一种用于评价梁桥失效模式的方法与流程

本发明属于桥梁结构抗震技术领域，尤其是一种用于评价梁桥失效模式的方法。

背景技术：

美国二十世纪90年代末共有五百多座桥梁发生失效，这些失效中以钢梁桥和钢桁架桥所占比例最多为50％，第二多的是混凝土梁桥、板桥占11％。桥梁的服役期要远多于桥梁的施工期间，这是桥梁的服役期成为桥梁失效发生的主要时期的主要原因。在外力作用下是导致大多数桥梁失效的原因，由外部作用(人为因素及自然因素)造成的桥梁失效数量众多，其中人为因素主要有：大型货车超载、轮船撞击、车辆爆炸等；自然因素主要有：地震、洪水、骤风等。

当作用在结构上的地震力超过结构失效的定义值或判定标准时即认为结构失效，结构损伤发展的过程就是整个结构失效的过程；桥梁在各种不利情况的作用下，桥梁可能出现的各种失效模式，但目前未有合适的方法对各失效模式进行统计分析，找出桥梁的薄弱部位及最弱失效模式，为桥梁进行改造优化，从而用最为经济和合理的方式，以提高桥梁结构的抗震性能。

技术实现要素：

本发明的目的为解决现有技术的不足，提供一种用于评价梁桥结构体系失效模式的方法，根据本发明的评价梁桥结构体系失效模式的方法能够有效地对梁桥结构体系的失效模式进行统计分析，找出桥梁的薄弱部位及最弱失效模式，为桥梁进行改造优化，从而用最为经济和合理的方式来提高桥梁结构的抗震性能。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种用于评价梁桥结构体系失效模式的方法，包括以下步骤：

(一)选用n条能够反映地震动中存在的不确定性且峰值地面加速度分布在一定强度范围内的地震动，其中n为大于15的为整数；

(二)建立桥梁的有限元模型，对梁桥结构体系中的支座和桥墩墩底这两个最容易失效的部位进行定义失效的判定指标信息；

(三)引用加权秩和比法综合了n条地震动作用下的桥梁的失效模式的评价信息，分析给出具有统计意义的失效模式，并寻找出桥梁结构体系的最弱失效模式。

优选的，在所述步骤(二)中，所述定义失效的判定指标信息是根据桥梁所采用的材料、尺寸截面、支座类型及基础形式进行建立逼近真实情况的有限元模型，分别定义桥梁支座和桥墩底部的失效的判定指标信息，然后引用加权秩和比法综合了各条地震动作用下的桥梁的失效模式的评价信息，分析给出具有统计意义的失效模式。

优选的，所述步骤(三)中，寻找出桥梁结构体系的最弱失效模式如下方式进行：首先假设在失效模式事件集i＝1，2，...，n中存在一个最大集且最大集满足：

使得：

从而得到：

公式(3)为对应于最大事件集的失效模式，也称为桥梁结构体系的最弱失效模式；

优选的，所述步骤(二)中，建立桥梁的有限元模型采用abaqus有限元软件建立该梁桥结构体系的三维有限元模型。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明的方法综合了n条地震动的评价信息，解决了传统结构地震失效模式优化目标单一的问题，给出具有统计意义的失效模式，对桥梁的失效模式进行控制，减小桥梁地震中的损伤，有利于震后快速恢复桥梁的功能，对减轻地震灾害和进行震后有效的抗震救灾具有重要的意义。

附图说明

图1是本发明具体实施例的桥梁体系结构简图；

图2是桥梁构件失效顺序分布图；

有关附图标记的说明：

①-⑦为1-7#桥墩的同侧支座单元；为1-7#桥墩的墩底单元；1#、7#墩为桥梁的边墩；2#、6#墩为桥梁的过渡墩；3#、4#、5#墩为桥梁的中墩。

具体实施方式

下面结合具体实施例，对本发明作进一步详细的阐述，但本发明的实施方式并不局限于实施例表示的范围。这些实施例仅用于说明本发明，而非用于限制本发明的范围。此外，在阅读本发明的内容后，本领域的技术人员可以对本发明作各种修改，这些等价变化同样落于本发明所附权利要求书所限定的范围。

下面结合附图，对本发明做进一步地详细说明，但本发明的实施方式不仅限于此。

一种用于评价梁桥结构体系失效模式的方法，包括以下步骤：

(一)在增量动力(incrementaldynamicanalysis，ida)方法中。选用n条能够反映地震动中存在的不确定性且峰值地面加速度(peakgroundacceleration，pda)分布在一定强度范围内的地震动，其中n为大于15的整数；

(二)建立桥梁的有限元模型，对梁桥结构体系中的支座和桥墩墩底这两个最容易失效的部位进行定义失效的判定指标信息；所述定义失效的判定指标是根据桥梁所采用的材料、尺寸截面、支座类型及基础形式进行建立逼近真实情况的有限元模型，然后分别基于位移和修正的park-ang的损伤理论分别定义桥梁支座和桥墩底部的失效的判定指标；

修正的park-ang的损伤理论：

βe＝[0.37n0+0.36(kp-0.2)²]×0.9ρw(2)

其中，ds为损伤参数；my、φy为桥墩在静力单调荷载作用下的屈服弯矩和屈服曲率；φm为桥墩在地震作用下的最大曲率；φu为桥墩在静力单调荷载作用下的极限曲率；βe为组合参数；∫deh为构件累计耗散的能量；n0为桥墩的纵向轴压比；ρw为体积配箍率；kp为归一化的受拉钢筋配筋率，kp＝ρtfy/(0.85fc)，fy为钢筋抗拉屈服强度，fc为混凝土抗压强度，ρt为受拉钢筋配筋率；

(三)引用加权秩和比法(wrsr)综合了n条地震动作用下的桥梁结构体系失效模式的判定指标信息，分析给出具有统计意义的失效模式，并寻找出桥梁结构体系的最弱失效模式。

在本发明中，所述的加权秩和比法(wrsr)满足：

其中，i＝1，2，…，n；j＝1，2，…，n；rij表示第i行第j列元素的秩。

当各个评价指标的权重不同时，计算加权秩和比wrsr的公式为：

且满足，

wj为第j个评价指标的权重。

在本发明中，寻找出桥梁结构体系的最弱失效模式如下方式进行：首先假设在失效模式事件集中存在一个最大集

使得：

从而得到：

公式(8)为对应于最大事件集的失效模式，也称为桥梁结构体系的最弱失效模式；桥梁结构体系的最弱失效模式的工程意义在于要么失效模式伴随其它任何失效模式出现，要么失效模式单独出现。

作为本发明的进一步说明，ida方法现已广泛用于估计结构在遭遇不同强度地震动作用下的响应和分析结构的整体抗倒塌能力。wrsr是一种直观、有效的统计分析方法，且对资料无特殊要求，使用灵活简便，适用于统计资料的再分析。此方法计算用的数值是秩次，可以消除异常值的干扰，它融合了参数分析的方法，结果比单纯采用非参数法更为精确。秩和比法既可以对评价对象的优劣进行直接排序，还可以根据需要分档排序，而且引入各个指标的权重系数后得到的加权秩和比可以在一定程度上消除主观偏见，更具有客观与实际意义。

在本发明中，评价梁桥结构体系失效模式的具体方法如下：

步骤一：在ida方法中，选用16条足够反映地震动中存在的不确定性且pda分布在一个较宽的固定强度范围内的地震动，如表1所示。

表1选取的地震动参数

步骤二：建立桥梁的有限元模型，对桥梁中支座、桥墩墩底这两个最容易失效的部位定义失效的判定指标，更具体的是根据实际桥梁所采用的材料、尺寸截面、支座类型及基础形式等建立接近真实情况的有限元模型，然后分别基于位移和修正的park-ang的损伤理论分别定义桥梁支座和桥墩底部的失效的判定指标。桥梁模型为6跨110m隔震连续梁桥，1-7#桥墩(依次从左往右)高度墩高分别为23.7m，23.4m，23.8m，23.5m，23.1m，23.1m，23.7m；桥梁宽度33.1m；墩柱长和宽为10.0×3.5m，厚度为1.0m，桥墩采用c50混凝土，hrb335钢筋，配筋率为1.12％；承台的长、宽和高为15.4×11.1×4.5m。采用abaqus有限元软件建立该桥梁结构体系的三维有限元模型，如图1所示，在图1中，①-⑦为1-7#桥墩的同侧支座单元，为1-7#桥墩的墩底单元。1#、7#墩为桥梁的边墩，2#、6#墩为桥梁的过渡墩，3#、4#、5#墩为桥梁的中墩。在对桥梁桩底纵向输入地震动时，取桥梁一侧支座作为研究对象并对连接单元进行编号①-⑦，桥梁两侧的支座具有对称性，在纵向地震作用下，响应情况几乎一样，故仅取一侧支座作为分析对象。对于单柱墩的连续梁桥，桥墩柱的底部区域为塑性铰区域，取各墩墩底为研究对象，并对桥墩构件进行编号对于铅芯隔震橡胶支座可以采用双折线弹塑性弹簧单元进行模拟，桥墩采用纤维梁单元，支座采用conn3d2连接单元模拟，其他构件采用梁单元b31模拟。

1)lrb支座失效的判断

参照《公路桥梁抗震设计细则》(jtg/tb02-01-2008)，对铅芯橡胶支座进行验算时，在地震作用下产生的剪切应变应小于支座橡胶层厚度的2.5倍。《城市桥梁抗震设计规范》仅要求进行e2地震作用下的分析与验算，并要求橡胶型的隔震支座，在地震作用下产生的剪切应变应在250％以下，还要进行稳定性验算。故取支座剪切变形为250％时作为支座失效的判定值。

2)桥墩失效的判断

表2修正park-ang构件损伤分级及参数

注：在本发明的表2中ds＝0.75时，认为构件失效。

步骤三：引用加权秩和比法(wrsr)综合了16条地震动作用下的桥梁的失效模式的评价信息，分析给出具有统计意义的失效模式，并找出了桥梁的最弱失效模式。

1)加权秩和比的统计结果：计算连续梁桥模型在16条地震动不同加速度峰值下各构件的损伤值，并根据损伤值的变化情况来确定各单元的失效顺序，结果如表3所示。对于gm-1地震动作用下桥梁边墩支座失效后，该桥墩之所以失效，是由于随着pga的增大时，桥墩的失效时间将早于桥梁支座的时间。另外由于桥梁支座没有达到极限位移状态，仍然能传递上部结构的内力。其他地震动作用下的情况，支座失效后桥墩仍然失效的原因类似。

表3各地震动作用下桥梁各单元的失效次序

按照公式(4)计算各地震动作用下桥梁出现的失效单元的加权秩和比，权重系数w取为单元该地震动的失效峰值加速度与所有地震动的失效峰值加速度总和的比值，并根据其先后失效顺序编秩。根据加权秩和比的大小，其数值越小，说明该构件越先失效，反之，构件失效越靠后；根据加权秩和比和失效顺序的对应关系，如表4所示，可以得到本工程隔震连续梁桥最终失效模式为：即该桥梁中墩的隔震支座先失效，接着是桥梁过渡墩支座失效，然后是1#边墩底部和1#墩的支座失效，最后是7#边墩支座与7#桥墩墩底失效。

按照公式(4)计算各地震动作用下桥梁出现的失效单元的加权秩和比，权重系数w取为单元该地震动的失效峰值加速度与所有地震动的失效峰值加速度总和的比值，并根据其先后失效顺序编秩。根据加权秩和比的大小，其数值越小，说明该构件越先失效，反之，构件失效越靠后；根据加权秩和比和失效顺序的对应关系，如表4所示，可以得到本工程隔震连续梁桥最终失效模式为：即该桥梁中墩的隔震支座先失效，接着是桥梁过渡墩支座失效，然后是1#边墩底部和1#墩的支座失效，最后是7#边墩支座与7#桥墩墩底失效。

表4失效单元的加权秩和比

2)最弱失效模式分析

不同的地震动输入下结构各构件失效时，所对应的pga均不同，且各构件的损伤量化指标ds值的大小也不同。经过分析，在遭受强度较小的地震作用下，结构构件的ds值先达到结构构件失效定义值0.75，结构构件最容易失效，即在gm-7作用下桥梁失效模式为桥梁的最弱失效模式，如图2所示为构件在gm-7用下，构件失效顺序及对应的pga。由图2可知，桥梁最弱失效模式为：即首先是桥梁所有隔震支座先失效，其次是边墩底部失效，然后是中墩失效，最后是过渡墩失效。

以上所述仅为发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。