復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的鋼筋混凝土橋墩抗震性能研究

李永斌 馬克政 譚金華

(1.中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司 武漢 430052； 2.武漢理工大學(xué)交通學(xué)院 武漢 430063)

地震會(huì)對(duì)橋梁墩臺(tái)等結(jié)構(gòu)造成極其不利的影響，一旦結(jié)構(gòu)受損，還需耗費(fèi)大量人力、物力進(jìn)行維護(hù)修建。為此，國(guó)內(nèi)外很早就開(kāi)展了橋梁墩臺(tái)的抗震研究，并在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中提出了提高橋梁抗震能力的措施。國(guó)內(nèi)研究進(jìn)度相對(duì)較為落后，但仍有部分學(xué)者進(jìn)行了較為深入的研究，比如，對(duì)于RC(鋼筋混凝土)墩柱在震災(zāi)中的壓彎、彎剪性能，同濟(jì)大學(xué)和北京工業(yè)大學(xué)均已完成了較多的研究工作，得到了一些合理的模型用來(lái)預(yù)測(cè)地震作用下的反應(yīng)。但只有少數(shù)學(xué)者研究了扭轉(zhuǎn)效應(yīng)對(duì)墩柱的影響。對(duì)彎、剪、扭復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的綜合研究很少涉及[1-5]。計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展使得精確分析橋墩復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)的破壞過(guò)程及其影響因素成為可能，并應(yīng)在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步深入研究橋墩抗震中的設(shè)計(jì)和加固技術(shù)，可以最大程度地發(fā)揮橋梁結(jié)構(gòu)的抗震能力。

本文依托工程實(shí)例，通過(guò)建立橋墩三維有限元仿真模型，真實(shí)模擬地震發(fā)生時(shí)的可能荷載組合，考慮實(shí)際工作環(huán)境下相應(yīng)的多維荷載，研究復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下橋墩的強(qiáng)度和位移，分析箍筋間距、主筋配筋率、軸壓比對(duì)抗震性能的影響，并據(jù)此給出改進(jìn)橋墩抗震性能的建議。

1 建立橋墩有限元模型

本項(xiàng)目依托玉湛線高速公路工程，取玉湛線高速公路一工區(qū)K87+100.2疏港大道分離橋最高橋墩為原型建立橋墩抗震仿真模型。該橋位于VII度地震區(qū)，地震動(dòng)峰值加速度為0.1g，橋涵上、下部均有抗震設(shè)計(jì)要求，橋墩主筋和箍筋的設(shè)置均需要滿足抗震驗(yàn)算要求，并給出抗震設(shè)防措施。按照橋墩設(shè)計(jì)圖紙采用ANSYS建立橋墩蓋梁、柱的鋼筋混凝土三維實(shí)體模型。該模型按照設(shè)計(jì)圖紙上的資料，模擬出所有的鋼筋，包括主筋、箍筋和螺旋鋼筋等，共16 564根鋼筋的link8單元和數(shù)萬(wàn)混凝土實(shí)體單元Solid92，所有鋼筋均嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙中不同的截面特性分別進(jìn)行了定義，鋼筋單元和混凝土實(shí)體單元間采用面接觸完成黏結(jié)，仿真模型見(jiàn)圖1。

圖1 橋墩三維仿真模型

試驗(yàn)同時(shí)按照實(shí)際工作環(huán)境模擬多種組合荷載作用，包括上部結(jié)構(gòu)恒載、活載，以及雙向地震荷載，其中地震荷載是通過(guò)加速度反應(yīng)譜將地震慣性力處理成等效水平及豎向地震荷載，與其它荷載按照完全二次方程法進(jìn)行組合時(shí)程加載。支座按照實(shí)際簡(jiǎn)支梁橋墩設(shè)計(jì)中的較為不利的固定支座考慮，地震波采用EL-Centro波加速度時(shí)程曲線，見(jiàn)圖2。

圖2 EL-Centro波加速度時(shí)程曲線

2 橋墩抗震性能分析

橋墩抗震性能具體的影響因素可能有：截面形式、軸壓比、箍筋體積配箍率、混凝士強(qiáng)度、保護(hù)層厚度、主筋配筋率及橫系梁等[6]。本節(jié)應(yīng)用建立的模型分析驗(yàn)算原設(shè)計(jì)橋墩的地震作用效應(yīng)，并調(diào)整所建立的模型的對(duì)應(yīng)值比較分析結(jié)果，分別研究各主要參數(shù)對(duì)RC橋墩抗震性能和延性水平的影響，主要采用控制變量法對(duì)軸壓比、配箍率、主筋配筋率的影響進(jìn)行研究。

2.1 抗剪強(qiáng)度和墩頂位移

橋墩結(jié)構(gòu)的抗震性能指標(biāo)主要通過(guò)橋梁墩頂位移和結(jié)構(gòu)延性指標(biāo)來(lái)表示,可采用混凝土橋墩截面強(qiáng)度或應(yīng)變來(lái)進(jìn)行定量分析。如果地震中結(jié)構(gòu)強(qiáng)度因其塑性變形的發(fā)生而急劇減小，則該結(jié)構(gòu)將會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的損壞或倒塌，受壓側(cè)混凝土將經(jīng)歷“抗壓屈服、混凝土剝落、混凝土壓碎”過(guò)程。因而在地震組合荷載作用下墩柱的抗震設(shè)計(jì)驗(yàn)算需要考慮強(qiáng)度驗(yàn)算和墩頂位移驗(yàn)算。

2.1.1抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算

塑性鉸區(qū)抗剪能力的驗(yàn)算，如果橋墩結(jié)構(gòu)還未進(jìn)入塑性工作范圍，此時(shí)橋墩的剪力設(shè)計(jì)值可直接采用E2地震作用下的計(jì)算結(jié)果；如果已進(jìn)入塑性工作范圍，則應(yīng)按下述規(guī)定進(jìn)行剪力設(shè)計(jì)值的計(jì)算[7]。

延性橋墩順橋向的剪力設(shè)計(jì)值，計(jì)算方法見(jiàn)式(1)、式(2)。

(1)

(2)

延性橋墩橫橋向的剪力設(shè)計(jì)值，計(jì)算方法見(jiàn)式(3)、式(4)。

(3)

(4)

2.1.2墩頂位移驗(yàn)算

按照J(rèn)TG/T B02-01-2008《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》[8]中6.1.6條規(guī)定，E2級(jí)地震作用時(shí)其有效截面抗彎剛度需按規(guī)范規(guī)定進(jìn)行修正；采用計(jì)算得到的截面有效剛度計(jì)算E2地震作用反應(yīng)譜下的墩頂位移δ；按照抗震細(xì)則中6.7.6條規(guī)定修正墩頂位移，獲得修正后的墩頂位移。

經(jīng)過(guò)橋梁有限元模擬分析，在上部結(jié)構(gòu)所有荷載、自重和E2地震作用(彈性)組合荷載作用下，該橋梁結(jié)構(gòu)的橋墩應(yīng)力Sy計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 地震組合荷載工況下橋墩應(yīng)力Sy(單位：Pa)

如圖3所示橋墩應(yīng)力均滿足強(qiáng)度要求。計(jì)算得到同荷載作用下的橋墩最大位移值為0.016 m，滿足位移要求。

2.2 箍筋間距影響

為研究箍筋間距對(duì)RC橋墩抗變形能力的影響，通過(guò)更改模型的箍筋間距，建立3種不同箍筋加密程度的RC橋墩有限元墩柱模型。在保證這3種RC墩柱模型的截面面積和形式、軸壓比、混凝土強(qiáng)度、保護(hù)層厚度和縱筋配筋率等均相同的情況下，對(duì)比這3種不同箍筋加密的RC橋墩的抗變形能力。3種模型箍筋間距較原設(shè)計(jì)模型變化率分別為0.2，0.4，0.6，在此前提下分別獲得結(jié)構(gòu)在地震組合荷載作用下的各向應(yīng)力狀態(tài)和變形。圖4為以箍筋間距變化率0.2時(shí)的Z向應(yīng)力。

圖4 間距變化率為0.2時(shí)的Z向應(yīng)力云圖(單位：Pa)

當(dāng)箍筋間距變化率為0.2時(shí)，加載地震荷載后Z軸方向最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在墩柱頂部和橋墩底部，為28 299.4 Pa；最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在墩柱底部，數(shù)值為-179 205 Pa。墩柱從Y軸正向一側(cè)到負(fù)向一側(cè)應(yīng)力由壓變拉；最大變形位移出現(xiàn)在墩柱頂部，數(shù)值為0.166 mm。同理獲得0.4，0.6的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，得到的部分成果見(jiàn)表1。

表1 箍筋間距變化時(shí)橋墩地震組合荷載反應(yīng)

由圖4和表1分析可得：不同的箍筋間距對(duì)橋墩的受力狀態(tài)無(wú)太大的影響，Y軸最大受拉應(yīng)力和最大受壓應(yīng)力均集中橋墩底部。增大箍筋間距后墩頂最大變形位移略有減小，對(duì)屈服位移影響不大。所以箍筋間距越大，位移延性系數(shù)會(huì)降低，表明RC橋墩的延性水平會(huì)隨著箍筋間距的增加而降低。

2.3 主筋配筋率的影響

通過(guò)改變配筋率，建立4種不同縱筋配筋率的鋼筋混凝土橋墩有限元墩柱模型。在保證4種RC墩柱模型的墩頂荷載、箍筋間距、截面面積和形式、軸壓比、混凝土等級(jí),以及保護(hù)層厚度等均相同的情況下，對(duì)比4種不同縱筋配筋率RC橋墩的抗變形能力。4種模型具體配筋率參數(shù)為:配筋率折減原配筋0.2；配筋率增加原配筋0.2；配筋率增加原配筋0.4；配筋率增加原配筋0.6，分別獲得結(jié)構(gòu)在地震組合荷載作用下的各向應(yīng)力狀態(tài)和變形。圖5為以箍筋配筋率變化-0.2時(shí)的z向應(yīng)力，表2為箍筋配箍率變化時(shí)橋墩地震組合荷載效應(yīng)。

圖5 箍筋配筋率變化-0.2時(shí)的Z向應(yīng)力云圖(單位：Pa)

表2 箍筋配箍率變化時(shí)橋墩地震組合荷載效應(yīng)

由以上的分析結(jié)果可知:增大縱筋配筋率，對(duì)橋墩加載地震荷載后應(yīng)力分布和大小均影響不大。橋墩的縱筋配筋率越高，其屈服位移會(huì)增大，而墩頂最大位移基本無(wú)變化，所以其位移延性系數(shù)越小，這說(shuō)明增大鋼筋混凝土橋墩的縱筋配筋率橋墩的延性性能會(huì)降低。

同理，對(duì)軸壓比也采用了控制參數(shù)法分別建模進(jìn)行分析地震組合荷載作用下橋墩的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，比較分析了3組不同墩頂軸壓荷載，計(jì)算結(jié)果綜合見(jiàn)表3。

表3 軸壓變化時(shí)橋墩地震組合荷載效應(yīng)

從表3計(jì)算結(jié)果可知：橋墩底部的最大受拉應(yīng)力和最大受壓應(yīng)力均會(huì)隨著軸壓比的增大而增大，而橋墩的最大位移會(huì)隨著軸壓比的增大而略有減小。故增大軸壓比會(huì)導(dǎo)致橋墩延性略微下降，破壞時(shí)脆性增加，應(yīng)予以避免。

3 結(jié)語(yǔ)

本文以實(shí)際工程中的橋墩為原型，基于APDL語(yǔ)言建立橋墩抗震仿真模型，在考慮多向地震組合荷載作用下研究橋墩的壓、彎、剪、扭復(fù)雜應(yīng)力響應(yīng)，并通過(guò)非線性地震時(shí)程反應(yīng)分析,對(duì)比橋墩墩頂位移反應(yīng)及彎曲延性程度,進(jìn)一步采用參數(shù)控制法建立多個(gè)模型研究了箍筋間距、主筋配筋率、軸壓比對(duì)抗震強(qiáng)度的影響，進(jìn)而研究鋼筋混凝土橋墩的破壞機(jī)理、影響因素和有效的抗震措施。

主要研究結(jié)論包括：適當(dāng)增加墩底抗剪區(qū)的箍筋配筋率或減小配筋間距均可有效增大墩底抗震關(guān)鍵段的抗剪強(qiáng)度；在近地面2 m高度范圍內(nèi)增加螺旋箍筋的配筋率可有效增加易損段的彎曲延性，可達(dá)到減少震損和降低后期維護(hù)成本的目的；主縱筋的增加會(huì)減小橋墩的彎曲延性，在橋墩的延性抗震措施中不建議考慮。