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      基于OpenSees的型鋼混凝土橋墩延性分析

      2021-03-17 16:40:39易廷友唐洪泉
      西部交通科技 2021年12期
      關(guān)鍵詞:延性橋墩橋梁工程

      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):

      [1]申彥利,趙志宏,魏 博.鋼筋混凝土空心橋墩的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究[J].世界地震工程,2021,37(1):93-102.

      [2]陳洋藝,李志剛,陽(yáng) 霞.高溫后方鋼管型鋼混凝土短柱軸向力學(xué)性能研究[J].建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)展,2021,23(7):58-66.

      [3]孫 卓,李建中,閆貴平,等.鋼筋混凝土單柱式橋墩抗震性能試驗(yàn)研究[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2006(2):160-164.

      [4]武云鵬,韓 博,郭 峰,等.非線性纖維梁?jiǎn)卧芯颗c應(yīng)用[J].建筑結(jié)構(gòu),2018,48(20):60-64,54.

      [5]彭 勝,許成祥.震損型鋼混凝土柱加固后的恢復(fù)力模型研究[J].武漢科技大學(xué)學(xué)報(bào),2021,44(5):388-393.

      [6]魯錦華,陳興沖,丁明波,等.不同配筋率下鐵路重力式橋墩抗震性能試驗(yàn)研究[J].中國(guó)鐵道科學(xué),2021,42(3):47-54.

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