鋼管混凝土橋墩環(huán)梁式節(jié)點動力響應(yīng)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

肖俊生,江 鎖,盧春亭,李 楊,王建軍

(1.中建七局安裝工程有限公司，河南 鄭州 450053；2.沈陽建筑大學(xué)，遼寧 沈陽 110168)

0 引言

隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷完善，一些偏遠(yuǎn)山區(qū)的交通能力得到了極大提升。橋墩高、跨度大是山區(qū)橋梁工程的主要特點[1]。鋼管混凝土橋墩承壓比大，在相同長細(xì)比條件下可大大提高上部橋梁的跨度，環(huán)梁節(jié)點是一種將橋墩與梁板連接的無支座新型橋梁體系，其連接處應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜，也是橋墩受力的薄弱環(huán)節(jié)，連接的可靠性關(guān)系到整個橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性，必須引起高度重視[2-3]。橋梁上部結(jié)構(gòu)承受行車荷載通過支座直接傳遞給橋墩立柱，節(jié)點在車輛等動荷載下的響應(yīng)及破壞機(jī)理與靜荷載有很大不同，一些學(xué)者也對此進(jìn)行了大量研究。王靜峰[4]等通過ANSYS有限元分析軟件，采用三維接觸單元的網(wǎng)格劃分方法得到了節(jié)點在動荷載作用下的滯回曲線；陳娟[5]等利用試驗的方法分析了構(gòu)件破壞形態(tài)及裂縫發(fā)展情況，得到了節(jié)點動力荷載下滯回曲線及鋼筋內(nèi)力變化曲線；聞洋[6]等在大量試驗基礎(chǔ)上提出了一種新的有限元本構(gòu)模型，充分考慮了材料、結(jié)構(gòu)幾何關(guān)系的非線性。

從現(xiàn)階段的研究中可以發(fā)現(xiàn)，針對節(jié)點的試驗和有限元模擬動力特性分析可以發(fā)現(xiàn)，對節(jié)點的計算方法尚未統(tǒng)一，相關(guān)理論尚未成熟，因此本文采用有限元分析軟件ABAQUS分析了節(jié)點在動力荷載作用下的時程效應(yīng)，并為節(jié)點設(shè)計進(jìn)行了優(yōu)化分析，為節(jié)點受力分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了一種新的思路。

1 節(jié)點內(nèi)力傳遞機(jī)理分析

混凝土環(huán)梁節(jié)點的破壞與梁截面尺寸、鋼管混凝土強度等級、截面積、節(jié)點配筋等有密切關(guān)系。按照“強節(jié)點、弱構(gòu)件”的設(shè)計理念[7-9]，鋼管混凝土的設(shè)計強度高于節(jié)點強度，構(gòu)件破壞時塑性鉸由節(jié)點逐步發(fā)展，其破壞模式如圖1所示，節(jié)點將橫隔板及T梁直接與立柱連接，省略上部支座結(jié)構(gòu)，節(jié)點破壞是由于橫梁內(nèi)塑性區(qū)發(fā)展并最終擴(kuò)展至節(jié)點內(nèi)部，使混凝土開裂，截面承載力降低。

圖1 節(jié)點設(shè)計破壞模式

節(jié)點在各種工況下主要承擔(dān)上部荷載傳遞的彎矩和剪力[10]。節(jié)點梁所受上部荷載傳遞至節(jié)點處形成負(fù)彎矩，形成節(jié)點上部受拉、下部受壓的狀態(tài)，其內(nèi)力由內(nèi)部箍筋、環(huán)向鋼筋、腰筋及混凝土共同承擔(dān)[11-14]。上部荷載在環(huán)梁間傳遞會在節(jié)點處形成剪力，節(jié)點與鋼管混凝土間通過抗剪環(huán)連接，防止節(jié)點受剪后與鋼管混凝土脫落。

相關(guān)文獻(xiàn)認(rèn)為[15-16]，鋼管混凝土與橫梁節(jié)點是一個受力整體，以節(jié)點內(nèi)鋼材及混凝土的共同受力為分析基礎(chǔ)。其受剪及受彎整體分析驗算表達(dá)式如式(1)、式(2)所示。

(1)

(2)

式中:M、N、V為外部作用的彎矩、軸力及剪力；M0、N0、V0為相同尺寸及截面構(gòu)造條件下鋼管混凝土截面極限抗彎、抗壓、抗剪承載力；ASC為鋼管混凝土總截面面積；fSC為總截面極限抗壓承載力。

結(jié)構(gòu)在動力荷載下的響應(yīng)，按照動力放大系數(shù)對相應(yīng)的外力進(jìn)行放大后，通過式(1)和式(2)進(jìn)行設(shè)計驗算。

2 結(jié)構(gòu)動力分析

本文選取有限元分析軟件ABAQUS采用多種單元模式對鋼管混凝土橋墩環(huán)梁節(jié)點進(jìn)行了建模分析，其中鋼管選用殼體單元，鋼管內(nèi)混凝土采用實體單元，鋼管與混凝土間通過Tie 命令連接，使鋼管和混凝土間沒有相對位移，共同受力，鋼筋采用線性桁架單元模擬。節(jié)點尺寸及配筋如圖2所示，鋼管殼體厚度為30 mm，模擬長度為3 m，內(nèi)部為C50混凝土，環(huán)梁截面尺寸為500 mm×800 mm，混凝土等級為C40，受力鋼筋等級為HRB400，箍筋等級為HPB300。

圖2 普通節(jié)點構(gòu)造(單位：mm)

本文的動力荷載采用低周期反復(fù)荷載形式，其加載以位移控制為主，即以幾點位移量為荷載施加控制條件。

節(jié)點應(yīng)力云圖如3所示，從圖3中可以發(fā)現(xiàn)，環(huán)形梁節(jié)點端部應(yīng)力較大，且出現(xiàn)了明顯的塑性變形，隨著循環(huán)荷載的增加，環(huán)形梁與水平梁連接處拉應(yīng)力超過了混凝土抗拉強度，混凝土出現(xiàn)拉裂縫，裂縫逐步發(fā)展至環(huán)形梁內(nèi)部。

圖3 節(jié)點應(yīng)力云圖

取混凝土環(huán)形節(jié)點內(nèi)應(yīng)力最大點為研究對象，其應(yīng)力與時間關(guān)系曲線如圖4所示，從圖4中可以發(fā)現(xiàn)，在低周期反復(fù)荷載作用下節(jié)點應(yīng)力呈階梯型增長，并具有較大的變化范圍，這是因為周期荷載的施加是以結(jié)構(gòu)位移發(fā)展為基礎(chǔ)，因此結(jié)構(gòu)內(nèi)力的增長也是根據(jù)位移增長呈階梯形增長。

圖4 節(jié)點應(yīng)力變化

結(jié)構(gòu)的滯回曲線是結(jié)構(gòu)在循環(huán)荷載下位移及荷載關(guān)系變化曲線，是結(jié)構(gòu)對動荷載的位移響應(yīng)。環(huán)形梁端部滯回曲線如圖5所示，從圖5中可以發(fā)現(xiàn)，節(jié)點整體處于彈塑性變形范圍內(nèi)，加載初始階段，正向荷載和負(fù)向荷載加載曲線重合，節(jié)點殘余變形較小，隨著荷載的增加，滯回曲線不再飽滿，循環(huán)荷載不再重合，節(jié)點殘余變形明顯，滯回曲線呈現(xiàn)梭形，從節(jié)點破壞分析，當(dāng)正向荷載達(dá)到380 kN時，節(jié)點正向位移量達(dá)到27.3 mm，節(jié)點殘余變形量達(dá)到12.5 mm。

圖5 環(huán)形梁端部滯回曲線

每一級循環(huán)荷載加載到最大時對應(yīng)構(gòu)件最大位移連接形成的曲線稱為節(jié)點荷載-位移骨架曲線。環(huán)形梁節(jié)點骨架曲線如圖6所示，從圖6中可以發(fā)現(xiàn)，曲線下降段較陡，且下降段過原點，呈現(xiàn)直線形狀，直線斜率等于節(jié)點的變形模量，曲線斜率較大因為混凝土及鋼筋等級較高，因此彈性模量較大，隨著節(jié)點變形量的增加，節(jié)點塑性區(qū)范圍擴(kuò)大，節(jié)點變形能力減弱，從圖6中可發(fā)現(xiàn)節(jié)點最大位移21.3 mm，最大荷載380 kN，與滯回曲線一致。

圖6 荷載-位移骨架曲線

節(jié)點剛度變化曲線是節(jié)點對動荷載的另一種響應(yīng)。節(jié)點剛度變化曲線如圖7所示，從圖7中可以發(fā)現(xiàn)，隨著位移量的增加，節(jié)點剛度降低，這是因為塑性變形減小了節(jié)點的受力面積，因此剛度逐漸降低，從圖7中可以發(fā)現(xiàn)，節(jié)點剛度早期下降速率較快，因此前段較后段傾斜。

圖7 節(jié)點剛度變化

3 節(jié)點優(yōu)化

從以上的結(jié)構(gòu)動力特性分析中可以發(fā)現(xiàn)，節(jié)點破壞從環(huán)形梁端部開始并逐漸發(fā)展至梁內(nèi)部，節(jié)點梭形滯回曲線及荷載-位移表明節(jié)點應(yīng)力分布復(fù)雜，且在環(huán)形梁端部塑性區(qū)發(fā)展迅速，與梁正交方向梁體變形較小，因此必須對節(jié)點鋼筋重新配置，使節(jié)點端部內(nèi)力傳至中部共同受力。

為了增強截面間內(nèi)力傳遞效率，充分發(fā)揮環(huán)梁的整體效應(yīng)，對環(huán)梁設(shè)置了HRB400直徑8 mm的斜向拉筋，拉筋距離150 mm，以將局部應(yīng)力擴(kuò)散至全梁，斜向拉筋布置如圖8所示。

圖8 斜向拉筋布置示意

優(yōu)化后環(huán)形梁端部滯回曲線如圖9所示，從圖9中的滯回曲線可以發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后端部塑性區(qū)域擴(kuò)大，節(jié)點位移增大，相比較于圖5可以發(fā)現(xiàn)滯回環(huán)相對扁平，結(jié)構(gòu)周期荷載最大增加到475 kN。

圖9 環(huán)形梁端部滯回曲線

根據(jù)環(huán)形梁端部滯回曲線，得到了如圖10所示的荷載-位移骨架曲線，從曲線中可發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后環(huán)形梁的極限荷載及最大位移均比之前大，其中最大荷載增加到475kN，最大位移增大到27.5 mm。

圖10 荷載-位移骨架曲線

從環(huán)形梁端部滯回曲線及荷載-位移骨架曲線中可以發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后環(huán)形梁在低周期反復(fù)荷載作用下力學(xué)性能提升，極限承載力及位移均增加。

4 結(jié)語

鋼管混凝土橋墩通過對混凝土的約束增強承載力，橋墩通過環(huán)梁式節(jié)點與橫系梁等橫向結(jié)構(gòu)物連接，是整個橋梁下部結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)，本文用數(shù)值分析軟件ABAQUS對節(jié)點的動力特性進(jìn)行了模擬分析，得到了薄弱節(jié)點處在反復(fù)周期荷載下的滯回曲線及荷載-位移骨架曲線，在對節(jié)點的動力特性分析基礎(chǔ)上對節(jié)點配筋進(jìn)行了優(yōu)化分析，通過增設(shè)斜向拉筋增強節(jié)點承載能力，優(yōu)化后的滯回曲線及荷載-位移骨架曲線均優(yōu)于普通環(huán)形節(jié)點。