鋼箱混凝土空心薄壁墩抗震性能研究

張正琦,程 高,姬子田,葉 超

(1.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 渭南 714000;2.長安大學(xué)公路學(xué)院,陜西 西安 710064;3.公路大型結(jié)構(gòu)安全教育部工程研究中心,陜西 西安 710064;4.公路橋梁與隧道陜西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710064)

我國西部山區(qū)受地形影響,空心薄壁橋墩應(yīng)用廣泛,西部山區(qū)又屬于地震頻發(fā)區(qū),隨著我國西部山區(qū)橋梁建設(shè)的持續(xù)推進(jìn),對空心薄壁橋墩抗震提出了更高的要求。鋼箱混凝土空心薄壁橋墩通過在內(nèi)外層鋼壁之間灌注核心混凝土形成,是對鋼管混凝土和空心薄壁墩的擴(kuò)展和豐富,相比傳統(tǒng)鋼筋混凝土構(gòu)件具有更好的承載能力、較好的延性和抗震性能[1-5]。目前針對鋼管混凝土空心橋墩抗震性能的研究較少,對鋼箱混凝土空心薄壁橋的研究更是匱乏。周淑芬[6]分析了一長聯(lián)矮墩連續(xù)剛構(gòu)橋,研究表明,鋼管混凝土橋墩耗能能力和延性優(yōu)于鋼筋混凝土橋墩,建議在地震多發(fā)地使用鋼管混凝土作為橋墩構(gòu)件。王占飛等[7]采用 MARC 軟件模擬分析了部分填充混凝土的圓形鋼管混凝土柱的耗能能力,發(fā)現(xiàn)混凝土的填充高度會顯著改變構(gòu)件屈曲的發(fā)生部位,而構(gòu)件的長細(xì)比和鋼管徑厚比對構(gòu)件的屈曲模態(tài)和耗能能力影響不大。Nakanishi等[8]通過試驗(yàn)對比分析了空鋼管混凝土、方鋼管混凝土和空心方鋼管混凝土3種橋墩的滯回性能,研究發(fā)現(xiàn)試件進(jìn)入塑性后,鋼管混凝土橋墩可以有效延緩剛度退化。邱文亮等[9]對5個鋼管混凝土組合橋墩試件進(jìn)行低周往復(fù)加載試驗(yàn),結(jié)果表明鋼管混凝土組合橋墩試件的水平抗推剛度和承載力均隨軸壓比的增加而提高,但位移延性和耗能能力變差,建議提高縱筋配筋率進(jìn)行改善。張國靖等[10]、王燦[11]采用OpenSees有限元分析軟件分析發(fā)現(xiàn)提高混凝土抗壓強(qiáng)度和鋼材屈服強(qiáng)度可提高鋼箱混凝土空心薄壁構(gòu)件抗震性能。徐艷等[12]對2座采用部分填充圓形鋼管混凝土橋墩的兩跨高架橋縮尺模型進(jìn)行振動臺試驗(yàn),研究發(fā)現(xiàn)無偏心橋墩的縱向墩頂位移遠(yuǎn)大于有偏心橋墩,建議在設(shè)計有偏心部分充填圓形鋼管混凝土橋墩時,合理選取混凝土充填高度和徑厚比等結(jié)構(gòu)參數(shù),減少恒載偏心對其抗震性能的不利影響。

已有研究缺乏添加開孔鋼板(PBL)加勁肋對墩柱抗震性能的影響。本次研究先在MIDAS Civil中建立起依托工程全橋模型,同時通過截面等效,用鋼箱混凝土空心薄壁墩替換原橋的鋼筋混凝土空心薄壁墩,對兩種橋墩進(jìn)行彈性時程分析,對比墩底動力響應(yīng),驗(yàn)證鋼箱混凝土空心薄壁墩的優(yōu)勢性,再在ABAQUS中針對鋼箱混凝土空心薄壁構(gòu)件,建立加PBL加勁肋和不加PBL加勁肋的構(gòu)件有限元模型,進(jìn)行低周往復(fù)荷載受力分析,對比研究PBL加勁肋對鋼箱混凝土空心構(gòu)件滯回曲線、骨架曲線、延性系數(shù)、耗能能力和殘余變形等特性的影響規(guī)律,以期為鋼箱混凝土空心薄壁墩柱的推廣應(yīng)用提供理論支撐。

1 地震響應(yīng)分析

1.1 工程概況

選取甘肅省甜永高速史家山互通區(qū)一跨山頭橋?yàn)檠芯繉ο?上部結(jié)構(gòu)為標(biāo)準(zhǔn)40 m預(yù)應(yīng)力混凝土后張小箱梁,取4×40 m一聯(lián)跨徑形式進(jìn)行分析,下部結(jié)構(gòu)橋墩均采用矩形空心薄壁墩,承臺基礎(chǔ)為樁基礎(chǔ),4根圓柱樁樁徑為2 m,樁長均為36 m。

1.2 有限元模型建立

采用MIDAS Civil建立全橋空間有限元模型,主梁及橋墩采用空間梁單元模擬,支座與樁土作用分別采用彈性連接和m法模擬,主梁與下部結(jié)構(gòu)混凝土型號分別為C50和C40,全橋模型見圖1,模型信息見表1。

表1 全橋模型信息Table 1 Bridge model information

圖1 全橋模型Fig.1 Full bridge model

1.3 地震響應(yīng)分析

在保證結(jié)構(gòu)豎向承載力滿足要求條件下,用鋼箱混凝土空心薄壁墩代替原鋼筋混凝土空心薄壁墩。通過軟件內(nèi)置的截面特性計算器進(jìn)行截面等效建立起鋼箱混凝土空心薄壁墩模型,對兩種橋墩作彈性時程分析下的墩底地震響應(yīng)對比,鋼材選擇HRB400。

選用EI-Centro波作為地震波,調(diào)幅至0.05g進(jìn)行縱橋向及橫橋向激勵,不考慮豎向地震的影響。限于文章篇幅,僅給出順橋向地震作用下橋墩墩底剪力時程曲線與最高墩墩頂位移時程曲線,如圖2所示。

圖2 順橋向地震墩底響應(yīng)Fig.2 Seismic response of pier bottom along the bridge

由圖2(a)～(c)墩底的剪力時程曲線可以看出:墩高越小,抗推剛度越大,內(nèi)力水平越高;墩高越高,墩底內(nèi)力變化越劇烈;鋼箱混凝土橋墩相比鋼筋混凝土橋墩能有效減小墩底順橋向地震內(nèi)力峰值響應(yīng),且墩高越高,減小越明顯。

圖2(d)為順橋向地震作用下最高墩墩頂?shù)奈灰茣r程曲線,可以看出鋼箱混凝土橋墩相比鋼筋混凝土橋墩,地震作用下會產(chǎn)生更大的位移響應(yīng)。橫橋向地震作用下橋墩響應(yīng)規(guī)律與縱橋向一致,不再贅述。

綜上分析可知鋼箱混凝土橋墩相比鋼筋混凝土橋墩,在地震作用下能通過更大位移有效減小墩底地震內(nèi)力峰值響應(yīng),且墩高越高,減小越顯著,更能適應(yīng)地震作用下的變形。

2 PBL對鋼箱砼空心構(gòu)件抗震性能影響

由前述分析可知鋼箱混凝土空心薄壁橋墩相比鋼筋混凝土空心薄壁橋墩能有效減小墩底地震內(nèi)力峰值響應(yīng),本節(jié)針對鋼箱混凝土空心薄壁構(gòu)件,在ABAQUS中建立加PBL加勁肋和不加PBL加勁肋的構(gòu)件模型,進(jìn)行低周往復(fù)荷載受力分析,研究PBL加勁肋對鋼箱混凝土空心墩柱滯回曲線、骨架曲線、延性系數(shù)、耗能能力和殘余變形等特性的影響規(guī)律,分析比較兩種構(gòu)件抗震性能的優(yōu)劣。

2.1 有限元模型建立

構(gòu)件核心混凝土采用C3D8R實(shí)體單元模擬,鋼壁與混凝土接觸采用綁定約束,內(nèi)外鋼壁和PBL加勁肋均采用S4R殼單元模擬,PBL與混凝土接觸采用嵌入約束,與鋼壁采用綁定約束。模型構(gòu)件網(wǎng)格劃分見圖3。

圖3 網(wǎng)格劃分Fig.3 Meshing division

鋼砼界面接觸由界面的法向接觸和切向粘結(jié)滑移構(gòu)成,混凝土作為主面,鋼管作為從面,摩擦系數(shù)采用文獻(xiàn)[13]中取值。

在加載板中心耦合參考點(diǎn),約束底部參考點(diǎn)三向的平動自由度,約束頂部參考點(diǎn)X方向的平動自由度和其余兩個方向的轉(zhuǎn)動自由度后,施加Y方向的軸力和Z正方向的變幅位移荷載,軸力按軸壓比0.5取值,位移加載方式見圖4。

圖4 位移加載方式Fig.4 Replacement loading mode

2.2 材料本構(gòu)關(guān)系

鋼材的本構(gòu)采用二折線的彈塑性模型,彈性階段的彈性模量Es和泊松比vs采用文獻(xiàn)[14]中取值,塑性段模量為0.01Es?；炷羺?shù)采用文獻(xiàn)[15]中取值。

2.3 結(jié)果分析

(1) 滯回曲線和骨架曲線 為分析兩類構(gòu)件的抗震性能,提取反復(fù)荷載作用下試件的滯回曲線,并將滯回曲線上同向各次加載的荷載極值點(diǎn)依次相連得到骨架曲線,模型滯回曲線和骨架曲線分別見圖5和圖6。

由圖5可知兩組模型滯回曲線圖形都很飽滿,說明鋼箱混凝土空心構(gòu)件具有良好的抗震性能,添加PBL后,鋼箱混凝土空心構(gòu)件的水平承載力顯著提高。通過對比圖6可知,在塑性范圍內(nèi)兩類模型構(gòu)件的承載能力均開始下降,出現(xiàn)強(qiáng)度退化和剛度退化,但添加PBL加勁肋的構(gòu)件剛度退化相對較緩。綜合說明添加PBL加勁肋顯著提高了鋼箱混凝土空心墩的水平承載力和構(gòu)件延性。

圖5 滯回曲線Fig.5 Hysteretic curve

圖6 骨架曲線Fig.6 Skeleton curve

(2) 延性系數(shù) 構(gòu)件的非彈性變形能力用位移延性系數(shù)μ來表征,計算公式為

μ=Δu/Δy。

(1)

試件骨架曲線的特征參數(shù)匯總?cè)绫?所列,表2中Py、Δy分別表示屈服荷載和屈服位移;Pmax為峰值荷載;Δu為極限位移,取骨架曲線上水平荷載下降至峰值85%對應(yīng)的位移。

表2 骨架曲線特征點(diǎn)Table 2 Characteristic point of Skeleton curve

由表2可以得出添加PBL加勁肋后的鋼箱混凝土空心構(gòu)件位移延性系數(shù)大于未添加PBL加勁肋的鋼箱混凝土空心構(gòu)件,表明添加PBL加勁肋可以提高鋼箱混凝土空心構(gòu)件的非彈性變形能力。

(3) 耗能能力 等效黏滯阻尼比ξeq常用于評價構(gòu)件的耗能能力,ξeq可以表示為

ξeq=Ah/2πVmΔm,

(2)

兩種構(gòu)件等效黏滯阻尼比隨位移幅值的變化曲線如圖7所示。

由圖7可以得出,鋼箱混凝土空心構(gòu)件隨著位移幅值的增大等效黏滯阻尼系數(shù)不斷增大,添加PBL加勁肋的構(gòu)件隨著位移幅值的增大與不加PBL加勁肋構(gòu)件的差值越來越小,表明振動位移越大,耗能能力越強(qiáng),強(qiáng)震作用下,添加PBL加勁肋的鋼箱混凝土空心構(gòu)件耗能能力更能得到發(fā)揮。

圖7 等效黏滯阻尼比隨位移幅值變化關(guān)系Fig.7 Relationship between equivalent viscous damping coefficient and replacement amplitude

(4) 加載結(jié)束后的混凝土損傷 兩種構(gòu)件混凝土受壓損傷云圖如圖8所示。由圖8可以看出構(gòu)件的最大損傷出現(xiàn)在墩底,添加PBL加勁肋后使得鋼箱混凝土空心構(gòu)件的混凝土損傷減小,損傷云圖最大損傷部位面積也有所減小,損傷云圖更加對稱協(xié)調(diào)。

圖8 混凝土受壓損傷云圖Fig.8 Nephogram of concrete compression damage

(5) 殘余變形 試件加載至幅值再卸載至初始狀態(tài)的過程中,試件會產(chǎn)生不可恢復(fù)的殘余變形,這是提供震害評估的重要信息。構(gòu)件的殘余變形越小,表明在震后能更好地繼續(xù)工作,更有利于加固和修復(fù)。兩種構(gòu)件的殘余變形隨位移幅值的變化曲線對比見圖9。

圖9 殘余變形對比Fig.9 Comparison of residual deformation

由圖9可以得到,添加PBL加勁肋可有效減小鋼箱混凝土空心構(gòu)件的殘余變形,更有利于震后修復(fù)和繼續(xù)服役。

3 結(jié)論

(1) 鋼箱混凝土空心薄壁橋墩相比鋼筋混凝土空心薄壁橋墩,在地震作用下能通過產(chǎn)生更大的位移來增大耗能從而有效減小墩底地震內(nèi)力峰值響應(yīng),且墩高越高,減小越顯著,更能適應(yīng)地震作用下的變形。

(2) 添加PBL加勁肋可減小鋼箱混凝土空心構(gòu)件往復(fù)荷載作用下的損傷,改善結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)。

(3) 添加PBL加勁肋后能顯著提高鋼箱混凝土空心構(gòu)件的水平地震抗力和延性,位移幅值越大,耗能能力越能得到充分發(fā)揮,有利于震后修復(fù)和繼續(xù)工作。