中等地震区常规梁桥抗震性能研究
Aacute;daacute;mZsarnoacute;czay;Laacute;szloacute;Gergely Vigh;和Laacute;szloacute;Peacute;terKollr
摘要：中等地震活动区大部分连续梁桥是在引入现代抗震规范之前设计的，规定了这种结构的抗震设计验证。本研究的目的是通过参数研究来调查匈牙利典型连续梁桥的抗震性能。设计空间由一组八个参数描述。超过10,000个桥梁原型的设计不需要任何地震验证来模拟传统桥梁的设计。然后使用详细的有限元模型的模态响应谱分析来评估每个原型的地震性能。结果突出显示了桥墩和轴承的脆弱性，并且暗示上部结构在中等地面运动强度下不会失效。短墩和大跨度的长桥表现出最差的性能，特别是如果纵向轴承的轴承数量很少。这表明纵向地震动分量对整体响应的影响很大。根据调查结构的公平性，建议对中等地震区类似桥梁进行详细检查和加固。DOI：10.1061/（ASCE）BE.1943-5592.0000536copy;2014美国土木工程师学会。
作者关键词：连续梁桥; 中等地震活动; 抗震设计; 参数研究; 性能分析。
介绍
地震工程专业知识在上个世纪的下半年显着增加。这导致了经常更新的建筑规范以及对地震危险本身的更好理解，包括预期的地震危险强度。现行标准[欧洲标准化委员会（CEN）2008a, b; 建筑地震安全委员会（BSSC）2009]即使在过去被认为是低或中等地震区域的地区也规定了抗震设计。在这些区域中考虑地震危险和不考虑地震危险的情况下，建筑物的性能之间存在很大差距（Ramanathan等人2012）。有关北美洲这些桥梁的抗震性能的详细研究（Dicleli和Bruneau 1995年），美国中部和东南部（CSUS）（Choi等人2004年; DesRoches等人2004年; 尼尔森和 DesRoches 2006, 2007; Padgett和DesRoches 2008）和加拿大（塔瓦雷斯等人2012），但是，根据文献，欧洲没有类似的研究。本文介绍的工作集中在匈牙利的桥梁设计。通常情况下，除了过去十年建造的桥梁之外，更长或更重要的桥梁不能承受地震的影响。
整个上个世纪，匈牙利一直被认为是低地震活动的地区。这是在以前的匈牙利规则中（匈牙利 Uacute;tuuml;gyiTaacute;rsasaacute;g2004年）工程师不必采取地震考虑到普通建筑物和桥梁的设计。特别是梁桥的抗震设计仅适用于跨度超过50米的结构，而不考虑其他特征，以及通常更相关的特征。此外，该标准规定，设计应以公认的地震工程原理为基础，但未进一步详细说明。这种模糊的要求导致几座桥梁的抗震设计不合适。
最近匈牙利两个重要的抗震设计变化因素发生了改变。首先，欧洲规范8-1和8-2（EC8）（CEN 2008a, b），这是欧洲结构和桥梁抗震设计标准，已经在欧盟取代了国家地震规定。根据EC8，抗震设计现在适用于欧洲中度和高度地震活动区域的每座新桥。其次，Georisk地震研究所最近修订了匈牙利的峰值地面加速度（PGA）地图（Toacute;th等人2006年），并得出结论认为该国处于中等地震活动区域，PGA值在0.08-0.15g范围内（例如，与美国东海岸相似）。这也导致PGA值的显着增加提高了工程师的地震意识。
地震工程经验有限的土木工程师经常认为，设计一个抗地震结构必然会带来相当大的增加成本。这种信念源于目前的做法，其中包括抗震性能评估作为设计过程结束时的一个孤立的验证步骤，这种方法通常会导致关键结构构件（如桥墩）的横截面面积显着增加。识别影响抗震性能的设计参数可以帮助工程师进入概念设计阶段，并最终实现更经济的结构设计。这就要求工程师对桥梁地震反应的控制参数有一个很好的理解。
问题陈述和方法
这项研究确定了以下主要目标
bull; 对常规连续梁桥进行参数敏感性分析；
bull; 确定不同结构参数对被检桥梁抗震性能的影响;
bull; 注意对地震影响敏感的桥梁组合，并强调其弱点；
bull; 为在桥梁抗震设计方面缺乏经验的工程师提供设计建议。
研究中的每个桥梁配置由一组参数描述。这些参数跨越多维空间，其中每个点代表桥梁配置。尽管该研究的参数空间描述了匈牙利典型的连续梁桥，但它也代表了欧洲的一般连续梁桥。连续的参数空间被离散化以定义无数桥梁构造以供进一步调查。参数空间中的敏感区域是通过分析大量桥梁配置而找到的。
以下程序评估桥梁对地震的敏感性：
bull; 每座桥梁根据现行欧洲标准（Eurocodes）设计，但未考虑抗震设计规则，就好像桥梁处于非地震区域一样。这被称为最终极限状态（ULS）设计。（结构元素的详细设计在传统桥梁设计一节中进行了说明）。
bull; 对每个设计结构进行三维线性模态响应谱分析。这些结构被认为只具有有限的延展性，因此是（q）1.5的一个行为因子被应用。
bull; 考虑到超过桥墩，支座和上部结构的极限强度的可能性，基于线性分析的结果，对于每个构件和整个结构来确定PGA（MAPGA）的最大可接受水平。
bull; 基于它们相应的MAPGA水平比较结构构造。
在ULS设计中，结构构件上的内力通过EC8中的以下荷载组合程序进行计算：
(1)
其中Ed，ULS=由其各自的psi;0,i因子（psi;0,i=0.6风荷载和1.0交通荷载）减去重力特征值（Gk）载荷与带（交通和气象）载荷（Qk,i）之和Qk,1是主要的偶然载荷，应选择对所考虑的结构构件提供最不利的影响。
该评估考虑了通过应用行为因子设计用于弹性行为的桥梁的有限延性，q =1.5。这种方法由EC8推荐考虑与理想弹性行为的微小偏差以及由此产生的非线性响应和滞后能量耗散。请注意，EC8并不要求在这些结构中形成力平台的全局力-位移特性。由于设计的桥梁没有配备特殊的消能装置，它们的桥墩是地震过程中大部分能量耗散的主要原因。这些桥梁的桥墩加固通常对于循环荷载下的延性行为是不足的，因此桥墩预计不会有超过其弹性极限的额外承载能力。因此，作者认为应用行为因素提供了一个很好的近似值。
被检桥梁的承载能力比匈牙利实际PGA水平更低的MAPGA限制的桥梁缺乏所需的能力相比需要加强，符合EC8要求。这些结构突出显示从设计过程的开始就可以从抗震性能的角度对其进行识别、设计或加强。提出的方法对于参数研究是有利的，因为非线性分析会计算限制所研究的桥配置的数量。由于本研究集中在准弹性结构上（即延展性有限），绝大多数来自非线性分析的附加信息不会用于结果评估。虽然模态反应谱分析通常用于新桥的设计，但在此强调，建议执行非线性响应历史分析来设计现有结构或新桥非线性元素的加强。这种先进的分析可以考虑材料和连接非线性以及上部结构碰撞的结果。结构参数可以更准确地描述（Simon和Vigh 2013），因此结果不确定性的显着降低正好满足了非线性分析增加的资源需求。
结构参数空间
为了估算匈牙利典型桥梁构造的参数空间，信息来自匈牙利领先的工程设计公司在过去二十年中建造的桥梁上收集的信息。组装的数据库包括跨度的大小，总长度，桥墩高度，上部结构类型和几何形状。数据给出了参数空间的一个很好的近似值，并将一般问题缩小到可行的大小。
类似于CSUS（Choi等人2004年）和加拿大（塔瓦雷斯等人2012）绝大多数（＞90%）的匈牙利桥梁都是大梁，但与北美不同，其中大部分是连续梁桥，跨度很大。因此，本研究仅限于连续梁桥的分析。与职业工程师协商并分析上述数据库，得出选择8个参数来描述各个桥梁的配置。表1中总结了参数它们各自的范围。图1显示研究中考虑的每个上部结构的横截面。跨度大小和桥墩高度在桥上是一致的，只有上部结构宽度为14米的公路桥被评估。
而不是以统一的密度离散完整的参数空间，重点是从具有令人关注的结果的区域选择更多的配置。这导致了参数空间关键区域的充分密集的离散化对10,000座桥梁配置的分析。
表1.连续梁桥的结构参数空间
|
参数 |
最低限度 |
最大 |
|
跨度（m） |
5 |
140 |
|
跨度数 |
2 |
9 |
|
桥墩高度（米） |
5 |
50 |
|
桥墩数量 - |
1 |
8 |
|
上部结构连接 |
||
|
约束纵向 |
||
|
上部结构运动 |
||
|
墩的加固比 |
0.5 |
2.5 |
|
（百分） |
||
|
桥墩的比例 |
1:1 |
1:3 |
|
矩形横截面 |
土壤刚度（Winkler模量）（N = m3） 1010 1013
上部结构 见图
传统的桥梁设计
一旦选择了桥梁构造，评估过程的第一步就是桥梁的设计，而不考虑地震运动的影响，这是通过由Zsarnoacute;czay开发的算法完成的（2010）。为了在可用计算资源的限制范围内设计10,000个桥，必须在以下小节中进行一些简化。
上部结构近似法
详细的上部结构设计需要大量额外的输入数据，这会给问题带来显着的复杂性。请注意，这种额外的复杂性通常是不必要的，因为在中等地震活动区域，桥梁上部结构的地震需求低于容量。桥梁的变形在很大程度上取决于上部结构的质量和刚度，因此采取了一种近似的方法，只集中于这些属性。每个上部结构类型的横截面尺寸（图1）被描述为跨度大小的函数。这些功能是使用现有桥梁上的数据通过多项式回归进行的。根据匈牙利桥梁常用结构材料的横截面数据和性能计算上部结构质量和惯性矩。钢筋混凝土截面为C30 / 37级混凝土和S500B级钢筋，S355级钢筋用于钢筋截面。
跨度长度对上部结构静载的影响如图2所示为六种上部结构类型。适用于每个上部结构的跨度范围都基于匈牙利的桥梁建造实践; 曲线并不表示可实现的跨度，而是实际的现有尺寸。图解说明跨度的增加如何导致更重的上部结构类型被更轻的结构取代。对于图1和图2中的不同上层结构类型，在水平和垂直轴周围的上层结构的弯曲刚度发生了变化分别如图3和图4。请注意，如果混凝土未破裂，那么混凝土桥梁在钢筋尺寸相同的情况下比钢筋明显更硬。还要注意六种上部结构类型中垂直轴附近的弯曲刚度的巨大变化。这些刚度差异使结构对地震运动的响应具有显著的影响。
桥墩设计
桥墩主要由欧洲的RC制成; 其设计受欧洲规范2（EC2）（CEN 2005）。由于桥墩在地震运动方面是桥梁中最敏感的部件之一，因此其设计不会简化。每个桥墩被认为是同时承受轴向载荷，剪切和双轴弯曲的矩形柱。轴向载荷与弯矩之间的相互作用是设计的基础。在纵向和横向两个方向上借助弯矩-轴向载荷（M-N）相互作用曲线来评估墩容量。根据这两个方向，两个方向之间的相互作用，二阶矩和几何缺陷也被考虑在EC2规范内。Zsarnoacute;czay的工作介绍了这些计算的细节（2010）。
开发的设计算法在可能的情况下使用空心截面。维护要求限制每侧约2m的空心截面的最小尺寸。因此，在大约13-25米的墩高处引入空心截面，这与实际设计相符。
图1.本研究的匈牙利连续梁桥的典型上部结构
图2.连续梁桥不同上部结构的恒载作为桥跨的函数
图3.不同上层结构在水平轴附近的抗弯刚度; 注意对数刻度
图4.不同上层结构的垂直轴附近的弯曲刚度; 注意对数刻度
上部结构-桥墩连接
梁桥的第三个重要组成部分是桥墩和上部结构之间的连接。上部结构和桥墩并不总是通过轴承连接（特别是在钢筋混凝土桥梁的情况下）并且关于这方面的实际设计特征的信息非常有限。Nielson和DesRoches（2006）认为这种连接的刚度对简单支撑桥梁的行为有显着的影响，但根据Dicleli和Bruneau（1995）的研究，随着跨度的增加，这种效应迅速消失。在对所研究的桥梁进行建模时，匈牙利设计实践中的常用方法是使用在给定方向上具有零刚度的固定连接（轴承）或滑动连接（轴承）。这个近似方法在本研究中被采用。
市场上有多种类型的轴承，为设计人员提供了大量的选择方案，以满足他们的特定需求。另外，可以使用几种解决方案来详细说明轴承附近的情况。这些增加了设计的重大复杂性。为了避免这种困难，连接不是直接设计的，但是它们从最终极限状态（ULS）分析中所需的能力被计算并与地震需求进行比较。这就提供了关于如果不考虑非线性行为的情况下所设计的连接将能够抵抗的最大可能的地震强度的信息。
基台被建模为1米高的桥墩并滑动连接到上部结构。基台支撑应该是非常坚硬的。这符合连续梁桥线性模型的设计实践。
其他结构构件
之前没有提到的结构构件（如延伸节点）没有详细设计，但应该具有
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