鋼管混凝土格構(gòu)柱墩抗震性能研究綜述

陳盛富　歐智菁

(福建工程學(xué)院土木工程學(xué)院　福建福州　350007)

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鋼管混凝土格構(gòu)柱墩抗震性能研究綜述

陳盛富歐智菁

(福建工程學(xué)院土木工程學(xué)院福建福州350007)

簡要介紹了國內(nèi)外鋼管混凝土格構(gòu)柱墩的工程應(yīng)用概況，總結(jié)了鋼管混凝土格構(gòu)柱抗震性能的試驗研究、有限元分析、恢復(fù)力模型計算方法等研究現(xiàn)狀及其成果，分析了各主要參數(shù)的影響規(guī)律，并以干海子大橋的四肢鋼管混凝土格構(gòu)墩工程為例，建立變截面鋼管混凝土格構(gòu)柱有限元模型，分析、比較了柱肢坡度、柱高、軸壓比等參數(shù)對構(gòu)件滯回性能影響規(guī)律。最后，對該專項研究提出若干建議。

鋼管混凝土；格構(gòu)柱；抗震性能；延性

1　概述

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)具有承壓能力高、結(jié)構(gòu)剛度大、延性好、施工便捷等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于鋼管混凝土拱橋的拱肋、斜拉橋的塔柱、梁式橋的空間桁架組合梁等[1-3]。隨著我國道路交通的不斷發(fā)展，興建了大量的跨線橋、立交橋、山區(qū)公路橋。鋼管混凝土格構(gòu)柱式橋墩憑借其截面尺寸小、變形能力和抗震性能好等特性，已成為頗具發(fā)展?jié)摿Φ睦硐霕蚨招问街?，特別在山區(qū)高墩、超高墩公路橋梁中具有廣闊的應(yīng)用前景[4-6]。

目前鋼管混凝土柱式橋墩按截面形式可分為單肢柱墩和格構(gòu)柱墩(以四肢格構(gòu)柱為主)，其中格構(gòu)柱墩按截面是否變化可分為等截面格構(gòu)柱墩和變截面格構(gòu)柱墩。本文旨在對鋼管混凝土格構(gòu)柱墩抗震性能方面的研究現(xiàn)狀和研究成果作一個綜述，可為鋼管混凝土柱墩的工程應(yīng)用和后續(xù)理論研究提供參考和借鑒。

2　鋼管混凝土格構(gòu)柱墩的應(yīng)用概況

1879年建成的英國塞文鐵路橋首次采用鋼管混凝土柱墩[7]，1966年英國的阿蒙茲伯里立交橋也采用了鋼管混凝土單肢柱墩[8]。此后將鋼管混凝土結(jié)構(gòu)用作橋梁柱墩的創(chuàng)新設(shè)計開始在世界范圍內(nèi)推廣。除用于新建橋梁的柱墩，鋼管混凝土還用于災(zāi)后橋墩的加固。在1995年阪神地震后，日本工程界采用內(nèi)填混凝土的方法來加固鋼橋墩[9]。

我國的鋼管混凝土橋墩的發(fā)展起步較晚，從20世紀(jì)末開始，公路橋梁、城市立交橋中陸續(xù)出現(xiàn)采用鋼管混凝土橋墩的工程實踐。在西部山區(qū)，溝深坡陡河流湍急，多處于高烈度地震區(qū)，傳統(tǒng)的鋼筋混凝土橋墩由于抗震性能差，結(jié)構(gòu)阻水面積大，已不適合采用。目前建成的幾座高墩公路橋均選用相同承載力下可明顯減小截面面積的鋼管混凝土格構(gòu)墩。表1列出了部分鋼管混凝土格構(gòu)柱墩的應(yīng)用實例。其中，橋例2、3采用鋼管混凝土復(fù)合柱墩，即在柱肢之間設(shè)置鋼筋混凝土剪力墻，提高結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性。橋例4則采用鋼管混凝土混合柱墩，即在柱腳部分采用鋼管混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)，以鋼筋混凝土腹板取代鋼管混凝土格構(gòu)柱中的綴管，一方面可參與承受軸壓力，減小剪切變形的不利影響；另一方面提高結(jié)構(gòu)的抗震能力。

表1　鋼管混凝土格構(gòu)柱墩的應(yīng)用實例

表2　鋼管混凝土柱墩的主要參數(shù)范圍

整理表1的實橋數(shù)據(jù)，將各格構(gòu)柱墩的長細(xì)比和主要材料參數(shù)列于表2(為便于比較，表2中同時列出了鋼管混凝土單肢柱柱墩的主要參數(shù)范圍)。由表2可知，當(dāng)柱肢的長細(xì)比λ<40左右時，可采用單肢鋼管混凝土柱墩，其鋼管的鋼材鋼號及核心混凝土的標(biāo)號相對較低；而當(dāng)柱肢的長細(xì)比λ>40時，可采用雙肢或四肢鋼管混凝土柱組成的格構(gòu)墩，其鋼材及核心混凝土的材料強(qiáng)度相應(yīng)較高。

3　鋼管混凝土格構(gòu)柱不同截面抗震性能研究

近年來，鋼管混凝土格構(gòu)柱在橋墩中的應(yīng)用逐漸增多。國內(nèi)學(xué)者陸續(xù)開展了不同截面形式和不同綴管布置方式的鋼管混凝土格構(gòu)柱極限承載力的試驗研究和理論分析，對格構(gòu)柱的受力性能、破壞模式和各參數(shù)的影響規(guī)律有了較充分的認(rèn)識，探討了相應(yīng)的數(shù)值計算方法并對現(xiàn)有規(guī)范提出修改建議?？傮w來說，鋼管混凝土格構(gòu)柱靜力性能方面的研究日趨成熟，而抗震性能和設(shè)計控制方面的理論研究還很薄弱。

3.1等截面鋼管混凝土格構(gòu)柱抗震性能研究

3.1.1試驗研究

迄今為止，國內(nèi)外對等截面鋼管混凝土格構(gòu)柱抗震性能的研究報道較少。1996年日本學(xué)者河野昭彥、松井千秋、崎野良比呂等人以加載方向、加載方法、有無核心混凝土等為試驗參數(shù)，對雙肢等截面鋼管混凝土格構(gòu)柱的滯回曲線、屈曲和變形能力進(jìn)行試驗和理論研究[10]。之后Kawano、Matsui等又以多層建筑中的鋼管混凝土格構(gòu)柱為研究對象，分析其在靜力和動力作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，結(jié)果表明，鋼管混凝土格構(gòu)柱剛度大、承載力高、延性好，可應(yīng)用于新型抗震系統(tǒng)[11-13]。

國內(nèi)的相關(guān)研究近兩三年才剛剛興起。中南大學(xué)王海波、鄧萱奕等以軸壓比、混凝土強(qiáng)度等級和構(gòu)件開洞方式為控制參數(shù)，開展四肢等截面K形綴管格構(gòu)柱抗震性能試驗研究，包括6個構(gòu)件的擬靜力試驗和兩個構(gòu)件的擬動力試驗[14]。研究得到的滯回曲線呈飽滿的紡錘形，格構(gòu)柱表現(xiàn)出良好的延性和耗能能力。構(gòu)件的破壞首先表現(xiàn)為底部斜綴管與柱肢連接處發(fā)生撕裂，核心混凝土被壓碎，最終局部破壞發(fā)展為面內(nèi)彎曲的整體破壞。試驗結(jié)果表明，軸壓比(n)對格構(gòu)柱的抗震性能的影響較大，隨著n值地增大，構(gòu)件水平承載力逐漸減小，延性及耗能性能降低；平行加載方向的開洞大幅降低了格構(gòu)柱的延性和承載力，應(yīng)避免采用這種設(shè)計。

在文獻(xiàn)[14]的基礎(chǔ)上，中南大學(xué)的羅瑤、蔣麗忠等以軸壓比、長細(xì)比和綴管壁厚為試驗參數(shù)，對6根四肢等截面K形綴管格構(gòu)柱開展進(jìn)一步的擬靜力試驗研究，分析各試驗參數(shù)對構(gòu)件延性、水平極限承載力、耗能性能及剛度退化的影響[15]。試驗結(jié)果表明，等截面鋼管混凝土格構(gòu)柱具有良好的抗震性能，除長柱存在輕微捏縮外，滯回曲線形狀均呈較飽滿的弓形，試件的破壞表現(xiàn)為壓彎剪破壞和壓彎破壞兩種形式。長細(xì)比對于格構(gòu)柱的抗震性能有較大影響，隨著長細(xì)比增大，滯回曲線形狀更加飽滿，屈服位移逐漸增大，水平峰值荷載逐漸降低。隨著軸壓比增大，構(gòu)件的強(qiáng)度退化愈加明顯，延性也隨之減小。

福州大學(xué)呂銀花、吳慶雄以干海子大橋的格構(gòu)墩為研究背景，對7根四肢等截面平綴管格構(gòu)柱開展低周反復(fù)荷載試驗，分析柱肢混凝土強(qiáng)度、柱肢縱向間距和綴管豎向間距等參數(shù)對構(gòu)件滯回性能的影響規(guī)律[16]。試驗結(jié)果表明，各試件的滯回曲線均較飽滿，骨架曲線下降段的坡度較緩，結(jié)構(gòu)無明顯強(qiáng)度退化，具有良好的延性和耗能性能；試件的破壞均發(fā)生在加載后期，由柱肢底部首先發(fā)生鼓曲并形成鼓曲環(huán)，接著柱肢出現(xiàn)明顯的彎曲變形，最終試件發(fā)生整體壓彎破壞；混凝土強(qiáng)度對格構(gòu)柱滯回性能的影響較小，適當(dāng)增大柱肢縱向間距或減小綴管豎向間距，可提高格構(gòu)柱延性性能和水平承載力。

曹艷、陳伯望等進(jìn)行了自密實方圓鋼管混凝土四肢格構(gòu)柱的擬靜力試驗對比研究[17，18]。結(jié)果表明，自密實鋼管混凝土試件的延性系數(shù)均大于4，具有良好的延性性能；加載后期，方、圓鋼管混凝土格構(gòu)柱均在柱肢和綴管連接處發(fā)生撕裂，導(dǎo)致試件破壞；通過滯回曲線的對比分析，圓鋼管混凝土格構(gòu)柱比方鋼管混凝土格構(gòu)柱具有更好的抗震性能。

文獻(xiàn)[19，20]對不同連接構(gòu)造的鋼管混凝土格構(gòu)柱與組合箱梁的節(jié)點進(jìn)行低周往復(fù)加載試驗。試驗結(jié)果表明，3種節(jié)點構(gòu)造的滯回曲線均呈較為飽滿的梭形，表現(xiàn)出良好的位移延性，滿足結(jié)構(gòu)的抗震要求。鋼管混凝土格構(gòu)柱作為試件的一部分，適用于大型組合結(jié)構(gòu)工程。

3.1.2有限元分析和恢復(fù)力模型計算研究

中南大學(xué)王海波、鄧萱奕等在試驗研究基礎(chǔ)上，選用ABAQUS有限元分析軟件，對四肢等截面K形綴管格構(gòu)柱進(jìn)行數(shù)值模擬及參數(shù)影響分析[14]。研究發(fā)現(xiàn)，軸壓比是影響格構(gòu)柱抗震性能的重要參數(shù)，隨著軸壓比增大，構(gòu)件的延性和耗能能力逐漸降低，建議軸壓比的取值小于0.6。柱肢鋼管內(nèi)填混凝土的強(qiáng)度對格構(gòu)柱的延性影響很??；含鋼率只對構(gòu)件彈性階段影響較大，對構(gòu)件延性幾乎沒有影響；開洞面對構(gòu)件的影響隨開洞位置不同而有較大差異。

中南大學(xué)羅瑤、蔣麗忠等應(yīng)用大型通用程勛ABAQUS，對四肢等截面K形綴管格構(gòu)柱進(jìn)行有限元分析和數(shù)值計算，對試驗中未考慮的參數(shù)如混凝土強(qiáng)度、肢管鋼材強(qiáng)度、綴管鋼材強(qiáng)度等進(jìn)行拓展分析。文獻(xiàn)[15]借鑒了韓林海提出的方(圓)鋼管混凝土柱恢復(fù)力模型，對試驗數(shù)據(jù)及參數(shù)拓展分析結(jié)果進(jìn)行擬合，建立四肢等截面K形綴管格構(gòu)柱水平荷載-位移恢復(fù)力函數(shù)。計算結(jié)果表明，建議采用的骨架曲線(三折線形式)和滯回曲線恢復(fù)力模型均與試驗結(jié)果吻合良好，可在進(jìn)行四肢等截面鋼管混凝土格構(gòu)柱動力分析時提供參考。

福州大學(xué)呂銀花、吳慶雄等應(yīng)用OpenSEES建立平綴管式等截面鋼管混凝土格構(gòu)柱的計算模型，在通過試驗結(jié)果驗證后，拓展分析了試件柱高、軸壓比、柱肢縱向間距、綴管豎向間距、柱肢徑厚比及材料強(qiáng)度等參數(shù)對格構(gòu)柱滯回性能的影響。根據(jù)參數(shù)影響規(guī)律，借鑒鋼管混凝土單肢柱的研究成果，提出采用三折線模型來模擬平綴管式等截面鋼管混凝土格構(gòu)柱的水平荷載-位移骨架曲線，并推導(dǎo)得到骨架曲線特征值(彈性剛度、水平峰值荷載、峰值荷載位移)的簡化計算公式[16]。

周文亮、孫利亞等利用ANSYS對水平循環(huán)荷載作用下的等截面鋼管混凝土格構(gòu)柱進(jìn)行有限元分析[21，22]。研究結(jié)果表明，隨著柱肢高度的增加，試件的承載力及剛度顯著下降；在適當(dāng)范圍內(nèi)，增大含鋼率可顯著增大格構(gòu)柱的承載力和剛度，材料強(qiáng)度和軸壓比對格構(gòu)柱的抗震性能影響很小。

周立利用Fortran Station 4.0軟件編制了格構(gòu)柱空間有限元分析程序，研究并對比了等截面鋼管混凝土格構(gòu)柱和鋼格構(gòu)柱的動力性能。結(jié)果表明，鋼管混凝土格構(gòu)柱的動位移遠(yuǎn)小于鋼格構(gòu)柱。隨著鋼管壁厚的增加，格構(gòu)柱的剛度逐步增大，極限位移隨之顯著減小[23]。

3.1.3參數(shù)影響規(guī)律

結(jié)合以上文獻(xiàn)，歸納各個參數(shù)對等截面鋼管混凝土格構(gòu)柱骨架曲線關(guān)鍵系數(shù)的影響規(guī)律，詳見表3。

表3　鋼管混凝土格構(gòu)柱骨架曲線關(guān)鍵系數(shù)影響表

注：“↗”表示數(shù)值增大；“↘”表示數(shù)值減??； “—”表示數(shù)值無明顯變化。

研究發(fā)現(xiàn)，軸壓比、長細(xì)比、柱肢材料強(qiáng)度、含鋼率等參數(shù)對于鋼管混凝土單肢柱與等截面鋼管混凝土格構(gòu)柱有著相似的影響規(guī)律。而在格構(gòu)柱特有的參數(shù)中，有如下影響規(guī)律：

(1)在一定范圍內(nèi)，隨著柱肢縱向間距的增大，或柱肢長度、柱肢徑厚比、綴管豎向間距的減小，構(gòu)件的彈性剛度和水平峰值荷載均呈不同程度的增大。

(2)柱肢縱向間距、綴管豎向間距對格構(gòu)柱的強(qiáng)度退化影響很小。隨著柱肢長度的增大或柱肢徑厚比的減小，骨架曲線下降段剛度逐漸減小。

(3)綴管鋼材強(qiáng)度對等截面鋼管混凝土格構(gòu)柱的骨架曲線基本無影響。

3.2變截面鋼管混凝土格構(gòu)柱抗震性能研究

與等截面鋼管混凝土格構(gòu)柱相比，變截面鋼管混凝土格構(gòu)柱由于降低了柱身重心，能更好地隔離、吸收和耗散地震能量，因此在地質(zhì)條件較差的地震區(qū)橋梁墩柱中具有廣闊的應(yīng)用前景[1-3]。目前西部地區(qū)高墩(超高墩)公路橋梁中應(yīng)用較多的是變截面鋼管混凝土格構(gòu)柱。

3.2.1試驗研究

在靜力性能研究方面，福州大學(xué)的黃蕾等以長細(xì)比、偏心距及柱肢坡度為控制參數(shù)，進(jìn)行了四肢變截面鋼管混凝土格構(gòu)柱的受壓試驗，并探討了變截面鋼管混凝土格構(gòu)柱極限承載力的計算方法[24]。歐智菁等在考慮柱肢傾斜度、長細(xì)比等參數(shù)的基礎(chǔ)上提出了變截面鋼管混凝土格構(gòu)柱穩(wěn)定系數(shù)的計算方法，并與有限元分析方法進(jìn)行驗證，計算結(jié)果吻合較好[25]。

在抗震性能研究方面，2011年韓中周等參考風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔架，設(shè)計了三肢和四肢變截面鋼管混凝土格構(gòu)柱模型，并分別進(jìn)行擬靜力試驗研究[26]。研究表明，三肢柱模型滯回曲線不對稱，正向部分的滯回環(huán)較大，四肢柱滯回曲線對稱。但滯回曲線的形狀均較飽滿，無明顯捏縮，具有良好的變形和耗能能力。對比兩者的骨架曲線可知：三肢柱模型具有更好的變形能力，而四肢柱模型具有更好的承載力和剛度。該文獻(xiàn)僅對變截面鋼管混凝土格構(gòu)柱在循環(huán)荷載下的變形能力、破壞形態(tài)等進(jìn)行了初步分析，有關(guān)其滯回特性、延性機(jī)制和失效模式、關(guān)鍵參數(shù)的影響規(guī)律等有待深入研究。

3.2.2干海子大橋算例分析

以(地址控制性工程)干海子大橋9#格構(gòu)墩為原型，(圖1為干海子大橋格構(gòu)墩示意圖)改進(jìn)文獻(xiàn)[16]中有限元建模方法，采用大型通用程序OpenSEES建立變截面鋼管混凝土格構(gòu)柱有限元計算模型，以柱肢坡度、軸壓比、長細(xì)比為變化參數(shù)，對變截面鋼管混凝土格構(gòu)柱抗震性能進(jìn)行對比分析，并為工程實際提供優(yōu)化建議。

將不同柱肢坡度格構(gòu)柱的骨架曲線列于圖2，結(jié)果表明：在小頭尺寸不變情況下，柱肢傾斜度分別為1∶60、1∶40、1∶20的變截面鋼管混凝土格構(gòu)柱較之等截面鋼管混凝土格構(gòu)柱，水平峰值荷載分別增大了39%、58%、134%，彈性剛度則分別擴(kuò)大了1.7倍、2.4倍、4.70倍。傾斜度越大的變截面格構(gòu)柱具有更為優(yōu)良的延性和耗能能力。

通過有限元計算結(jié)果，得到其他各參數(shù)對變截面鋼管混凝土格構(gòu)柱抗震性能的影響規(guī)律：隨著柱高增大，構(gòu)件水平峰值荷載不斷減小，滯回曲線更為飽滿；隨著軸壓比增大，構(gòu)件水平峰值荷載逐漸減小，延性性能逐漸降低。因篇幅所限，各參數(shù)骨架曲線的對比圖未在文中一一列出。

根據(jù)上述算例分析結(jié)果，對變截面鋼管混凝土格構(gòu)柱墩提出如下優(yōu)化建議：

(1)柱肢傾斜度度越大，變截面鋼管混凝土格構(gòu)柱抗震性能越好，但是出于外形美觀考慮，柱肢傾斜度不宜過大，建議取值：1∶20～1∶40。

(2)柱高不斷增大，構(gòu)件延性越好，當(dāng)柱高超過60m，骨架曲線沒有下降段，建議長細(xì)比不宜超過45。

(3)軸壓比越大，構(gòu)件的延性性能越差，當(dāng)軸壓比n=0.3時，滯回曲線最為飽滿，當(dāng)n>0.3，構(gòu)件延性顯著降低。因此，不建議采用過高的軸壓比。

4　研究展望

近年來隨著我國交通建設(shè)不斷發(fā)展，高橋墩被大量采用，根據(jù)文獻(xiàn)[27]初步調(diào)查表明，40m以上的高墩(超高墩)橋梁占西部地區(qū)已建及規(guī)劃的高等級公路和鐵路橋梁中的比例超過40%。因此可以預(yù)見，鋼管混凝土格構(gòu)柱式橋墩、疊合柱墩、混合墩等在山區(qū)高墩和超高橋墩中將具有廣闊的應(yīng)用前景。

本文介紹了鋼管混凝土格構(gòu)柱墩的工程應(yīng)用，對鋼管混凝土格構(gòu)柱墩的抗震性能的試驗研究、有限元數(shù)值分析以及恢復(fù)力模型計算等方面的研究成果進(jìn)行綜述和總結(jié)。相比較而言，鋼管混凝土單肢柱的試驗和理論研究較為成熟，而鋼管混凝土格構(gòu)柱抗震性能的研究尚處于起步階段，今后需進(jìn)一步開展以下4個方面的工作：

(1)國內(nèi)中南大學(xué)和福州大學(xué)在四肢等截面鋼管混凝土格構(gòu)柱的滯回性能試驗及骨架曲線計算模型方面開展了系列研究，對于變截面鋼管混凝土格構(gòu)柱、混合柱等的抗震性能有待進(jìn)一步的研究。

(2)現(xiàn)有文獻(xiàn)對鋼管混凝土格構(gòu)柱在循環(huán)荷載作用下的破壞形式進(jìn)行了觀察和描述，而有關(guān)格構(gòu)柱內(nèi)部的失效機(jī)理和失效模式還有待深入探討與揭示。

(3)目前對鋼管混凝土格構(gòu)柱恢復(fù)力計算模型的研究開展較少且缺乏系統(tǒng)完整的分析方法，有待進(jìn)一步研究。

(4)目前的試驗研究主要以擬靜力試驗為主，對于動力試驗涉及較少。為使研究成果更具現(xiàn)實意義，加強(qiáng)動力性能方面的研究十分必要。

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[27]梁智垚，李建中．橋梁高墩合理計算模型探討[J]．地震工程與工程振動，2007，27(2)：91-98．

陳盛富(1992-)，男，研究生在讀，主要從事橋梁結(jié)構(gòu)方向的研究。

歐智菁(1975-)，女，教授，博士，主要從事組合結(jié)構(gòu)、路橋工程方向的研究。

The Research Summary of Seismic Performance on Concrete Filled Steel Tubular Laced Columns

CHENShengfuOUZhijing

(College of Civil Engineering, Fujian University of Technology, Fuzhou 350007)

The application and development prospects of concrete-filled steel tubular(CFST)laced columns are briefly introduced. Present research status and achievements of seismic performance on CFST laced columns, including test research, finite element analysis and calculation methods of Restoring force model are summarized. The influence rules of main parameters are analyzed. With the engineering background of four-tube CFST laced columns of Ganhaizi bridge, the finite element models of variable cross-sectional CFST laced columns are build, the effect of Longitudinal element slope, longitudinal spacing of column limbs and axial compression ratio on the hysteretic behavior of CFST laced columns are investigated. Finally, some suggestions on this individualized studies are put forward.

Concrete-filled steel tubular( CFST); Laced columns; Seismic performance; Ductility

國家自然科學(xué)基金項目(51408128 )

陳盛富(1992-)，男。

E-mail:wutongq@163.com

2015-12-02

TU375

A

1004-6135(2016)02-0048-05