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        柔性橫系梁鋼管混凝土雙柱墩抗震性能分析

        2015-05-08 07:28:10超,李
        現(xiàn)代交通技術(shù) 2015年2期
        關(guān)鍵詞:系梁延性橋墩

        何 超,李 洋

        (長安大學(xué) 公路學(xué)院,陜西 西安 710064)

        鋼管混凝土是指在鋼管中填充混凝土而形成的構(gòu)件,其利用鋼材和混凝土兩種材料在受力過程中的相互作用,即鋼管對其核心混凝土的約束作用,使混凝土處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)之下,從而使混凝土的強(qiáng)度得以提高,塑性和韌性性能得到改善。本文運(yùn)用OpenSees軟件進(jìn)行鋼管混凝土柱的模擬分析,OpenSees(Open System for Earthquake Engineering Simulation)是由美國加州大學(xué)伯克利分校、太平洋地震中心等共同開發(fā)的一個開放式地震模擬系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅具有豐富的材料本構(gòu)關(guān)系和單元類型,而且具備非常強(qiáng)大的求解功能,已引起世界各國地震工程領(lǐng)域研究人員的重視和關(guān)注,在國內(nèi)也開展了一些相關(guān)的研究工作[1-4]。

        1 分析方法及材料參數(shù)

        目前抗震設(shè)計中常用的方法有時程分析、反應(yīng)譜分析、擬靜力分析;擬靜力分析中又可分為線彈性分析、推倒分析、置換結(jié)構(gòu)分析[5]。推倒分析又稱Pushover分析,Pushover分析法自1975年由Freeman等[6]提出后,經(jīng)過20多年的發(fā)展完善,目前已發(fā)展成一種比較成熟的研究結(jié)構(gòu)抗震性能的非線性分析方法。Pushover方法作為一種簡化的非線性分析方法,能從整體上把握結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力性能,分析構(gòu)件的延性性能,從而對結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件進(jìn)行評估,找到結(jié)構(gòu)的薄弱部位,為設(shè)計改進(jìn)提供參考,同時非線性擬靜力分析可以得到較為穩(wěn)定的分析結(jié)果,減小分析結(jié)果的偶然性,而且較時程分析方法花費(fèi)較少的時間和勞力。文中采用Pushover分析,通過單調(diào)加載與循環(huán)加載分析橋墩結(jié)構(gòu)的抗震性能。

        1.1 加載模式及步驟

        單調(diào)加載,由位移控制,在橋墩頂部某一位置施加單調(diào)遞增水平位移,其加載過程由墩頂位移從零開始,施加一固定位移增量,產(chǎn)生一以位移為基準(zhǔn)的單調(diào)遞增的側(cè)向力,使橋墩經(jīng)歷由彈性—塑性屈服—破壞過程。

        循環(huán)加載,在墩頂施加水平往復(fù)位移荷載,每級位移荷載作用循環(huán)兩次,其加載制式如圖1所示。

        圖1 循環(huán)加載制式

        1.2 模型材料參數(shù)

        通過對國內(nèi)外鋼管混凝土軸壓試件試驗結(jié)果整理和分析,發(fā)現(xiàn)鋼管混凝土核心混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線特性主要和約束效應(yīng)系數(shù)ξ相關(guān)[7]。

        式中:As、Ac分別為鋼管和混凝土截面積;fy、fck分別為鋼材屈服強(qiáng)度與混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。其影響主要表現(xiàn)在:ξ值越大,受力過程中,鋼管對其核心混凝土提供的約束作用越強(qiáng),隨著變形的增加,混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線下降段出現(xiàn)得越晚,甚至不出現(xiàn)下降段;反之,ξ值越小,鋼管對其核心混凝土的約束作用將越小。

        基于上述認(rèn)識,通過對大量鋼管混凝土軸壓短試件試驗結(jié)果的驗算和分析,并充分考慮約束效應(yīng)系數(shù)ξ的影響,圓形截面核心混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型如下[8]:

        當(dāng)εc≤ε0時,

        當(dāng)ξ≤1.12,εc≥ε0時,

        式中:σ0,ε0分別為核心混凝土峰值應(yīng)力及其對應(yīng)的應(yīng)變;σc,εc分別為核心混凝土應(yīng)力及其對應(yīng)的應(yīng)變;β=(2.36×10-5)[0.25+(ξ-0.5)7]fc2×3.51×10-4。

        模型中橋墩采用圓形截面,截面直徑為1.2 m,墩身采用C40混凝土,鋼管采用HRB335鋼材,鋼管厚度12 mm。通過計算得約束效應(yīng)系數(shù)ξ為0.515 4,截面含鋼率4.123%,單柱墩軸壓比0.15,故在墩頂施加豎向荷載9 434.692 kN。

        在OpenSees中采用基于柔度法的非線性纖維梁柱單元模擬墩身單元,計算鋼管混凝土在地震作用下的彈塑性性能。該單元的力平衡控制方程,在全過程中,包括材料進(jìn)入屈服強(qiáng)非線性和幾何大變形時,均能嚴(yán)格滿足計算要求,并且可以進(jìn)行材料和幾何雙重非線性模擬分析。在程序分析中,混凝土采用Concrete01、鋼材選用steel01材料類型,其本構(gòu)關(guān)系如圖2所示。

        圖2 模型材料本構(gòu)關(guān)系曲線

        1.3 模型驗算

        依據(jù)如圖2(b)所示鋼筋本構(gòu)關(guān)系,建立理想彈塑性鋼材鋼柱模型,由位移控制,單調(diào)加載,進(jìn)行pushover分析,根據(jù)模型計算數(shù)據(jù),當(dāng)鋼柱產(chǎn)生屈服時,其荷載位移曲線如圖3所示,輸出的模型曲線符合理論模型。

        圖3 理想彈塑性鋼材pushover曲線

        2 橋墩分析模型

        為探索同一基礎(chǔ)上無橫系梁、蓋梁雙柱墩和柔性橫系梁雙柱墩等不同橋墩形式的抗震性能,基于OpenSees平臺建立如下4種模型。

        2.1 單柱墩模型(模型1)

        在同一基礎(chǔ)上放置的兩個橋墩之間不采取任何連接措施的單柱墩形式,這類橋墩通常設(shè)計為在一個橋墩頂部放置固定支座,另一個墩頂放置滑動支座。由于滑動支座不傳遞水平推力,故在地震作用下,水平力全由固定支座承擔(dān),因此模型可以簡化為單柱墩進(jìn)行分析。單柱墩模型墩高10 m,結(jié)構(gòu)受力模式及墩柱截面尺寸如圖4所示。

        圖4 鋼管混凝土單柱墩模型示意圖

        2.2 柔性橫系梁雙柱墩模型(模型2)

        當(dāng)雙柱墩墩柱較高時,通常要在兩墩柱之間設(shè)置橫系梁以改善墩柱的受力,為便于建模分析計算,將橫系梁設(shè)置于墩頂,探討橫系梁剛度的變化對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。該模型墩柱構(gòu)造與上述相同,柱間距7.0 m,由于柔性系梁在地震作用下允許發(fā)生破壞,因而程序中模擬系梁時選用纖維單元。為分析不同系梁剛度對橋墩抗震性能的影響,模型中分析選用尺寸為1.4 m×1.2 m、1.2 m×1.0 m、 1.0 m×0.8 m的矩形截面,各系梁配筋率分別為1.39%、1.40%、1.38%。系梁截面與墩柱截面抗彎剛度比如下:β1=0.337,β2=0.177,β3=0.081 9。該模型在系梁質(zhì)心處施加與單柱墩方向相同的水平力,在左、右墩柱頂部施加與單柱墩大小相同的結(jié)構(gòu)恒載。

        結(jié)構(gòu)受力示意圖與1.4 m×1.2 m矩形系梁截面配筋圖如圖5所示。

        圖5 柔性橫系梁鋼管混凝土雙柱墩模型

        2.3 柔性橫系梁鉸接雙柱墩模型(模型3)

        與模型2橫系梁與墩柱固結(jié)不同,本模型中橫系梁與墩柱采用鉸接,此時,橫系梁只傳遞水平推力而不傳遞彎矩,系梁尺寸選擇1.4 m×1.2 m的矩形截面,與固結(jié)橫系梁模型作比較。

        2.4 剛性橫系梁雙柱墩模型(模型4)

        該模型與模型2梁墩連接方式相同,在實際工程中可以將蓋梁作為剛性橫系梁處理??紤]到通常將蓋梁作為能力保護(hù)構(gòu)件,在地震作用下通過在墩頂和墩底產(chǎn)生塑性鉸來耗能,從而使蓋梁處于彈性狀態(tài),故在軟件中設(shè)定蓋梁為彈性單元,并賦予其很大的彈性模量,以保證橫系梁處于彈性工作[1]。在軟件中設(shè)定蓋梁為彈性單元,并賦予其很大的彈性模量,以保證橫系梁處于彈性工作。同時為方便對比,蓋梁尺寸與模型3保持一致。

        3 橋墩承載能力分析

        通過墩柱模型的Pushover曲線分析求得各模型的屈服承載力與屈服位移、峰值承載力與峰值位移、極限荷載與極限位移。峰值承載力取Pushover曲線上最高點位置,極限荷載為峰值荷載的85%,屈服位移按幾何作圖法[9]確定。具體做法如圖6所示。

        4種模型的p-y曲線如圖7所示。由圖中可知,p-y曲線與橫系梁剛度變化有很大關(guān)系:隨橫系梁剛度的增大,屈服和破壞時的墩頂位移逐漸減小,墩柱承受水平推力的能力逐漸增大。由單柱墩與系梁鉸接雙柱墩模型曲線對比可知,采用鉸接時,系梁只傳遞水平力,不傳遞彎矩,承受水平推力的能力是單柱墩的2倍,而墩頂位移能力與單柱墩基本一致。各個模型屈服荷載、峰值荷載與極限荷載計算值如表1所示。

        圖6 幾何作圖計算法

        圖7 4種模型p-y曲線對比

        表1 4種模型各狀態(tài)作用荷載

        4 抗震性能分析

        4.1 延性比較

        在初始強(qiáng)度沒有明顯退化下的非彈性變形的能力稱為延性。在利用延性概念設(shè)計結(jié)構(gòu)抗震時,常采用的延性指標(biāo)為位移延性系數(shù)和曲率延性系數(shù)。其中位移延性系數(shù)是結(jié)構(gòu)極限位移Δu與屈服位移Δy的比值,即:

        通過式(4)計算各模型的位移延性系數(shù),比較橫系梁剛度的變化對結(jié)構(gòu)延性的影響。4種模型各狀態(tài)下的位移如表2所示。由表2可知,隨著橫系梁剛度的減小,屈服位移和極限位移逐漸增大,位移延性系數(shù)逐漸減小,系梁鉸接雙柱墩與單柱墩位移延性系數(shù)基本相同。

        4.2 滯回性能比較

        4個模型軟件分析得到結(jié)構(gòu)的滯回曲線如圖8所示。在反復(fù)荷載作用下,滯回曲線包圍的面積大小體現(xiàn)了構(gòu)件吸收或耗散能量的大小,這些能量通過動能的形式以及由于材料內(nèi)摩擦或局部損傷以熱能的形式耗散到空氣中。

        表2 4種模型各狀態(tài)下的位移

        通過計算各模型的累積滯回面積對比在橫系梁剛度變化的情況下,對構(gòu)件耗能性能的影響。構(gòu)件的滯回耗能能力通常由穩(wěn)定的滯回環(huán)面積衡量,滯回環(huán)面積越大,滯回耗能性能越好,構(gòu)件變形能力越強(qiáng)。模型分析中,采用位移往復(fù)荷載,各模型往復(fù)位移相同[10]。累積滯環(huán)面積如表3所示,從表中可以看出,隨橫系梁剛度的增大,累積滯回面積逐漸增大,表明構(gòu)件耗能能力提高。

        表3 4種模型累積滯回耗能

        5 結(jié)論

        綜上分析可知:

        (1)在罕遇地震作用下,橋墩越早屈服,對整體結(jié)構(gòu)的耗能越有利,因而橫系梁剛度越大,對于橋墩抗震性能有利。

        (2)剛性橫系梁鋼管混凝土雙柱墩的位移延性系數(shù)最大,單柱墩的位移延性系數(shù)最小,柔性橫系梁雙柱墩隨著系梁剛度的變化介于兩者之間,因而,對于橋墩的延性抗震性能,剛性橫系梁雙柱墩最優(yōu)。

        (3)剛性橫系梁鋼管混凝土雙柱墩在達(dá)到屈服位移時的累積滯回面積最大,其耗散的能量最多,在地震作用下結(jié)構(gòu)發(fā)生往復(fù)位移,構(gòu)件滯回耗能的多少決定了構(gòu)件抗震性能的優(yōu)劣,剛性橫系梁雙柱墩耗能具有優(yōu)越性。

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