在软土桩基上的桩基础。应该注意的是，基础边界条件对于在第三节中定义的地面运动是一个自变量。
根据以上定义，基本原型桥可以用SsC15T1F表示，而SlW40T2S则表示长型钢上层建筑，置于12.2米(40英尺)的壁墩上，有柔性基础边界条件和II型IDOT轴承。在这篇文章中后面，符号“X”,“X”，和“#”是用来指定特定参数的变化。在这项研究中，通过这个命名法定义的桥梁变化会产生48个不同的桥梁。使用的各种参数变化细节如表1所示，通过OpenSees创建的两个样本桥梁有限元模型的网格如图2所示。
2.3.双向滑动轴承的校准
轴承系统通过非耦合的单轴元素建模，在多向地震分析时被认为是不可靠的。例如，摩擦摆支座通过非耦合元素建模，相比于双向耦合模型和实验数据，会导致荷载偏高和系统位移偏低。尽管摩擦摆轴承并不考虑在其中，这些与建模相关的发现相关适用于其他类型的隔离系统，因此，一个正交耦合、零长度、双向模型为了由于I型和II型IDOT轴表现出摩擦粘滑运动而创建。模型的示意图见图3(b)，模拟初始静态摩擦折断力(PSI)，动摩擦力(PK)，摩擦折断力(PSP)。不同的摩擦系数对应相应条件，并且支撑上的可变轴向载荷在模型构成中被使用。
在这个项目中的实验结果被用来表示滑动轴承的响应，样本模型如图3所示。I型轴承通过初始静摩擦系数mu;SI= 0.60，动力摩擦系数mu;K = 0.45和滑动后静摩擦系数mu;SP = 0.50建模。II型轴承通过mu;SI= 0.16，mu;K=mu;SP= 0.15建模。弹性体轴承的刚度通过弹性体有效明显的剪切模量计算得到，基于足以引起混凝土滑动的应变水平而得到的实验数据，近似585 kpa(85 psi)，乘以轴承的面积并除以橡胶总高度(h rt)。I型轴承的单调和循环测试显示了对于大型立式轴承力和大量级轴承移动的可靠弹性行为。II型轴承同样显示了可靠的滑动行为；然而，当顶板位移过大，这些轴承表现出不稳定的行为，且需要越来越大的力量来重定位轴承。这种不稳定性被认为是轴承快速移动导致自身脱离结构，如图3(b)所示模型将失效。这种反应对不利于准隔震，在4.1节将进一步详细地讨论。
2.4.单向固定元素的校准
放置在每一个弹性支承上的保持器，在实验测试中表现出弹塑性行为。失效形式包括局部混凝土破碎(主要是对于较大的螺栓)和随后产生的螺栓拉剪失效。非线性的单轴向模型，通过跟随弹塑性响应而来的初始差距和极限位移后的失效准则确定。当前设计规范规定，保持器的间隙应该应为3.2毫米(0.125英寸)；然而实验表明，分析时应假定一个额外的7.6毫米(0.3英寸)差距，因为保持器上过大的螺栓孔会导致螺栓和保持器孔洞边缘之间产生额外的空间，并且保持器的瞬时接触不会产生力的增加。保持器强度的IDOT设计方程被发现能预测保持器极限承载能力，
P RET—EXPECTED=psi;0.8AbFu （1）
其中Ab是名义上的锚固螺栓面积，Fu是极限受拉强度，psi;=1表示荷载没有减少。模型的弹塑性刚度分别为EE = 790MPa(115 ksi)和EP = 57MPa(8 ksi)，极限屈服强度的比率P RET_EXPECTED / P RET_Y = 1.80，是基于实验数据的平均值。实验使用的螺栓经挂片测试显示最终的材料强度F u = 530 MPa(77 ksi)。模型是基于所有可用的数据，静力弹塑性分析显示了与实验数据良好的相关性，如图4(a)和(b)所示。本文中描述的参数分析，额定容量和材料特性贯穿始终(如锚
固螺栓Fu = 415 MPa(60 ksi))。
2.5.双向固定轴承元素的校准
型面刚度不大的钢轴承，如图5所示，安装在中间基础，以防止桥面由于维修荷载带来的整体运动。这些轴承通常安装在3.2毫米(0.125英寸)弹性氯丁橡胶平垫上并用螺栓连接底座。钢螺栓和钢销设计，使用相同的方程以提供等于轴承的静荷载的20%的容量；然而，由于钢销通常受限于最小直径32毫米(1.25英寸)，锚固螺栓作为是关键部件，在大部分桥梁结构中该组件将会失效。钢销和锚固螺栓的非线性弹塑性变形，轴承部件和底座之间的摩擦，也是固定支座模型的重要的考虑因素。一个新的双向元素被创建来模拟钢组件的弹塑性屈服和断裂，并且可以加上如本文2、3节所示摩擦元件，来掌握所有重要的轴承的行为。如图6（a）所示的模型示意图 显示了一个高峰，这基于伊瓦拉等人关于一个预定义的弹塑性包络线带来的变量缩放的研究。
模型被之前研究的实验数据以及伊利诺伊大学最近的测试验证了 。图6(b)显示了计算模型与正在进行的实验的实验数据进行对比验证，以及进行进一步的研究来确定固定轴承在桥上系统的影响。
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