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基于性能的悬索桥抗震分析与设计
Serafim Arzoumanidis, Ayman Shama and Farhang Ostadan
帕森斯公司，美国纽约百老汇100号，邮编：10005
伯克德公司，美国旧金山比尔街50号，邮编：94105
摘 要
本文介绍了华盛顿新建的一座大型悬索桥——塔科马海峡大桥的抗震性能分析与设计。该项目包括制定设计准则，对设计进行广泛的分析和验证。分析采用了包括几何非线性和材料非线性在内的详细三维模型。利用应力、变形和延性准则，确定了目标震后服务水平。由于缺乏完善的标准，将塔轴的结构响应与特定的性能水平相联系，进行了能力分析，以证明设计满足性能目标。在整个设计过程中，对该桥的抗震分析与设计进行了回顾。一个独立的检查团队也对设计进行了单独的分析和验证。因此，这座桥构成了一个大型设计项目的例子，其中基于性能的抗震设计程序经过严格的评估。研究表明，基于性能的抗震设计方法是一种适用于抗震结构设计的方法，需要将结构响应与性能目标联系起来的进一步数据。
版权所有：2005约翰威利父子有限公司
关键词:悬索桥 基于性能的抗震分析与设计 沉箱
目录
摘要 1
1 概述 3
2 桥梁概况 4
3 性能目标 7
4 设计标准 8
5 总体分析模型 9
6 模型分析 13
7 瑞利阻尼 13
8 地震响应分析 15
9 设计验证 18
10 结论 24
致谢 25
参考文献 25
1 概述
基于性能的抗震分析与设计为设计具有可测结构响应大小的结构提供了方法，使结构具有特定的强度、刚度和耗能能力的抗震体系。这种抗震设计方法包括以下步骤:
- 选择地震后服务的性能目标。
- 为符合理想的总体性能目标的结构部件和系统制定应力、变形和耗能设计准则。满足表示最低容许水平的标准是实现性能目标的必要条件。
- 通过结构分析和评价所有结构部件和系统的响应来验证设计。
桥梁业主决定所需的服务水平。许多现有桥梁的最低设计标准是生命安全。对于关键的运输环节，经常需要在安全评定地震等级(SEE)之后立即提供最高水平的全面服务。
性能目标可以通过控制各种结构部件和系统的永久偏移量以及损坏程度(最小、可修复、显著性)来实现。它们是通过设置详细的应力、变形和延性要求而建立的。这一步包括工程解释，需要理解结构的行为。实验结果和实际桥梁性能数据对确定合理的设计准则具有重要的参考价值。
通过建立计算机模型，计算应力和变形需求，并根据设计准则进行评价，证明了设计的充分性。详细的能力分析可用于验证非一般构件的设计，这些构件的结构响应与性能目标之间没有可靠的数据。
新塔科马海峡大桥的地震分析和设计，这个设计建造项目，它是一个遵循基于性能的地震分析和设计的大型结构的例子。通过对构件能力的详细分析，可以证明这些标准可以实现满足性能目标的设计。业主和承包商的工程师审查了这项工作，此外，一个独立的团队进行了独立的分析，以检查设计。因此，基于性能的设计方法已经在一个已经成功进入施工阶段的设计项目的情况下实施。本文讨论了基于性能的地震分析与设计的应用经验和结论。
2 桥梁概况
新塔科马海峡大桥(图1)与现有桥梁平行，正在向南115英尺处施工。它将在吉格港和塔科马之间的SR-16高速公路上东行三条车道:两条10英尺的肩线和一条10英尺的人行道。该结构是一座5400英尺长的悬索桥，主跨度2800英尺，塔科马一侧的侧跨1200英尺，吉格港一侧的侧跨1400英尺。
上部结构为23.5英尺深的钢桁架，带有与上弦杆为整体的正交异性桥面板，作为道路和上部横向系统。主缆直径20.5英寸，由19股464根钢丝组成，它们通过中心拉杆与跨中的加劲桁架连接，从而提供了一种抵抗作用于桁架上的纵向力的方法。支承上部结构的是8个摇臂连杆，每个主塔2个，每个锚碇2个。加劲桁架两侧各有一对滑动支座，在塔和锚碇处横向支承。
两座505英尺高的钢筋混凝土塔(图2)由14英尺宽的塔柱组成，塔柱截面纵桥向尺寸从底部的29英尺变化到塔顶的19英尺。除了从主塔底部到桁架上弦杆顶的14英尺宽的边是4英尺厚，塔壁的厚度是2英尺。
塔由深钢筋混凝土沉箱支承，沉箱截面130英尺times;80英尺，其中包括15口疏浚井，外壁4英尺，内壁3英尺。沉箱的底部78英尺被包裹在一个钢制的外壳中，底部18英尺形成了刃边。主缆锚碇为重力式结构，平面尺寸116英尺times;151英尺。
图1. 塔科马海峡大桥——跨中标高和截面
这座桥的设计是为了适应公路或轻轨交通的未来低水平配置。桥梁的主要构件，如沉箱、塔、锚碇和桁架，是为目前的高水平配置(ULC)以及未来低水平配置(FLLC)对结构施加的附加荷载而设计的。概念细节是为适应FLLC而开发的。
主塔
承台顶高程17.5
下横撑顶高程153.0
摇臂连杆
横向支座
中横撑顶高程347.5
上横撑顶高程492.0
塔顶高程504.65
桥轴
图1. 塔身高程、侧视图及底部剖面图
3 性能目标
性能目标是根据两种地面运动水平的允许损伤确定的:
- 对于较低的功能评定地震等级(FEE)，对应于重现期为100年，震后目标服务水平为完全可服务性，不存在任何结构构件的损伤或永久偏移。
- 对于较高的安全评定地震等级(SEE)，对应于重现期为2500年，
理想的震后服务水平是立即可使用，除非需要部分关闭以修复可能损坏的伸缩缝。损伤等级的详细描述指定了在SEE作用期间每种桥梁构件可能承受的损伤。
无损伤被定义为完全正常使用，它是锚碇、加劲桁架构件、主梁、桥面构件和缆索系统的结构构件所必需的。
最小损伤定义为地震后的轻微非弹性响应，其损伤仅限于混凝土的窄裂缝和次级钢构件的不重要屈服。如果不超过应变极限，且不妨碍立即使用桥梁，则可能发生永久的地基偏移。沉箱要求发生这种程度的损坏。
可修复损伤定义为混凝土开裂、钢筋屈服、保护层混凝土轻微剥落和结构钢轻微屈服引起的非弹性响应。必须限制损伤的程度，使结构恢复到地震前的状态，而不需要更换除次级加筋桁架单元外的钢筋或结构构件。修理或更换不需要中断交通。桥塔、桁架横向系统、支座和剪力键可能最多承受“可修复损伤”。
显著的损伤被定义为混凝土开裂和严重剥落、钢筋屈服和需要封闭修复的小型桥梁构件的变形。可能需要部分或全部更换次级元件。永久的偏移可能发生在地基以外的部分，但倒塌的风险是最小的。桥梁的伸缩缝可能造成“严重的损坏”。
4 设计标准
针对每个地面运动水平，建立了与两个地面运动水平的期望性能目标相对应的设计准则。这些最低验收标准确定了性能目标的实现。准则是根据需求能力比(D/C)或应力、应变、曲率、位移和地基沉降的绝对极限值确定的，如下所述。
功能评定地震等级：
- 钢构件应力限制：对于所有钢构件，D/C比均限制在1.0。
- 混凝土构件应变限制：
对所有钢筋混凝土构件混凝土应变限制在0.004；
钢筋应变限制在0.015。
- 位移和地基沉降限制为0。
安全评定地震等级：
- 钢构件应力限制：D/C比限制在1.0，对于底部横向系统，D/C限制为1.5。
- 混凝土构件应变限制：
对于钢筋混凝土塔单元和预应力混凝土塔单元，允许的混凝土应变被限制为极限应变的75%，极限应变由约束混凝土的曼德尔关系决定[1]。
主塔钢筋的极限应变和允许应变限制如表1所示。
表1 钢筋和位移/沉降限制值
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钢筋 |
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主塔#11、#14和#18钢筋 |
0.08 |
0.05 |
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主塔#10及更小钢筋 |
0.12 |
0.06 |
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主塔螺旋筋和#8及更小拉筋 |
0.12 |
0.05 |
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位移/沉降类型 |
纵桥向 |
横桥向 |
竖桥向 |
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泥浆线与沉箱顶部之间位移 |
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- |
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沉箱顶部与塔顶之间位移 |
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沉箱顶部与泥浆线之间位移 |
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锚碇位移 |
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沉箱沉降 |
- |
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- 位移和地基沉降限制如表1所示。
- 曲率延性限制：
塑性区截面处的最小曲率延性应大于或等于4.0，其中为与对应截面的极限曲率，为截面的屈服曲。
5 总体分析模型
采用ADINA中的三维模型(图3)，采用两点索单元、梁单元和板单元进行总体需求分析。仅承压桁架单元表示支座。
采用一类梁单元对主塔进行建模，考虑了混凝土开裂和钢筋潜在屈服引起的非弹性行为。这些单元具有非线性弯矩-曲率(M-C)和扭矩-扭转角(T -ф)关系(图4)。需要两组M-C曲线，一组为塔的横向响应，另一组为塔的纵向响应。这些关系随轴向力的大小而变化。轴向力的变化与弯矩曲率曲线族相结合，定义了每个单元的相互作用面。当累积塑性曲率达到极限曲率时发生断裂。采用XTRACT[2]程序计算了M-C和T-ф曲线，该程序利用约束混凝土的曼德尔应力-应变关系来模拟约束混凝土的行为。这种类型的单元允许计算由于混凝土开裂和塑性区形成而变化的主塔刚度，随着施加的荷载的增加，塑性区逐渐扩大。采用几个小长度单元来捕捉水平轴上下塑性铰区曲率的快速变化。
沉箱模型(图3)由表示沉箱脊梁的弹性梁单元、具有弹塑性材料特性和间隙特征的刚性连杆和桁架单元组成。沉箱的质量经过了调整，以适应它们淹没在塔科马海峡的水里。附加(水动力)质量[3,4]分布在沉箱深度上，如图5所示。沉箱底部的刚性连接采用蜘蛛形结构，包括25个桁架单元，一端与沉箱连接，另一端与刚性边界面连接，边界面由地面运动激发。桁架单元代表了土与沉箱之间的相互作用。类似地，两个牵引桁架单元，每个水平方向一个，模拟沉箱基础和下垫土之间的摩擦行为。沉箱侧壁与周围土体的相互作用采用与沉箱底部相似的支腿刚性连接单元和土-结构相互作用单元进行建模。每个支臂上的牵引元件表示在切向和垂直方向上的摩擦力。这种类型的建模捕捉了沉箱由于土壤压缩、沉降和/或沉箱基座与下垫土之间的分离而产生的摇摆和滑动。它还捕捉到沿侧壁可能形成的缝隙。
采用EMI[5]对沉箱与周围土体的三维有限元模型进行基准推倒分析，确定了土-土相互作用单元的性能。对沉箱和土壤进行了模型试验。采用弹塑性本构关系模拟了沉箱与土体的本构关系。对以集中土-结构相互作用单元为代表的土体进行了反分析。通过反复试验，将支承在土-结构相互作用单元上的沉箱的响应与基准解的响应进行匹配，对土-结构相互作用单元的性能进行了微调。
土弹簧
间隙单元
参与质量
细节A
图3. 三维有限元模型
图4. 不同轴向荷载水平下塔柱横桥向弯矩-曲率关系
图5. 沿沉箱高度的典型水动力质量分布
6 模型分析
在包含沉箱振动的模态中，质量参与比较高。沉箱的振动发生在低频，这种运动对塔体和整个桥梁的响应起着重要作用。沉箱也在高频的上下(跳跃)或滑动模态中振动，其振幅较小，因此对整体响应的影响较
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资料编号：[787]
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