钢箱混凝土空心薄壁墩抗震性能研究

张正琦,程 高,姬子田,叶 超

(1.陕西铁路工程职业技术学院,陕西 渭南 714000;2.长安大学公路学院,陕西 西安 710064;3.公路大型结构安全教育部工程研究中心,陕西 西安 710064;4.公路桥梁与隧道陕西省重点实验室,陕西 西安 710064)

我国西部山区受地形影响,空心薄壁桥墩应用广泛,西部山区又属于地震频发区,随着我国西部山区桥梁建设的持续推进,对空心薄壁桥墩抗震提出了更高的要求。钢箱混凝土空心薄壁桥墩通过在内外层钢壁之间灌注核心混凝土形成,是对钢管混凝土和空心薄壁墩的扩展和丰富,相比传统钢筋混凝土构件具有更好的承载能力、较好的延性和抗震性能[1-5]。目前针对钢管混凝土空心桥墩抗震性能的研究较少,对钢箱混凝土空心薄壁桥的研究更是匮乏。周淑芬[6]分析了一长联矮墩连续刚构桥,研究表明,钢管混凝土桥墩耗能能力和延性优于钢筋混凝土桥墩,建议在地震多发地使用钢管混凝土作为桥墩构件。王占飞等[7]采用 MARC 软件模拟分析了部分填充混凝土的圆形钢管混凝土柱的耗能能力,发现混凝土的填充高度会显著改变构件屈曲的发生部位,而构件的长细比和钢管径厚比对构件的屈曲模态和耗能能力影响不大。Nakanishi等[8]通过试验对比分析了空钢管混凝土、方钢管混凝土和空心方钢管混凝土3种桥墩的滞回性能,研究发现试件进入塑性后,钢管混凝土桥墩可以有效延缓刚度退化。邱文亮等[9]对5个钢管混凝土组合桥墩试件进行低周往复加载试验,结果表明钢管混凝土组合桥墩试件的水平抗推刚度和承载力均随轴压比的增加而提高,但位移延性和耗能能力变差,建议提高纵筋配筋率进行改善。张国靖等[10]、王灿[11]采用OpenSees有限元分析软件分析发现提高混凝土抗压强度和钢材屈服强度可提高钢箱混凝土空心薄壁构件抗震性能。徐艳等[12]对2座采用部分填充圆形钢管混凝土桥墩的两跨高架桥缩尺模型进行振动台试验,研究发现无偏心桥墩的纵向墩顶位移远大于有偏心桥墩,建议在设计有偏心部分充填圆形钢管混凝土桥墩时,合理选取混凝土充填高度和径厚比等结构参数,减少恒载偏心对其抗震性能的不利影响。

已有研究缺乏添加开孔钢板(PBL)加劲肋对墩柱抗震性能的影响。本次研究先在MIDAS Civil中建立起依托工程全桥模型,同时通过截面等效,用钢箱混凝土空心薄壁墩替换原桥的钢筋混凝土空心薄壁墩,对两种桥墩进行弹性时程分析,对比墩底动力响应,验证钢箱混凝土空心薄壁墩的优势性,再在ABAQUS中针对钢箱混凝土空心薄壁构件,建立加PBL加劲肋和不加PBL加劲肋的构件有限元模型,进行低周往复荷载受力分析,对比研究PBL加劲肋对钢箱混凝土空心构件滞回曲线、骨架曲线、延性系数、耗能能力和残余变形等特性的影响规律,以期为钢箱混凝土空心薄壁墩柱的推广应用提供理论支撑。

1 地震响应分析

1.1 工程概况

选取甘肃省甜永高速史家山互通区一跨山头桥为研究对象,上部结构为标准40 m预应力混凝土后张小箱梁,取4×40 m一联跨径形式进行分析,下部结构桥墩均采用矩形空心薄壁墩,承台基础为桩基础,4根圆柱桩桩径为2 m,桩长均为36 m。

1.2 有限元模型建立

采用MIDAS Civil建立全桥空间有限元模型,主梁及桥墩采用空间梁单元模拟,支座与桩土作用分别采用弹性连接和m法模拟,主梁与下部结构混凝土型号分别为C50和C40,全桥模型见图1,模型信息见表1。

表1 全桥模型信息Table 1 Bridge model information

图1 全桥模型Fig.1 Full bridge model

1.3 地震响应分析

在保证结构竖向承载力满足要求条件下,用钢箱混凝土空心薄壁墩代替原钢筋混凝土空心薄壁墩。通过软件内置的截面特性计算器进行截面等效建立起钢箱混凝土空心薄壁墩模型,对两种桥墩作弹性时程分析下的墩底地震响应对比,钢材选择HRB400。

选用EI-Centro波作为地震波,调幅至0.05g进行纵桥向及横桥向激励,不考虑竖向地震的影响。限于文章篇幅,仅给出顺桥向地震作用下桥墩墩底剪力时程曲线与最高墩墩顶位移时程曲线,如图2所示。

图2 顺桥向地震墩底响应Fig.2 Seismic response of pier bottom along the bridge

由图2(a)～(c)墩底的剪力时程曲线可以看出:墩高越小,抗推刚度越大,内力水平越高;墩高越高,墩底内力变化越剧烈;钢箱混凝土桥墩相比钢筋混凝土桥墩能有效减小墩底顺桥向地震内力峰值响应,且墩高越高,减小越明显。

图2(d)为顺桥向地震作用下最高墩墩顶的位移时程曲线,可以看出钢箱混凝土桥墩相比钢筋混凝土桥墩,地震作用下会产生更大的位移响应。横桥向地震作用下桥墩响应规律与纵桥向一致,不再赘述。

综上分析可知钢箱混凝土桥墩相比钢筋混凝土桥墩,在地震作用下能通过更大位移有效减小墩底地震内力峰值响应,且墩高越高,减小越显著,更能适应地震作用下的变形。

2 PBL对钢箱砼空心构件抗震性能影响

由前述分析可知钢箱混凝土空心薄壁桥墩相比钢筋混凝土空心薄壁桥墩能有效减小墩底地震内力峰值响应,本节针对钢箱混凝土空心薄壁构件,在ABAQUS中建立加PBL加劲肋和不加PBL加劲肋的构件模型,进行低周往复荷载受力分析,研究PBL加劲肋对钢箱混凝土空心墩柱滞回曲线、骨架曲线、延性系数、耗能能力和残余变形等特性的影响规律,分析比较两种构件抗震性能的优劣。

2.1 有限元模型建立

构件核心混凝土采用C3D8R实体单元模拟,钢壁与混凝土接触采用绑定约束,内外钢壁和PBL加劲肋均采用S4R壳单元模拟,PBL与混凝土接触采用嵌入约束,与钢壁采用绑定约束。模型构件网格划分见图3。

图3 网格划分Fig.3 Meshing division

钢砼界面接触由界面的法向接触和切向粘结滑移构成,混凝土作为主面,钢管作为从面,摩擦系数采用文献[13]中取值。

在加载板中心耦合参考点,约束底部参考点三向的平动自由度,约束顶部参考点X方向的平动自由度和其余两个方向的转动自由度后,施加Y方向的轴力和Z正方向的变幅位移荷载,轴力按轴压比0.5取值,位移加载方式见图4。

图4 位移加载方式Fig.4 Replacement loading mode

2.2 材料本构关系

钢材的本构采用二折线的弹塑性模型,弹性阶段的弹性模量Es和泊松比vs采用文献[14]中取值,塑性段模量为0.01Es。混凝土参数采用文献[15]中取值。

2.3 结果分析

(1) 滞回曲线和骨架曲线 为分析两类构件的抗震性能,提取反复荷载作用下试件的滞回曲线,并将滞回曲线上同向各次加载的荷载极值点依次相连得到骨架曲线,模型滞回曲线和骨架曲线分别见图5和图6。

由图5可知两组模型滞回曲线图形都很饱满,说明钢箱混凝土空心构件具有良好的抗震性能,添加PBL后,钢箱混凝土空心构件的水平承载力显著提高。通过对比图6可知,在塑性范围内两类模型构件的承载能力均开始下降,出现强度退化和刚度退化,但添加PBL加劲肋的构件刚度退化相对较缓。综合说明添加PBL加劲肋显著提高了钢箱混凝土空心墩的水平承载力和构件延性。

图5 滞回曲线Fig.5 Hysteretic curve

图6 骨架曲线Fig.6 Skeleton curve

(2) 延性系数 构件的非弹性变形能力用位移延性系数μ来表征,计算公式为

μ=Δu/Δy。

(1)

试件骨架曲线的特征参数汇总如表2所列,表2中Py、Δy分别表示屈服荷载和屈服位移;Pmax为峰值荷载;Δu为极限位移,取骨架曲线上水平荷载下降至峰值85%对应的位移。

表2 骨架曲线特征点Table 2 Characteristic point of Skeleton curve

由表2可以得出添加PBL加劲肋后的钢箱混凝土空心构件位移延性系数大于未添加PBL加劲肋的钢箱混凝土空心构件,表明添加PBL加劲肋可以提高钢箱混凝土空心构件的非弹性变形能力。

(3) 耗能能力 等效黏滞阻尼比ξeq常用于评价构件的耗能能力,ξeq可以表示为

ξeq=Ah/2πVmΔm,

(2)

两种构件等效黏滞阻尼比随位移幅值的变化曲线如图7所示。

由图7可以得出,钢箱混凝土空心构件随着位移幅值的增大等效黏滞阻尼系数不断增大,添加PBL加劲肋的构件随着位移幅值的增大与不加PBL加劲肋构件的差值越来越小,表明振动位移越大,耗能能力越强,强震作用下,添加PBL加劲肋的钢箱混凝土空心构件耗能能力更能得到发挥。

图7 等效黏滞阻尼比随位移幅值变化关系Fig.7 Relationship between equivalent viscous damping coefficient and replacement amplitude

(4) 加载结束后的混凝土损伤 两种构件混凝土受压损伤云图如图8所示。由图8可以看出构件的最大损伤出现在墩底,添加PBL加劲肋后使得钢箱混凝土空心构件的混凝土损伤减小,损伤云图最大损伤部位面积也有所减小,损伤云图更加对称协调。

图8 混凝土受压损伤云图Fig.8 Nephogram of concrete compression damage

(5) 残余变形 试件加载至幅值再卸载至初始状态的过程中,试件会产生不可恢复的残余变形,这是提供震害评估的重要信息。构件的残余变形越小,表明在震后能更好地继续工作,更有利于加固和修复。两种构件的残余变形随位移幅值的变化曲线对比见图9。

图9 残余变形对比Fig.9 Comparison of residual deformation

由图9可以得到,添加PBL加劲肋可有效减小钢箱混凝土空心构件的残余变形,更有利于震后修复和继续服役。

3 结论

(1) 钢箱混凝土空心薄壁桥墩相比钢筋混凝土空心薄壁桥墩,在地震作用下能通过产生更大的位移来增大耗能从而有效减小墩底地震内力峰值响应,且墩高越高,减小越显著,更能适应地震作用下的变形。

(2) 添加PBL加劲肋可减小钢箱混凝土空心构件往复荷载作用下的损伤,改善结构受力状态。

(3) 添加PBL加劲肋后能显著提高钢箱混凝土空心构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发挥,有利于震后修复和继续工作。