鋼筋混凝土箱型橋墩耗能能力分析

■林發(fā)金 夏樟華

（1.泉州市公路局，泉州 362000；2.福州大學土木工程學院，福州 350108）

耗能能力是指結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在地震作用下通過自身的塑性變形來消耗地震能量的能力，它作為評價抗震性能的一項重要指標，反應了結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的非線性力學性能[1-6]。Rodrigues H等[7]通過研究認為滯回耗能和位移延性存在相關(guān)關(guān)系。宋曉東[8]，崔海琴[9]等和郝文秀[10]等進行了鋼筋混凝土箱型墩擬靜力試驗研究。但上述課題都只針對單向循環(huán)往復荷載作用下鋼筋混凝土箱型墩的耗能進行研究。

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在實際地震作用下呈現(xiàn)明顯的空間效應，比單向地震作用產(chǎn)生的破壞要大得多，這主要是由于兩個方向的耦合效應影響結(jié)構(gòu)的抗震能力。目前，業(yè)內(nèi)對鋼筋混凝土箱型墩的多維地震損傷和基于損傷的抗震性能分析方法等方面的研究還很缺乏,《公路工程抗震規(guī)范》（JTG B02-2013）也以單一指標描述地震損傷，未考慮多維地震的影響[11-15]。針對雙向水平地震作用下鋼筋混凝土箱型墩在耗能與阻尼研究方面的不足，本文通過雙向擬靜力試驗并開展相關(guān)研究，進一步了解多維地震動作用下鋼筋混凝土箱型墩的智慧耗能特性。

1 雙向擬靜力試驗

為了研究鋼筋混凝土箱型墩柱在雙向水平地震作用下的滯回耗能特性，課題組制作了不同長細比、軸壓比和體積配箍率的試件14個，進行雙向擬靜力試驗[1]。主要設(shè)計參數(shù)見表1，箱型墩截面尺寸見圖1。

圖1 典型試件截面尺寸（單位：mm）

采用對角線加載制度對14根構(gòu)件進行加載，對角線加載擬靜力試驗采用X和Y雙向同步加載，X方向與Y方向的位移幅值比為1∶1，每級加載循環(huán)2圈。初始階段，加載2mm，并以2mm的幅值遞增；鋼筋屈服以后，以3mm為幅值遞增加載；水平承載力開始出現(xiàn)下降后，以5mm遞增直至試驗結(jié)束。加載規(guī)則及其分解如圖2所示。

2 箱型墩雙向滯回特性

鋼筋混凝土箱型墩柱在雙向水平往復荷載作用下的荷載-位移滯回曲線和荷載-位移骨架線可參見文獻[1]。雙向加載耦合作用下X方向與Y方向的滯回曲線有較大不同，X方向的滯回曲線較為飽和，抗震性能好，Y方向捏縮現(xiàn)象明顯，抗震性能較差；軸壓比越小的試件，其滯回曲線越飽滿，耗能越強；當橋墩的軸壓比一定時，隨著長細比的增大，荷載減小，同時，骨架曲線下降段斜率也越小，試件的變形能力大。根據(jù)試件的加載和破壞過程，14個試件的試驗現(xiàn)象基本相似，均以彎曲破壞為主，并經(jīng)歷了相似的破壞過程：（1）混凝土開裂；（2）鋼筋屈服；（3） 混凝土剝落；（4） 出現(xiàn)塑性鉸；（5） 構(gòu)件破壞。 最終破壞形態(tài)為墩角混凝土被壓碎，縱筋屈曲。

表1 試驗構(gòu)件分組及試驗參數(shù)

圖2 對角線加載規(guī)則及其分解圖

3 滯回耗能

3.1 累積耗散能量

結(jié)構(gòu)構(gòu)件耗能性能可以用來評價構(gòu)件的抗震性能，耗能指標越大表示結(jié)構(gòu)在地震過程中的能量消耗越多，對結(jié)構(gòu)的抗震越有利。因此，用滯回曲線的滯回環(huán)面積和形狀來衡量結(jié)構(gòu)構(gòu)件吸收能量能力的好壞。

利用累積耗散能量評價試驗構(gòu)件的耗能能力，每個加載循環(huán)過程中X方向、Y方向滯回耗能Ex和Ey分別由公式（1）和公式（2）進行計算，構(gòu)件總的耗能能力為前兩者之和，計算公式為：

圖3 各試件的累積耗能

每個試驗構(gòu)件累積耗散能量的計算結(jié)果見圖3。圖中的每一級加載位移水平下的累積耗能對應的是該位移加載水平下第二圈結(jié)束時的累積耗散能量。

通過對比分析可以看出：

（1）雙向加載作用下，在同一位移中，軸壓比越大，試件的累積耗能越大；

（2）雙向加載作用下，在同一位移中，長細比越大，試件的累積耗能越小；

（3）雙向荷載作用下，在同一位移中，不同體積配箍率的試件累積耗能大體相同。

3.2 單圈累積耗能

為了研究每圈加載對試件的影響，分別計算了14個構(gòu)件的單圈滯回耗能和對應圈數(shù)的累積耗能，見圖4。

通過對比分析可以看出：

（1）雙向加載作用下，在相同的位移加載中，每個試件的第一圈滯回曲線的累積耗能總體上大于第二圈的累積耗能，造成這個的原因可能是第一圈加載后使試件的剛度和強度下降；

（2）雙向加載下，試件加載到破壞時，試件的累積耗能沒有明顯變化，總體上保持在一個水平。

圖4 各試件的單圈耗能與累積耗能

3.3 構(gòu)件破壞總耗能

構(gòu)件在常規(guī)破壞（荷載下降到峰值荷載的85%時）時的總耗能能夠更加明確的體現(xiàn)試驗構(gòu)件耗能能力，通過計算無量綱化能量耗能 （將某一個試件的總耗能確定為100%，其它試件的無量綱化耗能為各試件的總耗能與基準試件的總耗能的百分比）對比了相應構(gòu)件在破壞前的總耗能，結(jié)果見圖5。

通過對比分析可以看出：（1）雙向加載作用下，在相同的墩高中，軸壓比對試件的累積耗能影響規(guī)律呈“中間小，兩邊大”的趨勢，其中軸壓比（0.05和0.20）的試件的累積耗能較大，軸壓比（0.10）相對較小；（2）雙向加載作用下，相同軸壓比下，長細比對試件的累積耗能影響不明顯，總體上呈長細比越大，累積耗能越大的趨勢；（3）雙向加載作用下，體積配箍率對試件的累積耗能影響規(guī)律呈體積配箍越小，累積耗能越大的趨勢。

3.4 正則化耗能與位移延性系數(shù)的關(guān)系

由于位移延性系數(shù)和能量耗散與構(gòu)件的各種變量參數(shù)密切相關(guān)，因此研究鋼筋混凝土箱型墩的位移延性系數(shù)與耗能能力之間的關(guān)系。對于每個試驗構(gòu)件，計算從屈服點到常規(guī)破壞點的能量耗散與總能量耗散的比值作為正則化的耗能即Ecum/Ey（Ey=pyΔy/2）。圖6為構(gòu)件位移延性系數(shù)與正則化耗能之間的回歸關(guān)系圖。

對于所有試驗構(gòu)件的X、Y方向的試驗結(jié)果，位移延性系數(shù)與正則化耗能的最佳擬合曲線如圖6所示，其表達式為：

圖5 各試件的破壞總耗能

圖6 正則化耗能與位移延性系數(shù)的關(guān)系

4 結(jié)論

對已有14個鋼筋混凝土箱型墩的雙向擬靜力試驗結(jié)果進行深入分析，研究雙向低周往復荷載作用下的滯回特性，討論了滯回耗能和位移延性之間的關(guān)系，可以得到以下結(jié)論：

（1）鋼筋混凝土箱型墩在水平雙向低周反復荷載作用下，強、弱軸由于雙軸耦合效應的影響表現(xiàn)出不同的滯回特性，同時得到了不同參數(shù)影響下各構(gòu)件的滯回特性。

（2）在鋼筋混凝土箱型墩柱多維地震作用下，軸壓比是影響其性能的一個重要因素。其它參數(shù)相同的情況下，軸壓比越小，試件的滯回曲線越飽滿，耗能能力越強，試件的抗震能力也就越強。

（3）建立了鋼筋混凝土箱型墩在對角線加載規(guī)則下的正則化累積耗能（Ecum/Ey）與位移延性系數(shù)的關(guān)系，可供鋼筋混凝土箱型墩彈塑性分析使用。

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[12]中華人民共和國行業(yè)標準.CJJ 166-2011,城市橋梁抗震設(shè)計規(guī)范.北京:中國建筑工業(yè)出版社,2011.

[13]中華人民共和國國家標準.GB50111-2006,鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范.北京:中國計劃出版社,2006.

[14]California Department of Transportation.CALTRANS Seismic Design Criteria.V 1.6.USA.2010.

[15]American Association of State Highway and Transportation Official.Guide Specifications for LRFD Seismic Bridge Design.Washington,D.C.:American Association of State Highway and Transportation Officials,2011.