李 洋，何 超

（長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064）

1 概述

我國東瀕環(huán)太平洋地震帶，西部和西南部均屬歐亞地震帶，地處兩個世界上最活躍的地震帶（環(huán)太平洋地震帶和歐亞地震帶）之間，屬于世界上多地震國家之一，并且地震分布區(qū)域廣闊、分散，地震頻繁而強烈［1］。

橋梁的地震破壞作為一種突發(fā)式的災(zāi)害，不但會危及人的生命、財產(chǎn)安全和造成巨大的直接經(jīng)濟損失，而且還會給抗震救災(zāi)工作造成阻礙，造成次生災(zāi)害。在地震荷載的作用下，鋼筋混凝土橋墩是最易破壞的橋梁構(gòu)件，對于橋墩在地震荷載作用下的性能分析已經(jīng)有不少的學(xué)者和專家進行過研究，然而，這其中主要是對水平地震力作用的研究，地震力作用有3個方向的分力，除了水平方向的兩個地震力分量外，還有豎向的地震力分量。傳統(tǒng)的觀點認為對結(jié)構(gòu)的破壞主要取決于水平地震力的作用，而豎向地震力的作用影響非常小。豎向地震力的作用在分析和設(shè)計時常被忽略［2-3］。但是，多次強震后的震害調(diào)查都表明土木結(jié)構(gòu)的破壞中有豎向地震力作用的影響，甚至是結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞的決定因素。本文采用有限元軟件OpenSees對鋼筋混凝土橋墩在水平地震力和豎向地震力共同作用下的墩頂位移、墩身軸力、墩底剪力、橋墩抗剪能力進行非線性分析，并與在只有水平地震力作用下的分析結(jié)果進行對比，得出考慮豎向地震力作用后橋墩時程響應(yīng)的變化。

Open System for Earthquake Engineering Simulation（地震工程模擬的開放體系）是OpenSees有限元軟件的全稱。該軟件能較好地模擬包括巖土工程、橋梁、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在內(nèi)的很多振動臺試驗項目和實際工程。實踐證明，該軟件具有較好的非線性數(shù)值模擬精度。

2 豎向地震力

豎向地震力的產(chǎn)生主要是由于地震波中的P波（壓縮波）引起的，而水平地震力通常是由于S波（剪切波）引起的。P波的波長相比S波的波長要短，因此豎向地震力作用中的高頻成分要比水平地震力要多。盡管對于整個頻率范圍內(nèi)總的能量來說，豎向地震力要小于水平地震力，但是豎向地震力作用中能量主要集中在一個比較小的高頻帶寬里面。這樣的高頻組成通常會與鋼筋混凝土橋墩的豎向振動頻率相一致，導(dǎo)致出現(xiàn)豎向的共振。尤其當(dāng)力與位移的方向相反時，共振的放大作用更為明顯。因此，豎向地震力的作用不容忽視。

3 模型建立及參數(shù)選取

3.1 截面

OpenSees程序提供的截面恢復(fù)力模型有彈性恢復(fù)力模型、理想彈塑性恢復(fù)力模型、滯回恢復(fù)力模型、兩折線強化恢復(fù)力模型以及更加細化的纖維模型。本文的有限元模型中采用的是纖維模型。

纖維單元技術(shù)的核心內(nèi)容是通過將梁柱單元截面根據(jù)劃分規(guī)則劃分為若干纖維，所劃分的各纖維可以采用不同的本構(gòu)關(guān)系，通過對纖維截面積分獲得截面的剛度矩陣。纖維模型將構(gòu)件截面劃分為若干個細小纖維，可分別定義每個纖維的截面面積、位置以及本構(gòu)關(guān)系［4］。

纖維模型要求截面符合平截面假定，即假定截面在變形過程中始終位于一個平面。程序根據(jù)平截面假定計算得到每個纖維的應(yīng)變，并通過迭代計算確保截面受力平衡。纖維模型能很好地模擬構(gòu)件的彎曲和軸向變形，但不能模擬構(gòu)件的剪切非線性和扭曲非線性［5］。

本文中鋼筋混凝土橋墩的截面主要劃分為：保護層混凝土纖維、核心區(qū)混凝土纖維和鋼筋纖維（見圖1）。

3.2 單元

單元模型可以分為實體模型和桿系模型兩大類。其中，二維、三維有限單元實體模型屬于實體模型；彈性梁單元、桁架單元、非線性梁單元和零長度單元屬于桿系模型。本文有限元模型中采用桿系模型中的非線性梁柱單元（Nonlinear beam column element），該單元是采用插值函數(shù)的桿件有限單元模型。該模型允許桿件存在沿著長度方向的剛度變化，由此可以在單元長度上設(shè)置多個積分控制截面。確定了控制截面的截面抗力和截面剛度矩陣以后，按照一定的數(shù)值積分方法沿桿的長度方向積分計算出整個單元的抗力和剛度矩陣［6］。單元中的力平衡控制方程在全過程中作用，這里的全過程包括了幾何大變形和材料進入屈服強非線性的階段。并且，塑性鉸可以在柔度法單元的任意位置處形成，這個特點特別適合在隨機地震作用下考慮材料、幾何雙重非線性的數(shù)值模擬分析。

3.3 其他參數(shù)

混凝土采用concrete02模型（經(jīng)Scott 等人修正后的 Kent-Park 混凝土模型）。該模型能夠很好地表現(xiàn)核心混凝土和保護層混凝土的受力特性。通過改變混凝土受壓骨架曲線的軟化段斜率以及峰值應(yīng)變和峰值應(yīng)力來考慮箍筋的橫向約束作用的影響，并且可以考慮混凝土的剩余強度；而混凝土受拉時的上升段和下降段均為直線，可考慮混凝土的初始開裂，因此，該模型對鋼筋混凝土橋墩非線性分析的模擬有良好的精度［7］。

鋼筋采用steel01模型，即一般對稱的雙折線鋼筋模型。該模型在分析計算中有較好的收斂性。地震波采用經(jīng)典的EI波及Taft波（所選的水平向地震波均為縱橋向地震波），取地震波的前30 s進行分析計算，水平、豎向EI波和Taft波經(jīng)過加速度峰值調(diào)整后前30 s加速度時程曲線見圖2~圖5。

迭代求解采用修正的牛頓辛普森迭代方法（Modified Newton-Raphon）進行。建立對象，通過recorder對象記錄橋墩的墩頂節(jié)點位移以及頂部、底部單元內(nèi)力。

圖1 纖維劃分

圖2 EI水平地震波

圖3 EI豎向地震波

圖4 Taft水平地震波

圖5 Taft豎向地震波

4 鋼筋混凝土橋墩地震響應(yīng)分析

豎向地震波與水平地震波的到達時間無間隔，對豎向地震力加速度峰值進行調(diào)整。調(diào)整豎向地震力加速度峰值為水平地震力加速度峰值的2/3。Newmark于1973年提出的2/3法則［8］第一次提出了豎向地震力加速度峰值與水平地震力加速度峰值比值的合適取值，隨后大量的地震觀察記錄也證明了這個取值的適用性。本文對不同地震波、長細比及軸壓比情況下考慮豎向地震力前后橋墩的墩頂位移、墩底剪力以及抗剪承載力進行分析對比。根據(jù)模型的長細比、軸壓比以及施加地震波的不同將模型計算劃分為8個工況（見表1）。

表1 工況劃分表

各工況下橋墩的墩頂位移、墩底剪力、截面抗剪承載力時程見圖6~圖9。

從圖中可以看出，在不同地震波、不同長細比、不同軸壓比情況下，將豎向地震力考慮進分析計算中，橋墩的響應(yīng)出現(xiàn)如下情形：墩頂位移變化不大，墩底剪力增大和減小的情況均有出現(xiàn)，抗剪承載力的變化幅度增大，最小承載力減小，且減小的幅度相對較大。各工況下橋墩響應(yīng)峰值見表2。

圖6 工況1、工況2下橋墩響應(yīng)時程曲線

圖7 工況3、工況4下橋墩響應(yīng)時程曲線

圖8 工況5、工況6下橋墩響應(yīng)時程曲線

圖9 工況7、工況8下橋墩響應(yīng)時程曲線

表2 各工況下橋墩響應(yīng)峰值對比表

由表2可知，在不同工況下考慮豎向地震力前后橋墩墩頂位移有小幅度增大，變化幅度為0.55%~0.94%；墩底剪力沒有出現(xiàn)一味增大或減小的情況，變化幅度為-3.18%~4.73%；抗剪承載力最小值減小，變化幅度為-7.88%~-17.34%（變化幅度數(shù)值前加“-”號表示減小，未加符號表示增大）。

5 結(jié)論

本文利用有限元軟件OpenSees程序建立了不同長細比、軸壓比的鋼筋混凝土橋墩有限元分析模型，并將有限元模型在不同地震波下考慮水平地震力作用以及考慮水平地震波和豎向地震波共同作用的情況進行時程分析計算。將不同工況下計算得到的橋墩的時程響應(yīng)進行對比，從分析計算結(jié)果可以看出：考慮豎向地震力作用后，橋墩墩頂最大位移變化不大，墩底剪力可能出現(xiàn)增大或減小的情況，變化幅度為-3.18%~4.73%，截面抗剪承載力最小值減小，變化幅度為-7.88%~-17.34%。由此可知：與只有水平地震力作用相比，在水平地震力和豎向地震力的共同作用下，墩頂位移沒有較大變化，但墩底剪力與截面的抗剪承載力均出現(xiàn)了較大差別，且抗剪承載力的減小幅度比可能出現(xiàn)的剪力減小幅度大。總的來說，考慮豎向地震力下鋼筋混凝土橋墩的時程響應(yīng)與在只有水平地震力作用力下相比出現(xiàn)較大差異。因此，在進行鋼筋混凝土橋墩抗震分析時，建議考慮豎向地震力的影響。

［1］ 范立礎(chǔ). 橋梁抗震［M］.上海：同濟大學(xué)出版社，1997.

［2］ Kim S J，Holub C J，Elnashai A S. Analytical assessment of the effect of vertical earthquake motion on RC bridge piers［J］.Journal of Structural Engineering，2010（2）：252-260.

［3］ 常兆中.混凝土砌塊結(jié)構(gòu)非線性地震反應(yīng)分析及基于性能的抗震設(shè)計方法［D］. 北京：中國建筑科學(xué)研究院，2005.

［4］ 何銘華，欒雨琪，劉暉，等.基于OpenSees的FRP約束混凝土本構(gòu)開發(fā)及墩柱性能分析［J］.橋梁建設(shè)，2013（6）：23-30.

［5］ 鄧江東，鄭茂金.OpenSEES在混凝土橋墩滯回性能分析中的應(yīng)用［J］.福建建筑，2011（7）：105-108.

［6］ 張行，張謝東.鋼筋混凝土柱擬靜力試驗數(shù)值模擬分析［J］.工程抗震與加固改造，2013（5）：33-38.

［7］ 李貴乾，鄭罡，高波.基于OpenSees的鋼筋混凝土橋墩擬靜力試驗數(shù)值分析［J］.世界地震工程，2011（1）：112-116.

［8］ Newmark N M，Blume J A，Kapur K K. Seismic design spectra for nuclear power plants［J］. Power Division，1973，99（2）：287-303.