鋼筋混凝土空心矩形橋墩振動臺試驗

申彥利，谷少康

(河北工程大學(xué)土木工程學(xué)院，河北邯鄲 056038)

0 引 言

隨著中國基礎(chǔ)交通設(shè)施建設(shè)的迅猛發(fā)展，高聳橋墩的應(yīng)用越來越廣泛，高聳橋墩中空心截面占據(jù)了相當(dāng)大的比重。橋墩是地震作用中整個橋梁系統(tǒng)的主要抗側(cè)力和耗能構(gòu)件，橋墩的安全與否關(guān)系到整個橋梁系統(tǒng)的安全性能，而中國規(guī)范中對空心截面橋墩的設(shè)計未作明確的規(guī)定，在實際設(shè)計中多采用實心截面的設(shè)計原則，對于空心矩形橋墩缺乏系統(tǒng)的研究，因此研究空心矩形截面橋墩抗震性能就顯得特別迫切。

目前國內(nèi)外對于橋墩的研究以實心截面居多，艾慶華等[1-2]設(shè)計制作了圓形和矩形實心橋墩，并對其進(jìn)行了振動臺試驗，對橋墩的抗震性能進(jìn)行了討論，驗證了基于位移的設(shè)計方法可行性；Matthew[3]根據(jù)美國規(guī)范制作了足尺圓形截面橋墩，通過振動臺試驗驗證了美國規(guī)范的安全性。中國關(guān)于空心矩形橋墩的研究大多采用擬靜力試驗方法。杜修力等[4]對12個矩形空心橋墩進(jìn)行了擬靜力試驗，比較了軸壓比、配筋率等對橋墩抗震性能的影響，并建立了橋墩截面恢復(fù)力曲線關(guān)系；蔣麗忠等[5]對10個大比例空心橋墩進(jìn)行了低周往復(fù)試驗，討論了墩高、軸壓比等因素對墩柱延性的影響。然而擬靜力試驗會忽略混凝土應(yīng)變率對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，不能真實地反映結(jié)構(gòu)在動力荷載作用下的振動響應(yīng)，國內(nèi)外對于空心矩形橋墩的振動臺試驗研究幾乎沒有，因此通過振動臺試驗研究地震作用下鋼筋混凝土矩形空心橋墩的抗震性能具有十分重要的意義。

考慮實驗室加載設(shè)備等因素的影響，本研究以某工程橋墩為原型，設(shè)計制作2個縮尺比例為1∶8的鋼筋混凝土空心矩形橋墩模型試件，2個橋墩均具有較高的配箍率，在河北工程大學(xué)振動臺上進(jìn)行試驗，研究它們的破壞形態(tài)以及抗震性能，并用大型通用有限元軟件ABAQUS建立空心矩形橋墩有限元模型，通過將計算值和試驗值進(jìn)行對比分析，驗證了有限元模型的可行性。

1 橋墩振動臺試驗

1.1 試件設(shè)計

本試驗橋墩的原型高度為11.5 m，綜合考慮實驗室振動臺性能以及實驗室場地條件等因素，試驗取幾何相似比為1∶8，根據(jù)模型設(shè)計的一致相似律原理[6]，利用相似表達(dá)式，求出本試驗中其他相似比，主要相似比見表1。

表1 相似比Tab.1 Similarity Ratio

注：lm,lp分別為模型結(jié)構(gòu)與原型結(jié)構(gòu)長度；Em,Ep分別為模型結(jié)構(gòu)與原型結(jié)構(gòu)彈性模量；mm為模型質(zhì)量；ma為模型中設(shè)置的人工質(zhì)量；mom為模型中活載和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的模擬質(zhì)量；mop為原型中活載和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的質(zhì)量；mp為原型結(jié)構(gòu)構(gòu)件的質(zhì)量。

1.2 模型概況

本試驗主要研究矩形空心橋墩抗震性能，模型嚴(yán)格按照相似比制作了2個橋墩模型，模型高度均為1.44 m，采用不同的配箍率，且配箍率均為高配箍率，墩柱模型混凝土強度等級為C20，縱向鋼筋為φ8，箍筋采用直徑為4 mm的鍍鋅鐵絲；模型底座采用同等強度的混凝土，縱筋采用φ16，箍筋采用φ8。模型試件參數(shù)見表2，墩柱配筋及尺寸如圖1所示。

表2 橋墩試件詳細(xì)參數(shù)Tab.2 Parameters of Pier Specimens

1.3 配重箱設(shè)計及配重

本試驗采用人工質(zhì)量模型模擬上部結(jié)構(gòu)自重以及活載，由重為200 kg的配重箱及3 300 kg內(nèi)置鐵塊來實現(xiàn)。配重箱由5 mm厚的Q235鋼板焊接而成，其尺寸為1 000 mm×1 000 mm×700 mm。配重箱內(nèi)部焊接一個尺寸為300 mm×250 mm×230 mm的矩形套筒，便于實現(xiàn)配重箱與混凝土墩柱頂部預(yù)埋螺栓的固定連接，配重箱的焊縫處均采用角鋼加固，內(nèi)部在加載方向焊接2塊鋼板，鋼板高度與套筒相同，以增強其剛度。

1.4 荷載工況及測點布置

試驗選用El Centro波、Taft波、人工蘭州波為振動臺臺面激勵，其持續(xù)時間壓縮為原波形時間長度的35.3%。為了測量橋墩動力特性參數(shù)，在每級工況前后，均采用峰值為0.035g(g為重力加速度)的白噪聲對橋墩模型進(jìn)行掃描。試驗荷載工況根據(jù)設(shè)計選定，可根據(jù)試驗實際情況適當(dāng)增加加載工況，荷載工況如表3所示。本試驗采集系統(tǒng)為東華動態(tài)信號采集分析系統(tǒng)。在橋墩底座和墩頂各布置一個加速度和速度傳感器，用于記錄模型試件的加速度和速度響應(yīng)。

2 試驗結(jié)果

2.1 試驗現(xiàn)象

M1和M2試件的試驗現(xiàn)象見表4。在完成試驗設(shè)計的工況加載后，對M2試件增加了烈度為1.2g的地震作用，M2試件底部仍沒有明顯混凝土剝落，豎向承載力未喪失。由于M1試件具有較高的配箍率，對混凝土具有較好地約束作用，M1試件裂縫間距相對M2試件較小。M1與M2在加載方向裂縫數(shù)量較少，與加載方向垂直的一側(cè)裂縫數(shù)量較多，由于在澆筑橋墩模型時，模板在垂直度方面存在一定誤差，因而橋墩試件有稍微傾斜，故一側(cè)混凝土受拉而產(chǎn)生較多開裂裂縫；在受壓一側(cè)，振動過程中產(chǎn)生的裂縫可能由于受壓而閉合，因而相對較少。試驗后試件裂縫分布如圖2所示。

2.2 加速度和位移響應(yīng)

M1和M2試件墩頂加速度極值如圖3所示。從圖3可以看出：M1和M2墩頂加速度反應(yīng)整體呈增加趨勢，在相同工況作用下，El Centro波加速度反應(yīng)極值最大，Taft波和人工蘭州波無明顯差別。M1和M2試件相比較加速度極值相差不大。試件的位移響應(yīng)時程由速度傳感器采集數(shù)據(jù)積分求得，墩頂位移極值如圖4所示。由圖4可知，M1和M2試件頂部位移反應(yīng)隨加速度峰值的增加而逐步增大，3條地震波之間，相同工況作用下，人工蘭州波頂部位移反應(yīng)極值最小，其他2條波位移極值交替上升無明顯規(guī)律可尋。M1和M2位移極值相差不大。

表3 試驗荷載工況Tab.3 Test Load Conditions

表4 M1和M2試件的試驗現(xiàn)象Tab.4 Experimental Phenomena of M1 and M2

2.3 動力放大系數(shù)

動力放大系數(shù)為試件絕對加速度反應(yīng)的最大值與輸入地震動加速度的最大值之比，不同峰值加速度作用下動力放大系數(shù)如圖5所示。從圖5可以看出：M1和M2動力放大系數(shù)隨輸入峰值加速度的不斷增加呈遞減趨勢，動力放大系數(shù)在相同峰值加速度作用下，按照El Centro波、Taft波和人工蘭州波的順序依次降低，其中人工蘭州波的最小，El Centro波的最大。

3 ABAQUS有限元模型結(jié)果與試驗結(jié)果對比

隨著計算機硬件和軟件的高速發(fā)展，有限元數(shù)值模擬軟件也有了長足的發(fā)展，具有代表性的軟件有ABAQUS，ANSYS等。ABAQUS能夠駕馭非常龐大的高度非線性問題，具有種類豐富、可模擬任意幾何形狀的單元模型，并擁有各種類型的材料模型，可以模擬各種典型工程材料，例如鋼筋、鋼筋混凝土等，而且具有強大的計算功能和廣泛的模擬能力[7-11]。ABAQUS無論對于簡單的線彈性問題，還是由不同材料、不同接觸條件組合而成的非線性動力問題，均可以計算得到令人滿意的結(jié)果[12]。

3.1 模型建立

本文基于大型通用有限元軟件ABAQUS建立了M1和M2試件的有限元模型，混凝土采用塑性損傷模型，單元類型為實體單元，鋼筋采用桁架單元，輸入與試驗相同的地震波，并將地震波按照試驗時間相似比進(jìn)行壓縮；在模型底部添加固定約束，釋放x方向約束，添加加速度荷載。ABAQUS有限元模型以及網(wǎng)格劃分如圖6所示。

3.2 墩頂絕對加速度計算值和試驗值對比

本文將試驗中加速度傳感器采集的加速度時程曲線和ABAQUS有限元軟件計算得到的墩頂加速度時程曲線進(jìn)行對比，由于篇幅限制，在此列舉M1和M2試件在峰值加速度為0.75g的El Centro波作用下加速度試驗值和計算值的對比結(jié)果，見圖7。從圖7可知，試驗值和計算值曲線變化規(guī)律基本一致，并且峰值加速度出現(xiàn)的時間也大致相同，試驗值略大于計算值，計算值和試驗值時程曲線吻合良好。

3.3 墩頂速度計算值和試驗值對比

本試驗在橋墩試件頂部布置了速度傳感器，未布置位移計，位移時程由速度傳感器采集數(shù)據(jù)積分得到，因此本文用速度傳感器采集的數(shù)據(jù)與有限元計算結(jié)果進(jìn)行對比，在此選用M1和M2試件在峰值加速度為0.75g的El Centro波作用下速度試驗值和計算值進(jìn)行對比，結(jié)果見圖8，從圖8可以看出：試驗值和計算值變化規(guī)律一致，由于配重箱的松動，導(dǎo)致試驗值略大于計算值，兩者峰值出現(xiàn)時間基本一致，相差不大，在允許的范圍內(nèi)，可以接受。

4 結(jié) 語

(1)M1和M2模型試件在輸入試驗所設(shè)計的地震波后有裂縫產(chǎn)生，并且均存在剛度退化現(xiàn)象，但最終均未喪失豎向承載力，抗震性能良好。

(2)M1和M2模型試件的頂部加速度響應(yīng)和頂部位移響應(yīng)隨著輸入峰值加速度的增加而增大；相同工況作用下，M1和M2模型試件El Centro波加速度響應(yīng)值最大，人工蘭州波位移響應(yīng)值最小。

(3)通過將計算和試驗得到的加速度和速度數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)計算值和試驗值存在一定誤差，但是整體模擬較好，兩者時程曲線吻合較好，證明了有限元模型的可行性。