鋼管混凝土橋墩環梁式節點動力響應及結構優化研究

肖俊生,江 鎖,盧春亭,李 楊,王建軍

(1.中建七局安裝工程有限公司，河南 鄭州 450053；2.沈陽建筑大學，遼寧 沈陽 110168)

0 引言

隨著我國基礎設施建設的不斷完善，一些偏遠山區的交通能力得到了極大提升。橋墩高、跨度大是山區橋梁工程的主要特點[1]。鋼管混凝土橋墩承壓比大，在相同長細比條件下可大大提高上部橋梁的跨度，環梁節點是一種將橋墩與梁板連接的無支座新型橋梁體系，其連接處應力狀態復雜，也是橋墩受力的薄弱環節，連接的可靠性關系到整個橋梁結構的穩定性和安全性，必須引起高度重視[2-3]。橋梁上部結構承受行車荷載通過支座直接傳遞給橋墩立柱，節點在車輛等動荷載下的響應及破壞機理與靜荷載有很大不同，一些學者也對此進行了大量研究。王靜峰[4]等通過ANSYS有限元分析軟件，采用三維接觸單元的網格劃分方法得到了節點在動荷載作用下的滯回曲線；陳娟[5]等利用試驗的方法分析了構件破壞形態及裂縫發展情況，得到了節點動力荷載下滯回曲線及鋼筋內力變化曲線；聞洋[6]等在大量試驗基礎上提出了一種新的有限元本構模型，充分考慮了材料、結構幾何關系的非線性。

從現階段的研究中可以發現，針對節點的試驗和有限元模擬動力特性分析可以發現，對節點的計算方法尚未統一，相關理論尚未成熟，因此本文采用有限元分析軟件ABAQUS分析了節點在動力荷載作用下的時程效應，并為節點設計進行了優化分析，為節點受力分析和結構設計提供了一種新的思路。

1 節點內力傳遞機理分析

混凝土環梁節點的破壞與梁截面尺寸、鋼管混凝土強度等級、截面積、節點配筋等有密切關系。按照“強節點、弱構件”的設計理念[7-9]，鋼管混凝土的設計強度高于節點強度，構件破壞時塑性鉸由節點逐步發展，其破壞模式如圖1所示，節點將橫隔板及T梁直接與立柱連接，省略上部支座結構，節點破壞是由于橫梁內塑性區發展并最終擴展至節點內部，使混凝土開裂，截面承載力降低。

圖1 節點設計破壞模式

節點在各種工況下主要承擔上部荷載傳遞的彎矩和剪力[10]。節點梁所受上部荷載傳遞至節點處形成負彎矩，形成節點上部受拉、下部受壓的狀態，其內力由內部箍筋、環向鋼筋、腰筋及混凝土共同承擔[11-14]。上部荷載在環梁間傳遞會在節點處形成剪力，節點與鋼管混凝土間通過抗剪環連接，防止節點受剪后與鋼管混凝土脫落。

相關文獻認為[15-16]，鋼管混凝土與橫梁節點是一個受力整體，以節點內鋼材及混凝土的共同受力為分析基礎。其受剪及受彎整體分析驗算表達式如式(1)、式(2)所示。

(1)

(2)

式中:M、N、V為外部作用的彎矩、軸力及剪力；M0、N0、V0為相同尺寸及截面構造條件下鋼管混凝土截面極限抗彎、抗壓、抗剪承載力；ASC為鋼管混凝土總截面面積；fSC為總截面極限抗壓承載力。

結構在動力荷載下的響應，按照動力放大系數對相應的外力進行放大后，通過式(1)和式(2)進行設計驗算。

2 結構動力分析

本文選取有限元分析軟件ABAQUS采用多種單元模式對鋼管混凝土橋墩環梁節點進行了建模分析，其中鋼管選用殼體單元，鋼管內混凝土采用實體單元，鋼管與混凝土間通過Tie 命令連接，使鋼管和混凝土間沒有相對位移，共同受力，鋼筋采用線性桁架單元模擬。節點尺寸及配筋如圖2所示，鋼管殼體厚度為30 mm，模擬長度為3 m，內部為C50混凝土，環梁截面尺寸為500 mm×800 mm，混凝土等級為C40，受力鋼筋等級為HRB400，箍筋等級為HPB300。

圖2 普通節點構造(單位：mm)

本文的動力荷載采用低周期反復荷載形式，其加載以位移控制為主，即以幾點位移量為荷載施加控制條件。

節點應力云圖如3所示，從圖3中可以發現，環形梁節點端部應力較大，且出現了明顯的塑性變形，隨著循環荷載的增加，環形梁與水平梁連接處拉應力超過了混凝土抗拉強度，混凝土出現拉裂縫，裂縫逐步發展至環形梁內部。

圖3 節點應力云圖

取混凝土環形節點內應力最大點為研究對象，其應力與時間關系曲線如圖4所示，從圖4中可以發現，在低周期反復荷載作用下節點應力呈階梯型增長，并具有較大的變化范圍，這是因為周期荷載的施加是以結構位移發展為基礎，因此結構內力的增長也是根據位移增長呈階梯形增長。

圖4 節點應力變化

結構的滯回曲線是結構在循環荷載下位移及荷載關系變化曲線，是結構對動荷載的位移響應。環形梁端部滯回曲線如圖5所示，從圖5中可以發現，節點整體處于彈塑性變形范圍內，加載初始階段，正向荷載和負向荷載加載曲線重合，節點殘余變形較小，隨著荷載的增加，滯回曲線不再飽滿，循環荷載不再重合，節點殘余變形明顯，滯回曲線呈現梭形，從節點破壞分析，當正向荷載達到380 kN時，節點正向位移量達到27.3 mm，節點殘余變形量達到12.5 mm。

圖5 環形梁端部滯回曲線

每一級循環荷載加載到最大時對應構件最大位移連接形成的曲線稱為節點荷載-位移骨架曲線。環形梁節點骨架曲線如圖6所示，從圖6中可以發現，曲線下降段較陡，且下降段過原點，呈現直線形狀，直線斜率等于節點的變形模量，曲線斜率較大因為混凝土及鋼筋等級較高，因此彈性模量較大，隨著節點變形量的增加，節點塑性區范圍擴大，節點變形能力減弱，從圖6中可發現節點最大位移21.3 mm，最大荷載380 kN，與滯回曲線一致。

圖6 荷載-位移骨架曲線

節點剛度變化曲線是節點對動荷載的另一種響應。節點剛度變化曲線如圖7所示，從圖7中可以發現，隨著位移量的增加，節點剛度降低，這是因為塑性變形減小了節點的受力面積，因此剛度逐漸降低，從圖7中可以發現，節點剛度早期下降速率較快，因此前段較后段傾斜。

圖7 節點剛度變化

3 節點優化

從以上的結構動力特性分析中可以發現，節點破壞從環形梁端部開始并逐漸發展至梁內部，節點梭形滯回曲線及荷載-位移表明節點應力分布復雜，且在環形梁端部塑性區發展迅速，與梁正交方向梁體變形較小，因此必須對節點鋼筋重新配置，使節點端部內力傳至中部共同受力。

為了增強截面間內力傳遞效率，充分發揮環梁的整體效應，對環梁設置了HRB400直徑8 mm的斜向拉筋，拉筋距離150 mm，以將局部應力擴散至全梁，斜向拉筋布置如圖8所示。

圖8 斜向拉筋布置示意

優化后環形梁端部滯回曲線如圖9所示，從圖9中的滯回曲線可以發現優化后端部塑性區域擴大，節點位移增大，相比較于圖5可以發現滯回環相對扁平，結構周期荷載最大增加到475 kN。

圖9 環形梁端部滯回曲線

根據環形梁端部滯回曲線，得到了如圖10所示的荷載-位移骨架曲線，從曲線中可發現，優化后環形梁的極限荷載及最大位移均比之前大，其中最大荷載增加到475kN，最大位移增大到27.5 mm。

圖10 荷載-位移骨架曲線

從環形梁端部滯回曲線及荷載-位移骨架曲線中可以發現，優化后環形梁在低周期反復荷載作用下力學性能提升，極限承載力及位移均增加。

4 結語

鋼管混凝土橋墩通過對混凝土的約束增強承載力，橋墩通過環梁式節點與橫系梁等橫向結構物連接，是整個橋梁下部結構中的薄弱環節，本文用數值分析軟件ABAQUS對節點的動力特性進行了模擬分析，得到了薄弱節點處在反復周期荷載下的滯回曲線及荷載-位移骨架曲線，在對節點的動力特性分析基礎上對節點配筋進行了優化分析，通過增設斜向拉筋增強節點承載能力，優化后的滯回曲線及荷載-位移骨架曲線均優于普通環形節點。