配式鋼混拱橋鋼板加固立柱節(jié)點抗震研究

張瓊心 楊建榮 劉志超 王建宇

(昆明理工大學建筑工程學院 昆明 650500)

0 引言

我國西南地區(qū)多為多地震、高設(shè)防烈度區(qū)且地勢情況復雜，高山峽谷、河流縱橫，常常有沖毀河床的地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生。此情況下，鋼筋混凝土拱橋展現(xiàn)出其極強競爭力。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，1974年云南昭通8級地震下某跨度40 m鋼筋混凝土拱橋腹拱拱頂及立柱連接處有裂縫但主拱圈無破壞[1]。震害調(diào)查發(fā)現(xiàn)，由于節(jié)點核心區(qū)剪力大，造成裝配式鋼筋混凝土拱橋震害，其表現(xiàn)為拱肋與拱上立柱連接節(jié)點處發(fā)生脆性破壞。王志強等[2]研究發(fā)現(xiàn)節(jié)點部位發(fā)生破壞由于鋼筋發(fā)生粘結(jié)退化現(xiàn)象，導致鋼筋錨固被削弱。所以，橋梁抗震加固需要重點關(guān)注節(jié)點保護環(huán)節(jié)。

早期有研究者對拱橋抗震性能進行的研究如下：韓晶晶[3]分析研究了高烈度地區(qū)預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土裝配式拱橋連接節(jié)點的受力性能和耗能性能，結(jié)果表明在拱腳節(jié)點處進行加固處理可增強橫橋向剛度和屈服彎矩;唐鵬等[4]對布設(shè)PBL加勁肋的鋼管混凝土拱肋節(jié)點進行非線性分析，結(jié)果表明，有PBL加勁肋可以提高鋼管與混凝土接觸面的粘結(jié)強度，增加鋼管與混凝土共同作用力，從而有效增強節(jié)點承載能力。綜上所述，拱橋立柱節(jié)點的研究逐漸深入，已經(jīng)取得了良好的效果，為更進一步的研究，本文采用強度高的外包鋼板對立柱節(jié)點進行加固，以期取得類似拱橋抗震加固具有參照作用的研究成果。

1 擬靜力試驗

1.1 橋梁概況

云南高烈度地震區(qū)量大面廣，山嶺峽谷較多，抗震設(shè)防要求高。節(jié)點結(jié)構(gòu)在構(gòu)造中起著傳遞力的作用，在地震作用下節(jié)點承受力情況復雜。它是結(jié)構(gòu)損傷的核心部分，關(guān)系到整個結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定。在地震作用下，一旦節(jié)點受損破壞，將造成巨大的連鎖破壞，從而導致結(jié)構(gòu)無法滿足“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設(shè)防要求。

本文以云南地區(qū)某裝配式鋼筋混凝土拱橋為研究對象，由于地形復雜，且處地震多發(fā)地帶，具有研究代表性。該橋腹孔墩鋼筋混凝土立柱的高度沿拱軸線高度在1.680～10.584 m不等，橋梁上部結(jié)構(gòu)的全橋布置如圖1所示。DIWAN A F等[5]利用“等效節(jié)間”分析了橋面、立柱、拱肋的相互作用，立柱尺寸的設(shè)計是直接影響拱橋節(jié)間靜力平衡的因素。為達到更好的試驗效果，特選取實驗?zāi)Ｐ透叨葹?.894 m的6號立柱，這個位置在極限縱向荷載作用下將發(fā)生彎曲破壞時易觀察，且預(yù)制安裝比較方便。故依據(jù)6號立柱的尺寸、構(gòu)造和約束條件制作試件，見圖2。

圖1 橋梁上部結(jié)構(gòu)全橋布置(單位：mm)

圖2 試件結(jié)構(gòu)布置(單位：mm)

1.2 擬靜力試驗分析

1.2.1 試件設(shè)計與制作

6號立柱試件設(shè)計為：一般連接節(jié)點YZ-1首先分別預(yù)制立柱與底座，其次對立柱與底座預(yù)埋鋼筋進行焊接后，最后對杯口混凝土澆筑。外包鋼板加固節(jié)點QD-9采用對一般連接節(jié)點先植筋，然后外包8 mm厚鋼板的方法加固。外包鋼板的區(qū)域為自底座以上950 mm的立柱及杯口區(qū)。節(jié)點QD-9采用單向位移控制加載的擬靜力加載方式，使用可變幅和等位幅混合模式進行位移控制。杯口上方柱身部分外包鋼板，將混凝土表面與鋼板使用粘結(jié)膠固定，并用鐵錘敲擊鋼板至與混凝土表面完全貼合，在鋼板表面的預(yù)留孔洞部位插入螺桿，錨固區(qū)用配套的螺母對其進行固定，對所有外包鋼板接縫處進行焊接。

外包鋼板試件制作方法及原理：用高性能環(huán)氧膠粘劑將8 mm鋼板粘貼在混凝土表面，采用整體包裝法，使鋼板與混凝土在粘結(jié)作用下形成一個完整的受力共同體，充分利用鋼板抗拉強度的優(yōu)良力學性能，提高構(gòu)件的承載力和剛度。根據(jù)《建筑抗震試驗方法規(guī)程》用于基本性能試驗的同類構(gòu)件不宜少于3個，鋼筋混凝土進行試體擬靜力和擬動力試驗的縮尺比例不小于1/10。節(jié)點的縮尺比例一般不小于1/5；進行振動臺試驗彈塑性模型的縮尺比例一般不小于1/50。

1.2.2 加載裝置

擬靜力試驗方法：試件底座通過螺栓固定在試驗臺上，液壓千斤頂用于在試件頂部施加恒定的垂直壓力，液壓伺服千斤頂用于施加往返水平位移。水平荷載高度為距地梁頂面2 994 mm。施加水平位移時，應(yīng)先進行正向加載再反向加載。定位、對中調(diào)整好試件后即可開始加載。測試加載裝置和試驗加載方案步驟如圖3所示。圖中F=316.17 kN為鋼筋進入塑性狀態(tài)時對應(yīng)的最大推力，加載方式按照《建筑抗震試驗方法規(guī)程》(JGJ 101—96)所規(guī)定采用荷載變形雙控制法。

圖3 擬靜力試驗裝置及加載方案

1.2.3 實驗結(jié)果

待擬靜力試驗加載完畢，得出試件破壞形態(tài)如圖4所示，計算結(jié)果詳見表1和表2所示，計算方法依照《建筑抗震試驗方法規(guī)程》(JGJ 101—96)。

圖4 試件破壞形態(tài)

表1 一般連接節(jié)點耗能滯回曲線面積

表2 外包鋼板耗能滯回曲線面積

2 有限元數(shù)值模擬

2.1 有限元模型的建立

利用軟件ABAQUS CAE對裝配式鋼筋混凝土拱橋的柱節(jié)點進行了足尺模型模擬。外包鋼板的區(qū)域為自底座以上950 mm的立柱及杯口區(qū)。外包鋼板加固節(jié)點QD-9采用對一般連接節(jié)點先植筋，然后外包8 mm厚鋼板的方法加固。模型建立應(yīng)先依據(jù)設(shè)計圖紙搭建主筋和箍筋模型，形成鋼筋骨架；然后再按照設(shè)計圖紙要求完成混凝土模型，便于確定鋼筋籠的位置；建模中，混凝土采用實體單元，而鋼筋采用桁架單元。鋼筋籠通過內(nèi)置或是共用節(jié)點的方式，達到與混凝土共同受力的作用。

桁架單元只能傳遞軸力，不能傳遞剪力和彎矩。箍筋和縱筋采用三維兩節(jié)點單元進行模擬，對于長寬比和厚度較大的構(gòu)件，在模擬過程中通常采用殼單元，不考慮鋼筋與混凝土之間的應(yīng)力和滑移效應(yīng)。選取分離式位移協(xié)調(diào)模型的方法，對拱肋與立柱外包鋼板加固節(jié)點建立如圖5模型。

圖5 拱肋與立柱外包鋼板加固節(jié)點模型

混凝土以三維線性減縮積分單元進行模擬。經(jīng)過多次模擬計算后，為保證計算結(jié)果的準確性和精確度，模型立柱混凝土及鋼筋網(wǎng)格單元設(shè)置為80 mm，還需注意立柱頂部及底座的部分混凝土網(wǎng)格單元應(yīng)設(shè)置為120 mm。

2.2 混凝土本構(gòu)關(guān)系

為了能更好地模擬結(jié)構(gòu)在不同工況下做反復單調(diào)拉伸作用下的受力影響，建立損傷塑性模型。本模型在LUBLINER J[6]、LEE L等[7]研究模型的基礎(chǔ)上建立關(guān)于混凝土本構(gòu)關(guān)系。據(jù)規(guī)范確定，構(gòu)件初始彈性模量選用混凝土受拉割線模量，試驗混凝土為C30，其彈性模量為30 GPa，泊松比為0.2。采用ABAQUS軟件默認的混凝土塑性損傷參數(shù)見表3。

表3 塑性損傷模型參數(shù)

其中，Ψ為膨脹角，ε為偏心率，fb0/fc0為混凝土雙軸受壓比單軸受壓極限強度值，K為不變量應(yīng)力比，μ為粘性特征參數(shù)。

混凝土單軸受拉曲線及受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線方程由式(1)—式(8)確定，混凝土在單軸拉壓行為曲線如圖6所示。

σ=(1-dt)Ecε

(1)

(2)

(3)

(4)

σ=(1-dc)Ecε

(5)

(6)

(7)

(8)

(a)混凝土受拉行為

(b)混凝土受壓行為

2.3 鋼筋本構(gòu)關(guān)系

鋼筋的單軸本構(gòu)關(guān)系可分為理想彈塑性模型、雙折線模型和三折線模型。一般來說，對于含碳量低的鋼材其流幅也較長，設(shè)計中采用理想彈塑性本構(gòu)模型。與三折線模型相比，雙折線模型將塑性階段和強化階段合并為塑性強化階段，進一步簡化了計算。本文所有鋼筋均以雙折線本構(gòu)模型為分析模型。鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型圖如圖7所示。

圖7 鋼筋本構(gòu)模型

鋼筋雙斜線模型表達式如下：

(9)

式中，εy為鋼材屈服應(yīng)變。

3 結(jié)果分析對比

3.1 破壞形態(tài)分析

有限元模型建立后得出外包鋼板數(shù)值模擬損傷結(jié)果如圖8所示，一般連接點模型裂縫最終情況如圖9所示。

圖8 外包鋼板數(shù)值模擬模型損傷

圖9 一般連接點數(shù)值模擬模型損傷

試驗對比：加載過程中，一般連接節(jié)點YZ-1的破壞集中出現(xiàn)于立柱底端杯口之上500 mm范圍內(nèi)，加載完畢后，柱底部保護層混凝土坍塌，杯形接頭區(qū)上部混凝土坍塌，觀測到主筋、箍筋屈服情況。外包鋼板加固節(jié)點QD-9的杯口區(qū)鋼板和立柱鋼板連接焊縫裂紋不斷發(fā)展，最終致立柱與杯口連接失效，立柱鋼板、杯口區(qū)鋼板及植入錨栓均未見明顯破壞。

數(shù)值模擬模型對比：一般連接點的杯口節(jié)點區(qū)上部部分顏色加深，說明該區(qū)域破壞范圍大且嚴重；外包鋼板加固后未見顏色深層部位，立柱與杯口鋼板連接處顏色略淺，說明破壞范圍小、破壞程度低。伴隨循環(huán)次數(shù)和位移幅值增加的同時損傷不斷累積，導致結(jié)構(gòu)剛度和強度發(fā)生退化，最終降低功率和應(yīng)變的能力。

3.2 恢復力特性曲線分析

試件的能量損失情況可以由恢復力特性曲線所包圍面積表示。記錄試驗加載過程中荷載、位移，得到構(gòu)建恢復力性變化情況見圖10。

(a)連接點實驗

(b)連接點數(shù)值模擬

試驗與數(shù)值模擬恢復力特性驗證，其形狀呈光滑，梭形狀。為便于觀察選取加載位移52 mm之前的數(shù)據(jù)對比。試驗對比：試件的谷值荷載最大值為-230.133 kN；峰值荷載最大值為239.085 kN；鋼板加固試驗得到試件的峰值荷載最大值為363.415 kN，谷值荷載最大值為-307.608 kN；數(shù)值模擬對比：一般連接點數(shù)值模擬的峰值荷載為232.293 kN，谷值荷載為-227.321 N；鋼板加固數(shù)值模擬的峰值荷載為289.601 kN,谷值荷載為-363.745 N?？傮w來看，外包鋼板峰值荷載提高24.7%～52%，谷值提高33.67%～60%；構(gòu)件加載初期均處于線彈性發(fā)展階段，兩者比較接近，繼續(xù)加載模型將進入非彈性階段，可以發(fā)現(xiàn)外包鋼板的滯回曲線更加飽滿，極限位移加大，節(jié)點延性也更好。由此看出外包鋼板性能明顯強于一般連接點，采用厚度鋼板的試件具有更加飽滿的滯回曲線，因而耗能能力也更好。

3.3 耗能分析

由荷載-位移骨架曲線和試驗數(shù)據(jù)，可計算能量耗散系數(shù)，依照《建筑抗震試驗方法規(guī)程》(JGJ 101—96)承載力、延性和能量耗散系數(shù)是評價節(jié)點抗震性能優(yōu)良的主要參數(shù)。能量耗散系數(shù)E計算如下：

由圖11分析可知，試驗對比：在加載位移20 mm之前一般連接點與外包鋼板恢復力特性曲線面積相吻合；加載位移達到20～52 mm之間試件屈服后，外包鋼板滯回曲線整體斜率變大，滯回面積峰值增大90%；數(shù)值模擬對比：在加載位移10 mm之前一般連接點與外包鋼板恢復力特性曲線面積相吻合，伴隨加載位移增加，鋼板加固節(jié)點的滯回面積大于一般連接點，其滯回面積峰值增大13.2%；同一加載位移下，循環(huán)次數(shù)越高，滯回環(huán)面積越大，耗能更強。而且外包鋼板極限位移遠大于一般連接點(外包鋼板極限位移：90 mm，一般連接點極限位移：52 mm)，說明外包鋼板加固耗能能力大，抗破壞性強，不易受損。

(a)位移骨架曲線

(b)連接點實驗位移-滯回曲線面積

(c)連接點數(shù)值模擬-滯回曲線面積

4 結(jié)論

本文的主要工作是對裝配式拱橋立柱節(jié)點外包鋼板加固的抗震研究，通過擬靜力試驗和數(shù)值模擬，對比恢復力特性曲線、等效阻尼比、初始剛度、荷載-位移骨架曲線，從強度、變形和能量耗散3個方面對結(jié)構(gòu)耗能能力進行測定。本次試驗表明所用試件均具有較高承載力及良好的耗能能力，試驗過程中，試件沒有出現(xiàn)整體坍塌情況。

(1)從試件的強度看，一般連接點極限位移為52 mm；外包鋼板極限位移90 mm；同一加載位移下，外包鋼板峰值荷載提高24.7%～52%，谷值提高33.67%～60%；外包鋼板試件承載力收益更好，強度明顯優(yōu)于一般連接點。

(2)從試件的破壞形態(tài)看，一般連接節(jié)點YZ-1的立柱屬于彎剪破壞，立柱破壞先于杯口區(qū)破壞出現(xiàn)露筋，表明該試件的杯口區(qū)抗彎、抗剪強度滿足，而采用鋼板外包加固措施后，鋼板連接部位出現(xiàn)少數(shù)裂紋，破壞程度明顯降低，整個試件的抗震性能更好。

(3)從試件的耗能能力來看，在相同荷載位移下，加固后的恢復力特性曲線面積隨荷載位移的增大而增大，峰值面積比一般連接增加了13.2%，耗能效益較好。表明對裝配式拱橋立柱節(jié)點采用合理鋼板加固措施后可進一步充分利用杯口區(qū)剩余強度，提高整個試件的抗震性能。本文外包鋼板只是提高拱橋立柱節(jié)點抗震穩(wěn)定性能方法之一，更好的提高立柱節(jié)點性能的措施還有待進一步研究和探討。