一种判断桥墩抗震性能的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及建筑抗震安全性领域，具体涉及一种判断桥墩抗震性能的方法。
【背景技术】
[0002] 在城市防灾减灾的研究中，重要的一环是生命线工程的防灾减灾研究，其中特别 是交通线上的枢纽工程一一桥梁。历来的震害表明，桥梁墩、台破坏，严重的会使其支承的 上部结构也遭受严重的破坏。桥台自身的破坏较为少见，而桥梁工程中普遍采用的钢筋混 凝土桥墩，在历次地震中则大量遭受严重破坏。以1995年日本阪神地震为例，桥墩震害明 显。由于墩柱作为桥梁结构的主要传力构件，其破坏也会引起上部结构的次生震害，如上部 结构的碰撞甚至落梁等，所以桥墩是桥梁抗震设计的重点。
[0003] 我国抗震设计规范提出了小震不坏、中震可修、大震不倒的设计思想。工程设计中 如何判断结构的损伤程度需要有一个指标来衡量；对震后桥梁的安全状态进行判断，是维 修后继续使用还是拆除重建，也需要有一个决策指标。另外，桥墩作为桥梁抗震设计的关键 构件，研究其抗震性能，分析桥墩在地震作用下的变形过程和破坏机理也是一个需要分析 研究的基本问题。
[0004] 对结构进行有限元分析时，材料本构模型是决定计算结果合理性的核心问题。由 于混凝土材料结构组成和力学性质的复杂性，发展一种能够全面准确地描述混凝土各种力 学性质的本构模型就成了摆在实体有限元分析面前的困难。
【发明内容】
[0005] 为解决现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种判断桥墩抗震性能的方 法。该方法是基于微平面取向失效率来描述材料损伤状态的，应变率效应对该基于改进微 平面模型的截面剩余有效面积率这一损伤指标的计算结果没有影响，体现了该方法在考 虑应变率效应方面的优越性，可对建筑物抗震性能做出可靠、准确的判断。
[0006] 为实现上述目的，本发明是通过如下技术方案来完成的，一种判断桥墩抗震性能 的方法，包括以下步骤：
[0007] (1)建立钢筋混凝土桥墩试验模型，对其进行拟静力试验，提取桥墩模型的结构尺 寸和所用材料的属性，以及拟静力试验的加载作用下桥墩墩底截面位置的单元在不同时间 点的应变状态；
[0008] (2)利用步骤（1)中提取的各项参数建立关于桥墩的微平面本构模型，由宏观应 变计算出微平面本构模型中的应变分量，包括体积应变、偏应变和剪切应变；
[0009] (3)对桥墩的三轴拉压状态的应变情况与单轴拉压比较，参考单轴受力时的参数 取值，确定破断应变取值，即微应变达到破断应变后，微平面发生断裂，应力消失；
[0010] (4)比较微应变与破断应变大小，判定每个单元的微平面失效率情况，确定单元损 伤状态；
[0011] (5)定义单元失效准则，即当桥墩单元或者材料达到裂缝不稳定扩展阶段时达到 单元失效；
[0012] (6)定义截面有效面积率的概念为截面剩余有效面积与截面总面积的比值；
[0013] (7)统计截面中所有单元的损伤状态，计算剩余有效面积和面积率；
[0014] (8)对于不同损伤状态临界点，重复步骤（1)~（7)，得出构件不同损伤状态对应 的截面有效面积率；
[0015] (9)现场测定地震作用后桥墩截面的有效面积，与步骤（8)中的截面有效面积率 比较，从而判断桥墩的损伤状态，进而得到震后桥墩相应的抗震可靠度，为后续的评价桥墩 的抗震性能提供依据。
[0016] 优选的，上述步骤（1)中桥墩模型的结构尺寸和所用材料的属性主要包括柱身尺 寸、加载端尺寸、桥墩有效加载高度、混凝土设计强度和性能参数，以及各种钢筋设置尺寸。
[0017] 在上述任一方案中优选的是，上述步骤（2)中的微平面本构模型除压缩体积分量 外，各分量本构模型为理想弹塑性模型，体积分量的本构关系以静水压缩试验数据为基础 进行构造。
[0018] 在上述任一方案中优选的是，微平面本构模型还遵循构造加卸载准则，解决原有 模型中在应力应变比值为负的二四象限加卸载转换的困难，并使得模型适用于循环加载。
[0019] 在上述任一方案中优选的是，上述步骤（4)中当微平面的偏分量eD和剪切分量 q或ε M发生破断后，微平面失效。
[0020] 在上述任一方案中优选的是，上述步骤（4)中基于微平面失效率建立材料或单元 损伤状态的具体计算过程如下：a确定微平面数量和权重；b施加应变荷载，每一荷载步采 用相同的单轴应变增量，横向应变通过搜索满足单轴应力状态的应变增量得到；c通过动 态约束得到各个微平面上的体、偏、剪应变分量，根据微平面分量的应力-应变关系，计算 相应的应力分量值；d当微平面的偏分量e D和剪切分量ε 1^或ε M发生破断而释放应力后， 认为微平面失效；e针对材料某个特定的破坏状态临界点所对应的应变状态，对微平面逐 个进行判定，统计微平面的失效数量，由此得到微平面失效率与材料损伤状态的对应关系。
[0021] 本发明的有益效果是：
[0022] 本发明的方法是基于微平面取向失效率来描述材料损伤状态的，应变率效应对 该基于改进微平面模型的截面剩余有效面积率这一损伤指标的计算结果没有影响，体现了 该方法在考虑应变率效应方面的优越性，可对建筑物抗震性能做出可靠、准确的判断。
[0023] 本发明的方法为提高控制可靠性、提高经济效益、扩大工程应用都具有较重要的 理论意义和应用价值。
[0024] 附图简要说明
[0025] 图1为现浇钢筋混凝土桥墩尺寸图；
[0026] 图2为试件加载示意图；
[0027] 图3为加载方式示意图；
[0028] 图4为桥域有限兀_旲型不意图；
[0029] 图5a_5d为两种材料计算得到的单轴应力-应变曲线图；
[0030] 图6为桥墩加载模拟方式的示意图；
[0031] 图7为数值模拟得到的墩柱在加载位移分别为15mm、25mm和55mm时的应变云图；
[0032] 图8a_8b为荷载-位移曲线图；
[0033] 图9为桥墩推倒分析得出的荷载-位移曲线图；
[0034] 图10为墩底截面应力云图；
[0035] 图11为体积应力-应变曲线图；
[0036] 图12为模型体积应力边界曲线图；
[0037] 图13为拟合单轴压缩曲线图；
[0038] 图14为单轴压缩应力-应变全曲线图；
[0039] 图15为拟合单轴拉伸曲线图；
[0040] 图16为在不同应变速率下的单轴压缩应力-应变全曲线图；
[0041] 图17a_17b为桥墩截面单元划分示意图。
【具体实施方式】
[0042] 下面结合【具体实施方式】对本发明作进一步说明。
[0043] 实施例
[0044] 本实施例是以某地的钢筋混凝土桥墩为进行研究的，判断该桥墩抗震性能的方 法，包括以下步骤：
[0045] (1)建立钢筋混凝土桥墩试验模型，对其进行拟静力试验，提取桥墩模型的结构尺 寸和所用材料的属性，以及拟静力试验的加载作用下桥墩墩底截面位置的单元在不同时间 点的应变状态；
[0046] 1)模型尺寸
[0047] 整体现浇钢筋混凝土桥墩尺寸如图1所示，柱身的尺寸为240 X 180 X 1240mm，承 台主要尺寸为700 X 700 X 420mm，加载端主要尺寸为600 X 600 X 360mm。加载支座中心到墩 顶距离为200mm，墩柱有效加载高度1800mm，沿长边（边长240mm)加载。
[0048] 2)材料属性
[0049] 混凝土设计强度为C40。纵筋采用直径为IOmm的HRB335热乳钢筋（II级钢）。箍 筋采用直径为6mm的R235、I级光圆钢筋。箍筋构造为两个闭合环，外环环绕10根纵筋，内 环环绕中间4根纵筋。箍筋间距为80mm，墩底箍筋加密区高度为250mm，间距为50mm。
[0050] 测得混凝土试块立方体抗压强度为43. 2MPa，弹性模量为3. 03 X 104MPa。纵筋屈 服强度340Mpa，极限强度500Mpa ;箍筋屈服强度470Mpa，极限强度540Mpa。
[0051] 3)加载装置与加载方式
[0052] 试验采用静电液伺服加载系统，试件加载布置示意图如图2所示。
[0053] 加载方式采用变幅、等幅混合位移控制的加载方式，如图3所示，每级做3次加载 循环。开始的位移幅值分别为±2、3、5、7、10、15mm，加载速度为0.02Hz ;后位移幅值为20、 25、30、……以后每级递增5mm，加载速度为0.01Hz，直至试件的强度下降到最大强度的 80%，加载结束。
[0054] 4)有限元模拟方法
[0055] 将上述试验过程采用实体有限元方法进行模拟，分析软件采用LS-DYNA。混凝土采 用solidl64单元，钢筋采用beaml61单元。有限元模