截面空心系數(shù)對(duì)空心橋墩抗震性能的影響分析

楊亞洲， 王大鵬，2

（1.蘇州科技大學(xué)，江蘇 蘇州 215009；2.江蘇省結(jié)構(gòu)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 蘇州 215009）

0 引言

地震作為一種破壞力極強(qiáng)的自然災(zāi)害之一，給人民生活和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來了極大的危害。引發(fā)橋梁結(jié)構(gòu)損壞、主要承重構(gòu)件破損嚴(yán)重及殘余變形過大等后果。橋梁的災(zāi)后修復(fù)極為困難，甚至不得不拆除重建。橋梁抗震性能研究的重要性不言而喻［1］。對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性能研究主要包括數(shù)值模擬、試驗(yàn)研究，包括能夠預(yù)測(cè)在不同地震作用下，結(jié)構(gòu)發(fā)生不同破壞等級(jí)的概率問題的易損性分析［2］。薄壁空心橋墩因其自重輕，節(jié)約材料且抗震性能優(yōu)越而被廣泛應(yīng)用于我國西南地區(qū)。針對(duì)不同截面空心系數(shù)的矩形空心橋墩進(jìn)行抗震性能分析研究，對(duì)減少地震的直接損失和橋梁公路網(wǎng)癱瘓而帶來的次生災(zāi)害具有重要的意義，也能夠降低地震災(zāi)害造成的經(jīng)濟(jì)損失。如何確保橋梁結(jié)構(gòu)在震后能夠可靠安全運(yùn)行，更好發(fā)揮其功能，成為工程界關(guān)注重點(diǎn)。

近些年來，國內(nèi)外對(duì)于矩形空心橋墩也有了很多研究。羅征等［3］從構(gòu)件與截面兩個(gè)層面評(píng)價(jià)了墩柱試件的整體抗震性能，并分析了配筋率、剪跨比對(duì)橋墩承載能力、延性、耗能等抗震性能的影響。杜修力、韓強(qiáng)等［4-7］通過擬靜力試驗(yàn)從單、雙向水平地震作用下橋墩抗震性能的比較；進(jìn)行了恒定軸力下的水平雙向加載擬靜力試驗(yàn)，研究其整體抗震性能和影響因素，重點(diǎn)比較了不同軸壓比下橋墩的破壞機(jī)理、承載能力、延性、剛度、耗能能力等方面的抗震性能；通過研究不同截面、長細(xì)比、軸壓比、配筋率等參數(shù)對(duì)橋墩破壞形態(tài)及抗震性能分析。崔海琴［8］等研究薄壁墩在壓、彎、剪共同作用下的破壞形態(tài)、位移延性和耗能能力，探討軸壓比、配箍率2個(gè)參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)極限承載力和延性性能的影響。Ogata等［9］進(jìn)行抗震擬靜力試驗(yàn)，對(duì)比空心橋墩有無拉結(jié)鋼筋模型試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)表明拉結(jié)鋼筋額設(shè)置對(duì)空心墩的抗震性能影響較大，能夠顯著提高矩形空心墩的抗震性能。吳會(huì)閣等［10］考慮地震多維性對(duì)矩形空心橋墩的抗震性能的影響，對(duì)比3種加載路徑下橋墩的承載力、變形及剛度等抗震性能的變化。

文中為了能夠更深入的探究空心橋墩的墩高及空心截面尺寸對(duì)其抗震性能的影響，選用OpenSees有限元軟件建立矩形空心橋墩模型，設(shè)置了不同墩高及不同空心截面尺寸及形式的空心橋墩，比較空心截面尺寸對(duì)于橋墩抗震性能的影響，為后續(xù)的矩形空心橋墩抗震設(shè)計(jì)提供參考。

1 有限元模型

文中為了能夠更深入的探究空心橋墩的墩高及空心截面尺寸對(duì)其抗震性能的影響，參考申彥利［11］數(shù)值模擬模型，該模型已進(jìn)行驗(yàn)證。文中模型再此基礎(chǔ)上進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。用OpenSees有限元軟件建立空心橋墩模型，設(shè)置了不同墩高及不同空心截面尺寸及形式的空心橋墩，比較空心截面尺寸對(duì)于橋墩抗震性能的影響，為后續(xù)的矩形空心橋墩抗震設(shè)計(jì)提供參考。

為模擬鋼筋混凝土矩形空心橋墩在靜力彈塑性分析法（Pushover）荷載作用下的力—位移相關(guān)性，建立鋼筋混凝土空心橋墩的有限元模型，模型參數(shù)見表1。選用Tcl語言命令流形式，使用section Fiber進(jìn)行空心墩截面纖維劃分。模型截面及纖維劃分見圖1（a）。所有模型的外界面尺寸均相同，外廓尺寸為5000mm×3600mm，保護(hù)層厚度為35mm。模型截面及加載模式。圖1（a）中引入?yún)?shù)：矩形薄壁空心橋墩的空心系數(shù)α=2Bf/D。其中，D為截面外輪廓豎直方向長度。

圖1 模型截面及纖維化劃分

2 模型基本假定與材料選擇

在《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》［12］中，規(guī)則橋梁的橋墩上部結(jié)構(gòu)的質(zhì)量遠(yuǎn)大于墩柱自重，且地震作用以第一振型為主。橋墩模型選用頂部質(zhì)量集中的單自由度懸臂桿進(jìn)行數(shù)值模擬，底部采用固定約束，上部結(jié)構(gòu)采用集中荷載作用代替，作用于橋墩頂部。

OpenSees材料庫中有多種材料模型可供選擇，考慮到橫向箍筋約束對(duì)混凝土材料強(qiáng)度和延性性能，以及混凝土的剩余強(qiáng)度的影響，文中選擇ConCrete02?？紤]鋼筋等向應(yīng)變硬化影響且優(yōu)化計(jì)算效率，選用Steel02作為鋼筋的本構(gòu)模型。

圖2 加載方式

表1 模型參數(shù)

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

靜力彈塑性分析法（Pushover），是對(duì)結(jié)構(gòu)施加沿高度呈一定規(guī)律分布的遞增荷載，直至將結(jié)構(gòu)推至目標(biāo)位移結(jié)構(gòu)形成倒塌，以此來判斷可能出現(xiàn)的地震作用下，結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的抗震能力是否滿足設(shè)計(jì)及使用功能的要求［13］。該方法計(jì)算簡(jiǎn)單，能夠直白有效的表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)的整體抗震性能，快速且準(zhǔn)確的展現(xiàn)出結(jié)構(gòu)在地震作用下的變形以及破壞情況。不僅僅可以用于學(xué)術(shù)研究，還能夠在實(shí)際工程項(xiàng)目中展現(xiàn)一定的應(yīng)用價(jià)值。選用OpenSees進(jìn)行位移控制加載方式（integrator Dispacement Conrtol），通過Origin畫圖軟件根據(jù)墩頂位移及基底剪力的關(guān)系得到力—位移曲線。采用位移控制對(duì)墩頂施加側(cè)向力，直至構(gòu)件達(dá)到極限狀態(tài)。屈服點(diǎn)為受拉鋼筋屈服，此時(shí)產(chǎn)生的位移為屈服位移。極限狀態(tài)為受壓區(qū)混凝土達(dá)到極限壓應(yīng)變，或受拉鋼筋達(dá)到極限拉應(yīng)變，此時(shí)對(duì)應(yīng)位移為極限位移［14］。

3.1 不同空心截面空心墩Pushover分析

對(duì)比截面空心系數(shù)為0.2～0.8的矩形空心橋墩，在Pushover荷載作用下的力—位移曲線，分析其抗震性能，如圖3～圖5所示。通過圖3～圖5可以明顯看出，橋墩在側(cè)向力作用下，經(jīng)歷了彈性階段、塑性階段、和屈服階段。不同截面空心系數(shù)及不同截面空心類型的空心墩進(jìn)入不同階段時(shí)，頂點(diǎn)位移及基地剪力有較大差異。相同墩高情況下，不同截面空心系數(shù)及空心類型對(duì)橋墩的抗震性能影響較大。隨著截面空心系數(shù)的在0.2～0.6時(shí)，矩形空心橋墩的開裂荷載、屈服荷載都逐漸增加，而方心空心截面空心墩承載力呈現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì)。隨著截面空心系數(shù)的提高，方形及矩形空心截面橋墩的承載能力變化并不明顯，甚至出現(xiàn)下降趨勢(shì)，但是屈服位移和延性位移都出現(xiàn)緩慢增加現(xiàn)象。

圖3 墩高14.4m矩形空心截面橋墩力-位移曲線

圖4 墩高28.8m矩形空心截面橋墩力-位移曲線

圖5 墩高28.8m方形空心截面橋墩力-位移曲線

在相同截面空心系數(shù)前提下，方形空心截面的承載力優(yōu)于矩形內(nèi)空心截面的空心墩，但矩形空心截面的空心橋墩的屈服位移、極限位移增加，位移延性提高顯著。因此建議在薄壁矩形空心橋墩的抗震設(shè)計(jì)中，考慮截面空心系數(shù)應(yīng)在0.3～0.6之間，選用矩形空心截面的空心墩抗震性能更為優(yōu)越、經(jīng)濟(jì)?？招亩盏目招慕孛嫘问綄?duì)橋墩的屈服荷載、極限承載力、屈服位移、極限位移等抗震性能參數(shù)也有一定的影響。

3.2 不同墩高空心墩Pushover分析

為了分析墩高對(duì)于空心橋墩抗震性能的影響，分別選取不同墩高，截面空心系數(shù)為0.3、0.4、0.5、0.6的矩形、方形空心截面橋墩的力—位移曲線對(duì)比，分析其抗震性能，如圖6所示。

圖6 不同墩高空心墩力-位移曲線

從圖6中不同墩高下的空心橋墩的力-位移曲線可以清晰看出，當(dāng)橋墩的位移不斷增加時(shí)，隨著橋墩的高度的增加，橋墩的抗側(cè)向力下降幅度較大，并且空心墩的開裂荷載、屈服荷載和極限荷載也會(huì)降低。但位移都會(huì)隨之提高，變形能力逐漸增強(qiáng)。在地震作用下，矮墩更易發(fā)生剪切破壞，而高墩多發(fā)生彎曲破壞或彎剪破壞。橋墩的開裂位移、屈服位移和極限位移。橋墩的變形能力也直接反映了其延性性能。延性能力越好，說明橋墩對(duì)地震作用下的變形抵抗能力越強(qiáng)。

4 結(jié)語

文中通過有限元軟件OpenSees建立3組不同墩高、不同截面空心系數(shù)及空心截面形式的鋼筋混凝土空心橋墩模型，進(jìn)行Pushover擬靜力數(shù)值模型。依據(jù)力-位移曲線，探究不同墩高及截面空心系數(shù)與類型對(duì)其承抗震性能的影響，得到以下結(jié)論：

（1）橋墩墩高對(duì)橋墩的抗震性能影響較大。若墩高增加，橋墩的屈服荷載和極限荷載會(huì)隨之降低，且下降幅度也逐漸縮小。但屈服位移和極限位移隨之緩慢增加，延性提高。

（2）當(dāng)墩高一定時(shí)，橋墩的抗震性能受截面空心系數(shù)影響明顯。在截面空心系數(shù)在0.2～0.6時(shí)，結(jié)構(gòu)的豎向承載力、側(cè)向承載力隨橋墩截面空心系數(shù)的呈現(xiàn)正相關(guān)，墩頂屈服位移和極限位移也會(huì)隨之增加。當(dāng)截面空心系數(shù)大于0.6時(shí)，結(jié)構(gòu)的承載力增幅減小。故空心系數(shù)0.3～0.6時(shí)不僅能降低自重，節(jié)約材料，且橋墩的承載能力和變形能力更好，抗震性能更佳。

（3）空心墩的空心截面形式對(duì)橋墩的屈服荷載、極限承載力、屈服位移、極限位移等抗震性能參數(shù)也有一定的影響。綜合綠色經(jīng)濟(jì)性，建議在空心橋墩的抗震設(shè)計(jì)時(shí)，選擇符合截面空心系數(shù)建議值的矩形空心橋墩。