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冲刷效应对钢筋混凝土桥梁地震反应的影响
王正华，莱昂纳多·杜亚斯-奥索里奥，杰米·帕杰特，莱斯大学，得克萨斯州休斯敦，美国
美国德克萨斯州休斯敦莱斯大学土木与环境工程系
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收到 2013 年 9 月 27 日
修订版 2014 年 6 月 13 日
接受 2014 年 6 月 17 日
可上网查阅 2014 年 7 月 31 日
关键词：地震 冲刷 多重危害 钢筋混凝土桥梁 动态行为 易碎性 改装
摘要：洪水冲刷是造成桥基侧向支撑损失的一种常见现象。 然而，在评估桥梁在地震荷载作用下的预期反应时，通常忽略冲刷的影响。 本研究量化了冲刷对钢筋混凝土(RC)桥梁动力行为和抗震性能的影响。 此外，本研究调查了潜在的结构设计方案，以减轻地震暴露在冲刷条件下的破坏
由于前几个振型所对应的结构周期随冲刷深度的增加而增加，研究发现不同类型桥梁的结构周期对冲刷深度的敏感性不同。 同时，桥梁的变化决定了冲刷对地震剖面脆性的影响是有利的还是不利的。 此外，冲刷还可能通过将损伤从柱传递到桩基而放大桥梁的潜在震害，或增加桥梁的震害减少甲板脱落的可能性。 在治理冲刷效应的策略上，本研究发现，增加基础刚度对减轻冲刷桥梁的震害是有效的，而增加基础深度的效果较小。 基础类型对冲刷桥梁的抗震性能影响较大。这项研究的发现可用于指导新桥梁的抗震设计或沿易发区交通网络现有桥梁的改造。
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1.导言
在过去五十年中，由于地震、洪水、车辆碰撞、飓风和船只碰撞等极端自然或人为灾害，美国大量公路桥梁坍塌。然而，极端灾害造成的故障严重地破坏了整个公路运输网络的功能，如1994年北岭地震或1997年北加州洪水所表现，造成了巨大的经济和人力损失。此外，洪水引起的破坏和地震是公路桥梁实际坍塌的最常见原因。美国的几个地区都有高地震和洪水，如西部的加利福尼亚，或者美国中部到东部的新马德里地震带和南卡罗来纳州地区[2]。但是，当前的桥架设计方法通常将每个危险视为单独和独立的事件。因此，有必要对公路桥梁的抗震行为进行调查。
在易涝区，冲刷会导致桥梁地基容量下降，进而影响桥梁的动态行为和抗震反应。自从1987年因洪水引起的冲刷而在纽约州肖哈里河上的州际公路桥坍塌以来，联邦公路管理局要求各州确定可能出现冲刷问题的公路桥梁. 冲刷被定义为桥梁等结构基础周围的土壤水引起的侵蚀，主要可识别三种形式：（1） 长期凝固和退化，（2） 收缩冲刷，（3） 局部冲刷。本文重点介绍了桥柱周围的局部冲刷，因为它已被证明是最有效的冲刷形式之一。局部冲刷是由水流加速引起的，以及由于地基的流量阻塞引起的涡流，通常形成冲刷孔。这些退化的条件可能恶化结构在其他要求下的性能，特别是地震载荷。
长期以来，仅地震灾害下的公路桥梁的脆弱性就进行了长期调查[7~13]。然而，到目前为止，已经进行了相对薄弱的研究，以调查公路桥梁在地震和冲刷灾害的综合影响下的脆弱性。戈恩等人 [14] 调查的公路桥梁遭受地震和冲刷危险的荷载组合是基于Ferry_Borges模型与蒙特卡洛模拟。但是，他们使用了简化的桥柱弯曲模型和一个简单的故障-尿极限状态方程（柱过度倾斜），可能无法捕获桥和地基系统的复杂地震行为。最近，王等人[15]。提出了一种在地震和冲刷灾害的综合影响下为桥梁开发脆弱表面的方法。他们发现，由于大型桩盖的动态效应，这些桩也有潜在的故障风险，因为冲刷深度会增加风险。此外，班纳吉和普拉萨德[2]分析了公路桥梁与地震和冲刷灾害的综合影响，通过脆弱表面的方法，分析的风险，发现冲刷增加了RC桥梁的地震脆弱性。倾向于设计，阿利普尔等人。研究了钢筋混凝土桥梁冲刷和地震危害组合的负荷因子，通过比较冲刷和地震引起的联合失效概率与可接受的故障概率来确定冲刷载荷因子。然而，桥梁故障也只能由地震灾害引起，而不仅仅是联合事件，这一事实被忽视了，低估了桥梁在地震和冲刷灾害的综合影响下的失败概率。相关研究探索了在实际载荷和阻力系数设计（LRFD）方法中处理联合地震和冲刷灾害的脆弱表面卷积方法，发现所注意到的概率低估可能有很大的对冲刷负载系数的影响 [16]。
所有已描述的研究主要集中在桥梁柱的响应上。 然而，对桩基的地震响应和其他破坏机制（如桥面脱座）的研究较少，这些破坏机制可能会显著地导致桥梁系统在多种危险下的脆弱性。 此外，大多数研究表明冲刷增加了桥梁柱的抗震需求，从而增加了桥梁柱的破坏概率。 无论如何，冲刷的同时可以增加地基的柔性，只要不发生冲刷，就能减小地震引起的惯性力[14]。 此外，不同型式的钢筋混凝土桥梁的几何特性和动力特性是不同的，冲刷对桥梁的影响也是不同的。 因此，有必要研究冲刷对不同类型桥梁地震反应的影响，考虑不同的构件和破坏模式以及不同的几何特征。
本文的目的是研究局部冲刷对钢筋混凝土桥梁动力特性和抗震性能的影响，特别是针对以往研究中尚未深入研究的构件和破坏模式，如桩基和上部结构的拆除。 几种钢筋混凝土桥梁（如整体墩连续箱梁桥，多跨简支混凝土梁桥，多跨连续箱梁桥等
以混凝土梁桥为例，分析了冲刷对钢筋混凝土桥梁动力响应的影响，并对洪水易发区钢筋混凝土桥梁结构设计方案进行了探讨。
本文的工作安排如下: 第二部分介绍了钢筋混凝土桥梁的实例研究和有限元建模方法。 第三部分研究了冲刷对钢筋混凝土桥梁动力特性的影响，第四部分分析了冲刷对钢筋混凝土桥梁不同破坏机制脆性的影响。 明确了地震和冲刷复合灾害对钢筋混凝土桥梁破坏的潜在原因。 第五节探讨了减少地震易损性和桥梁冲刷效应的措施，并比较了这些措施的效果。 最后一部分为未来的研究提供了结论和方向。
2. 案例研究的桥梁和建模方法
2.1. 桥梁描述
这里使用的案例研究桥梁是钢筋混凝土。 第一类桥梁的例子相当于典型的整体式桥墩的单框架混凝土箱梁桥，这是加利福尼亚最常见的桥梁类型之一，由 mackie 和 stojadinovic [17]提出，按照 caltrans 地震设计准则设计[18]。 这些桥梁有一个单柱弯曲与均匀的圆形截面超过完整的立柱高度以上的地面，继续成为一个整体式 i 桩轴基础[17]。 桩身长度假设为地基上立柱长度的1.75倍。 这座桥的上部结构是两个等长的混凝土箱梁。 采用典型的3车道(设计车道宽度3.6 m)4格箱梁，宽度为11 m。单框架箱梁桥的布置如图1所示。 所有三种桥梁的尺寸都列在表1中。 根据国家桥梁清单数据库[19]的统计分析和桥梁设计实践，考虑了每种类型(即小跨度和中跨度)的两座桥梁，并选择了钢筋混凝土桥梁的尺寸。 尼尔森[20]确定的 msss 混凝土桥梁是美国中部和东部最常见的桥梁类型之一。 基台为座式现浇混凝土桩。 I-girders 支撑在弹性体轴承垫上，在弯曲处和座椅基座处。 在桩柱方面，本研究采用长12.2 m 的混凝土桩，桩端和桩身截面面积分别为0.46 m 和0.46 m。 在对国家桥梁清单数据库进行统计分析的基础上，选择了混凝土桥梁的最大跨径长度和引桥跨径长度。 第三种类型的桥梁实例是典型的新近设计的带混凝土桥面和多柱支架的 msc 混凝土梁桥，如图3所示。 混凝土梁在内部支架上是连续的。 I-girders 支撑在弹性体轴承垫上，在弯曲处和座椅基座处。 根据对1990年以后在加利福尼亚建造的 msc 混凝土梁桥计划的审查，最大跨度(lm)与引桥跨度(la)的比值为1.4。 根据 nbi 数据库[19]的统计分析，选择了 msc 混凝土桥梁的最大跨径长度和柱高。
2.2. 桥梁建模方法
使用 opensees 软件[22]对桥梁在地震荷载和冲刷作用下的非线性动力分析。 在桥梁有限元模型中，上部结构采用等效弹性梁柱单元建模，而混凝土和桥柱、竖井基础、桩基础的钢筋采用纤维截面分布塑性单元和适当的本构模型。 每个柱用几个基于位移的梁柱单元离散，特别是在塑性铰区域。 将每根桩离散成若干长度为1m 的基于位移的梁柱单元，用 opensees [22]中的“ concrete 02 material”模拟了约束混凝土和无约束混凝土的受力性能，该模型能够反映混凝土的抗拉强度和线性拉伸软化。本文采用能量平衡模型[23]建立了约束混凝土的应力-应变关系，预测了混凝土在横向钢筋第一次断裂时的纵向压应变，无约束混凝土强度为33.5 mpa。 钢筋被模拟为一个双线性材料使用 opensees“ steel01材料”[22]。 假定钢筋屈服强度为466 mpa，弹性模量为200克。在经验观测和理论分析的基础上，有许多桥台模型的例子可用于桥梁分析研究。 这些模型可以分为两大类。 第一次尝试通过简单地提供一个滚筒支持，以最大限度地提高柱需求模型对接属性。 第二类采用弹簧单元和间隙单元模拟桥台结构和土体系统的性质。 两类桥台的相对刚度差异显著地影响了整体桥梁的响应。 由于桥台在地震中可能发生破坏，是否应将桥台包括在抗震模型中，目前仍存在争议。 对于箱梁桥，采用了 mac-kie 和 stojadinovic [17]所描述的滚筒支承模型。 允许桥梁纵向和横向的自由度和转动，同时在横向连杆的两端安装竖向约束。 针对 msss 混凝土桥和 msc 混凝土桥，采用非线性滞回弹簧模拟桥台与土体在主动、被动和反向作用下的相互作用，以及桥台与桥台之间的碰撞。 这些弹簧的滞回性能是基于 niel-son 和 desroches [10]建模的，其建模方法是基于过去的测试数据[24,25]验证。 采用双线性模型对弹性支座的非线性滞回特性进行了模拟。 双线性模型的初始刚度取决于弹性支座的面积、弹性体的剪切模量和弹性垫的厚度，这些因素在不同桥梁中是不同的。 模型的屈服力(fy)等于 ln，其中 l 是摩擦系数，摩擦系数由公式决定。 (1)其中 rm 为弹性体上的法向应力，n 为弹性体上的法向力。
本文采用动态 p-y 方法模拟了土-结构耦合相互作用(ssi)行为，因为该模型能够明确地考虑 ssi 效应，同时保持了可接受的概率分析计算时间。 采用桩土界面 p-y 弹簧、 t-z 弹簧和 q-z 弹簧分别模拟土的侧阻力、轴向摩擦力和桩端承载力[26]。 将非线性 p-y 和 q-z 行为与弹性、塑性和间隙分量串联模拟，将非线性 t-z 行为概念化为由弹性和塑性分量串联组成。 P-y，t-z，q-z 曲线的主干在 boulanger 等人的文章[26]中有描述。 本文假定地基系统埋置在摩擦角为33。 土壤力学参数是根据杨等人的建议[27]为典型的土壤条件。 对于确定界面 p-y、 t-z 和 q-z 弹簧骨架力-变形曲线所需要的参数，可用方程计算出砂土的极限承载力。 (2)当量。 (5)根据美国石油协会(api)提供的建议[28]。 Eq 的小值。 (2)及 eq。 (3) p-y 材料的极限承载力。 P-y、 t-z 和 q-z 弹簧最终荷载50% 移动时的位移可用 api [28]提供的表格或图表计算。
在这些方程中，pu 为砂土的极限承载力(kn / m) ，c 为有效土重(kn / m3) ，hs 为土层深度(m) ，c1，c2和 c3系数由 api [28]确定为摩擦角的函数; D 为平均桩径(m) ，tu 为砂土的极限摩阻力(kpa) ，b 为中等密度砂土的无因次摩阻系数等于0.37[28] ; P00是有关深度的有效上覆压力(kpa) ，qu 是砂土的极限承载力(kpa) ，dq 是中等密度砂土的无因次承载力系数为50，这是 api [28]建议的平均值。 基础材料相对于结构刚度软化时的辐射阻尼是很重要的，辐射阻尼表示桩传递到土层的辐射应力波引起的能量损失，辐射阻尼由位于桩端的阻尼器模拟，该阻尼器具有 p-y 单元的弹性分量[29]。 弹簧的径向阻尼系数是桩径、土体密度和波速的函数，对于砂土[30] ，弹簧的径向阻尼系数为1% 。 本文还利用 mokwa [31]提出的群效率系数来衡量 p-y 弹簧的极限承载力。 在垂直方向上没有考虑群体效应，这与先前在可液化土壤中桥梁行为的研究一致[32]。 在 opensees 中，关于土-结构相互作用建模方法的补充信息是由 wang 等人提出的。 [33].
在桥墩受洪水冲刷的情况下，竖井基础或桩基周围的土壤被冲走，导致部分基础失去侧向支撑和与土壤的轴向摩擦力，进而引起基础承载力的显著变化。 考虑到侧向支承和轴向摩擦的损失，p-y 和 t-z 弹簧被移动到与从基础顶部测得的冲刷深度相等的深度。 本研究选取6个冲刷深度(h) ，分别为0、1、2、3、4、5m，覆盖大部分钢筋混凝土桥梁的预期冲刷深度，以探讨冲刷对桥梁抗震脆性的影响。
图1.两跨单框架箱梁混凝土桥梁布置图
表1.RC 桥的主要尺寸
|
桥 |
柱高（Hc）(m) |
柱径（D）（m） |
跨长（Lm）（m） |
|
|
单框架箱梁桥 |
单跨 |
7.5 |
1.6 |
18.3 |
|
双跨 |
10 |
2.0 |
36.6 |
|
|
MSSS 混凝土梁桥 |
单跨 |
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