基于OpenSees的型鋼混凝土橋墩延性分析

易廷友　唐洪泉

摘要：文章采用OpenSees有限元軟件對(duì)新型型鋼混凝土橋墩的變形性能進(jìn)行分析，介紹了模型的建立、本構(gòu)關(guān)系和邊界條件等，并以延性系數(shù)為指標(biāo)對(duì)不同參數(shù)的型鋼混凝土橋墩的變形能力進(jìn)行分析和評(píng)估。結(jié)果表明：提高型鋼混凝土橋墩的含鋼率可提高其延性;增大軸壓比會(huì)降低型鋼混凝土橋墩的延性;增大配筋率可增大型鋼混凝土橋墩的延性，但影響不大。

關(guān)鍵詞：橋梁工程;型鋼混凝土;有限元;橋墩;延性

中國(guó)分類(lèi)號(hào)：U443.22文章標(biāo)識(shí)碼：A190723

0 引言

我國(guó)是一個(gè)地震頻發(fā)的國(guó)家，并且交通網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積廣闊，公路橋梁的震害問(wèn)題十分嚴(yán)重。由于公路橋梁時(shí)?？缭缴焦?、河流，因此大多采用高度較大的單柱、雙柱或者混合雙柱式橋墩，且要求橋墩在地震作用下能夠吸收較大的地震能量，產(chǎn)生一定的變形而不至于損壞，即應(yīng)具備較好的延性性能。為此，橋墩的延性性能成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的重點(diǎn)[1]。

目前，公路橋梁橋墩一般采用鋼筋混凝土橋墩。一般鋼筋混凝土橋墩的變形能力有限，在地震作用下極易出現(xiàn)開(kāi)裂，并產(chǎn)生彎剪破壞的情況。國(guó)內(nèi)外學(xué)者嘗試研究一些新的橋墩構(gòu)造，或采用新的材料以增強(qiáng)橋墩適應(yīng)變形的能力，如自復(fù)位搖擺橋墩、UHPC橋墩和ECC橋墩等。不過(guò)，自復(fù)位搖擺橋墩構(gòu)造復(fù)雜，施工不易，應(yīng)用較為有限;UHPC和ECC橋墩造價(jià)較高，應(yīng)用也不多。為此，型鋼混凝土由于其優(yōu)越的性能和適中的造價(jià)，成為一種更為優(yōu)越的橋墩結(jié)構(gòu)形式。型鋼混凝土即混凝土包裹型鋼，充分利用了型鋼較好的變形能力以及混凝土對(duì)于鋼材的保護(hù)能力，極大地提升了橋墩的變形性能[2]。不過(guò)，目前國(guó)內(nèi)對(duì)于型鋼混凝土橋墩的研究還較為有限，如何更為合理地對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)還有待研究。鑒于此，本文采用OpenSees對(duì)單柱式型鋼混凝土橋墩的變形性能進(jìn)行分析，以延性系數(shù)為指標(biāo)對(duì)不同參數(shù)的型鋼混凝土橋墩的變形能力進(jìn)行分析和評(píng)估。研究成果可為型鋼混凝土橋墩的設(shè)計(jì)建設(shè)提供參考。

1 有限元數(shù)值模型建立

1.1 模擬對(duì)象

文獻(xiàn)[3]開(kāi)展了鋼筋混凝土單柱式橋墩的延性性能試驗(yàn)，本文以其中試件Ⅰ為原型，建立單柱型鋼混凝土矩形橋墩模型并開(kāi)展參數(shù)分析。該橋墩截面尺寸為50 cm×50 cm，保護(hù)層厚度為40 cm，配筋率為1.0%，采用HRB335等級(jí)鋼筋。內(nèi)部型鋼采用HW300 mm×300 mm型號(hào)，如圖1所示。后續(xù)將以此為基本模型，擴(kuò)充參數(shù)并建模分析。

1.2 單元類(lèi)型及本構(gòu)

本文模擬的型鋼混凝土，截面較鋼筋混凝土橋墩更為復(fù)雜。除一般的縱筋和箍筋外，內(nèi)部還有型鋼。為了更為準(zhǔn)確地模擬型鋼混凝土的力學(xué)行為，本文采用纖維單元模型進(jìn)行模擬。纖維單元模型是采用纖維截面的桿單元[4-5]，OpenSees提供了多種纖維單元模型可供選擇，如forceBeamColumn Element、dispBeamColumn和nonlineBeamColumn等。本文采用精度更好的forceBeamColumn Element進(jìn)行模擬。

每個(gè)纖維單元?jiǎng)澐譃?個(gè)積分節(jié)點(diǎn)，每個(gè)積分節(jié)點(diǎn)處截面采用纖維截面，纖維截面將截面離散為若干根纖維，每根纖維根據(jù)截面材料的不同定義為相應(yīng)的單軸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系（本構(gòu)關(guān)系）。截面纖維包含縱筋纖維、型鋼纖維和混凝土纖維。其中，混凝土纖維又分為保護(hù)層混凝土纖維和約束混凝土纖維。上述混凝土纖維采用Concrete02混凝土本構(gòu)，縱筋和型鋼采用Steel02鋼材本構(gòu)。

1.3 邊界條件

橋墩底部完全固結(jié)，墩身及墩頂可自由運(yùn)動(dòng)。

1.4 模型加載

為了獲得橋墩的延性性能，本文采用延性系數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。為了獲得橋墩的延性系數(shù)，本文在橋墩頂部施加水平位移荷載，以10 mm為間隔，逐步加載。當(dāng)橋墩承載力下降至極限承載力的85%時(shí)停止加載。

2 參數(shù)分析

延性是指結(jié)構(gòu)、構(gòu)件或構(gòu)件的某個(gè)截面從屈服開(kāi)始到達(dá)最大承載能力或達(dá)到以后而承載力沒(méi)有顯著下降期間的變形能力。為此，采用位移延性系數(shù)可更加直觀地評(píng)價(jià)橋墩的變形能力。延性系數(shù)越大則橋墩變形能力越好，反之越差[6]。延性系數(shù)的計(jì)算公式如下：

2.1 不同型號(hào)型鋼的影響

型鋼混凝土所采用的型鋼應(yīng)與橋墩的尺寸相適應(yīng)，若型鋼尺寸過(guò)大，則型鋼混凝土的力學(xué)行為接近鋼結(jié)構(gòu)，既不經(jīng)濟(jì)也無(wú)法發(fā)揮型鋼混凝土的優(yōu)勢(shì);若型鋼尺寸過(guò)小，型鋼的承載力也無(wú)法有效發(fā)揮。

為了探究含鋼率對(duì)型鋼混凝土延性的影響，本文選取型號(hào)為HW200 mm×200 mm、HW300 mm×300 mm、HW350 mm×350 mm、HW400 mm×400 mm的型鋼進(jìn)行建模，型鋼混凝土橋墩的含鋼率分別為2.6%、4.8%、6.9%和8.8%。其中，采用型鋼HW300 mm×300 mm的型鋼混凝土橋墩為前文所述的基本模型，上述模型除型鋼型號(hào)外，其余參數(shù)一致。分別對(duì)其進(jìn)行加載并計(jì)算延性系數(shù)，計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，隨著含鋼率的提高，型鋼混凝土的延性系數(shù)呈先快速上升再逐漸減緩的變化規(guī)律。如當(dāng)含鋼率為2.6%時(shí)，其延性系數(shù)也很小，僅為2.6;當(dāng)含鋼率>6.9時(shí)，其延性系數(shù)增加不多。這表明含鋼率的提高可有效提高型鋼混凝土的延性。

2.2 軸壓比的影響

對(duì)于橋墩而言，上部結(jié)構(gòu)對(duì)其頂部的壓力會(huì)顯著影響其受力性能。為此，有必要對(duì)不同軸壓比作用下型鋼混凝土橋墩的延性進(jìn)行評(píng)估。軸壓比是指橋墩頂部施加的軸壓力設(shè)計(jì)值與型鋼混凝土橋墩承載力設(shè)計(jì)值的比值。本文分別分析了當(dāng)軸壓比為0、0.2、0.4、0.6、0.8時(shí)型鋼混凝土延性系數(shù)的變化規(guī)律，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，隨著軸壓比的增大，橋墩延性系數(shù)呈先迅速下降又逐漸減緩的變化規(guī)律。如相比軸壓比為0時(shí)，其增大至0.8時(shí)的延性系數(shù)降低了62.3%。上述現(xiàn)象表明，增大型鋼混凝土橋墩的軸壓比會(huì)降低橋墩的延性。這主要是因?yàn)檩S壓比大的構(gòu)件，在水平荷載作用下產(chǎn)生的P-[WTBX]Δ效應(yīng)更為顯著，產(chǎn)生了更大的二階彎矩，加載后期難以維持穩(wěn)定，從而使得延性降低。因此，在實(shí)際工程中，應(yīng)控制型鋼混凝土橋墩的軸壓比不宜過(guò)大。

2.3 縱筋配筋率的影響

對(duì)于型鋼混凝土橋墩而言，其也需要正常配置縱筋，以防止型鋼外部混凝土過(guò)早開(kāi)裂或壓碎。不過(guò)，型鋼混凝土內(nèi)部含有型鋼，縱筋布置是否與普通橋墩一致還尚不明確。為此，也有必要對(duì)型鋼混凝土橋墩的縱筋配筋率進(jìn)行研究。本文設(shè)計(jì)并建立了配筋率為6%、8%、10%和12%的型鋼混凝土橋墩，對(duì)其延性系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，隨著配筋率的提高，型鋼混凝土的延性系數(shù)逐漸上升，但提升幅度不大，如當(dāng)配筋率為12%時(shí)，其延性系數(shù)僅比配筋率為6%時(shí)的增加了0.48。上述現(xiàn)象表明，型鋼混凝土橋墩的延性是以型鋼為主要控制因素，而配筋率對(duì)其貢獻(xiàn)不大。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述有限元分析，可以得到以下結(jié)論：

（1）型鋼混凝土應(yīng)嚴(yán)格控制含鋼率，增大型鋼混凝土橋墩的含鋼率可有效增大其延性，對(duì)抗震有利。

（2）增大型鋼混凝土橋墩的軸壓比會(huì)降低其延性，實(shí)際工程中應(yīng)嚴(yán)格控制其軸壓比。

（3）型鋼混凝土橋墩的延性是以型鋼為控制因素，提高配筋率影響不大。

參考文獻(xiàn)：

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