内填部分混凝土箱形截面钢桥墩的滞回性能研究.pdf

1 4 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 第 3 8卷第 1 期 2 0 1 2年 2月 内填部分混凝土箱形截面钢桥墩的滞回性能研究 王跃东， 高圣彬 ( 上海交通大学土木工程系， 上海2 0 0 2 4 0 ) 摘要： 首先 ， 利用试验方法对内填部分混凝土箱形截面钢桥墩在承受水平反复荷载作用下的滞回性能进行研究， 探讨翼缘宽厚比参数和混凝土填充率对钢桥墩滞 回性能的影响。然后， 采用弹塑性有限元分析方法， 对试验结果 进行数值模拟。研究结果表明， 钢桥墩的延性随着翼缘宽厚比的减小和混凝土填充率的提高而得到显著提高。由 数值模拟得到的试件的滞回曲线、 钢板局部屈曲模态等， 与试验结果吻合较好。 关键词： 内填部分混凝土箱形截面钢桥墩 ； 水平反复荷载； 滞回性能； 局部屈曲模态 中图分类号： U 4 4 3 2 2 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 8 1 9 3 3 ( 2 0 1 2 ) 0 1 0 1 4一 o 5 Re s e a r c h 0 n t h e h y s t e r e t i c b e h a v i o r s o f p a r t i a l l y c o nc r e t e fil l e d s t e e l bo x- s e c t i on D r i d ge p e r s - l WANG Yu e d o n g， GA0 S h e n g b i n ( D e p a r t m e n t o f C i v i l E n g i n e e ri n g ， S h a n g h ai J i a o t o n g U n i v e r s i t y ， S h a n g h a i 2 0 0 2 4 0 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h i s p a p e r ai m s t o i n v e s t i g a t e t h e h y s t e r e t i c b e h a vi o rs o f p a r ti a l l y c o n c r e t e -fi l l e d s t e e l b o x - s e c ti o n b r i d g e p i e rs s u b j e c t e d t o a c o n s t a n t v e r t i c a l l o a d a s we l l a s c y c c h o ri z o n t al l o a d i n g Th e e ff e c t s o f fl a n g e p l a t e w i d th- t h i c k n e s s r a t i o a n d t h e h e i g h t o f fi l l e d i n c o n c r e t e o n t h e h y s t e r e t i c b e h a v i o r s o f t h e p i e r s a r e s t u d i e d Th e n an a c c u r a t e e l a s t o p l a s t i c fi n i t e e l e me n t f o r mu l a t i o n i s p r e s e n t e d t o p r e d i c t t h e h y s t e r e t i e b e h a v i o r s and f ail u r e mo d e s o f t wo p i e r s I t i s c o n c l u d e d t h a t t h e d e c r e a s e i n t h e fl ang e p l a t e w i d th t h i c k n e s s r a t i o a n d t h e i n c r e a s e i n t h e h e i g h t o f fi l l e d i n c o n c r e t e c a n g r e a t l y i mp r o v e t h e d u c t i l i t y b e h a v i o r o f s t e e l b ri d g e p i e rsT h e h y s t e r e t i c c u r v e s a n d f a i l u r e mo d e s o f t h e p i e r s p r e d i c t e d b y n u me ric a l a n a l y s i s c o i n c i d e we l l w i t h t h e e x p e r i me n t al r e s u l t s Ke y wo r d s ： p a r t i a l l y c o n c r e t e fi l hd s t e e l b rid g e p i e r ； c y c l i c h o r i z o n t al l o a d i n g ； h y s t e r e t i e b e h a v i o r ； l o c al b u c k l i n g mo d e 0 引 言 箱形截面钢桥墩的主要优点有轻质、 占地面积 小、 施工工期短、 补强加固容易、 造型美观等， 但在地 震反复荷载作用下纯钢桥墩的根部附近容易出现局 部屈 曲， 从而导致钢桥墩 的延性变得较差。为了提 高箱形截面钢桥墩的延性性 能， 在钢桥墩中填充部 分混凝土 ， 是一种行之有效的方法。在钢桥墩 中填 充部分混凝土后 ， 既可以提高桥墩 的防车辆撞击能 力 ， 又可以提高其抵抗水平地震力的能力。与全填 充混凝土的钢桥墩相比， 填充部分混凝土的钢桥墩 由于 自重轻 ， 可以减少基础的负担。此外 ， 只在弯矩 较大的桥墩根部附近填充混凝土 ， 符合结构的力学 性能要求 。 由于混凝土部分填充钢桥墩不仅能提供显著的 收稿 日期： 2 0 1 0 1 1 8 作者简介： 王跃东 ( 1 9 8 6一) ， 男， 河北邢 台人 ， 硕士研究生 ， 主要从事 桥梁设 计。 基金项 目： 上海市科学技术委员会浦江人 才计划 ( O 8 P J 1 4 0 6 4 0 0) ； 教 育部留学回国人员基金资助项 目 E ma i l ： l x w y d 6 6 6 1 6 3 c o rn 抗震性能 ， 比如高强度、 高变形以及 良好的能量吸收 能力 ， 而且 由于具有不需要额外支护施工模板 ， 可 以 大大缩短施工工期 ， 能够提高钢桥墩 的防车辆撞击 能力等优点， 近年来对混凝土部分填充钢桥墩的抗 弯性能研究 ， 吸引了很多学者的关注 3 引。本文通过 对 4个 内填混凝土箱形截面钢桥墩试件进行试验研 究 ， 探讨钢桥墩的翼缘宽厚比、 混凝土填充率等参数 对钢桥墩滞 回性能和破坏模态的影响。此外 ， 采用 三维弹塑性有限元分析方法对其 中两个试件进行了 数值模拟， 由计算得到的试件的滞回曲线、 破坏模态 等， 与试验结果吻合较好。 1 试件及数值模型概要 1 1 试件及加载方式 本文 的分析对象为 内填部分混凝土后 的钢桥 墩 ， 其结构示意如图 1所示。根据研究 目的， 在钢桥 墩长细比为 0 3 2的情况下 ， 对混凝土填充高度分别 为钢桥墩高度 的 3 0 和 5 O ， 翼 缘宽厚 比分别 为 0 7 0和 0 8 0的4个试件进行试验研究。试件 的尺 寸及编号见表 1 ， 其 中， 翼缘板宽厚 比 的表达式 2 0 1 2 N o 1 王跃东， 等： 内填部分混凝土箱形截面钢桥墩的滞回性能研究 1 5 为 ： R t = _ 1 2 ( 1 - v 2 )一 式 中6 翼缘板宽度 ； 板厚； o r 钢材的屈服强度 ； E 钢材的弹性模量 ； 一 钢材的泊松 比。 ( a ) 钢桥墩 图 1 内填部分混凝土钢桥墩 Fi g 1 P a r t i a l l y c o n c r e t e - f fl l e d s t e e l b o x - s e c t i o n b r i d g e p i e r s 表 1 试件 的几何尺寸和参数 T a b l e 1 Ge o me t r i c a l s i z e s a n d p a r a m e t e r s o f s p e c i me n s 试件的翼缘 和腹板 均采用 厚度为 5 7 mm 的 Q 2 3 5 型钢板。钢材的材料力学性能由单轴拉伸试 验确定如下 ： 屈服应力 = 2 6 1 MP a ， 弹性模量 E= 2 0 91 0 M P a ， 内填混凝土的抗压强度为 3 0 M P a 。 本次试验的加载方式为在试件顶部施加恒定的 竖向荷载 P= 0 2 P ( P 为试件的全截面屈 服荷载) 后 ， 再施加水平反复荷载。试验中为保证施 加的竖 向荷载方向始终保持不变 ， 在试件顶部设置了滑动 导轨。正式加载时， 水平反复荷载采用先荷载控制， 后位移控制 的方法。当试件根部附近的翼缘钢板最 大压应变达到屈服应 变时， 此时对应 的试件顶部的 位移取为屈服位移 ， 此后加载以该位移值的 0 2 倍为级差进行。水平反复荷载的加载方式如图 2所 示， 逐步施加水平强制位移 ， 2 6 v 0 ，3 6 v0 ， 。 。 0 试验中， 除了设置应变片和应变花之外 ， 在试件 的多个位置还设置了位移计， 以便更好地把握试件 图2 水平反复荷载加载方式 F i g 2 L o a d i n g p a e m un d e r c y c l i cl o a d 在反复荷载作用下的变形以及屈 曲情况。如图 3所 示 ， 本次试验加装了 l 2个位移计 ， 其中， 在钢桥墩根 部附近设置 1 个位移计( 图3中的位移计4 ) 来测量 钢桥墩支座的刚体位移 。另外 ， 在可能发生钢板屈 曲变形 的位置设置了 1 1个位移计， 监测钢板的屈曲 变形情况。 l Q I 图 3 位移计的设置位置 ( 试件 $ 7 0 3 2 - 5 0 ) F i g 3 M e a s u r e me n t p o s i t i o n o f d i s p l a c e me n t g a u g e s ( S p e c i me n$ 7 0 3 2 - 5 0 ) 1 2 数值分析模型 本文采用有限元计算软件 D I A N A 对钢桥墩 试件 $ 7 0 - 3 2 - 3 0和试件 $ 8 0 - 3 2 - 3 0进行数值模拟分 析。利用结构与施加荷载的对称性， 选取整体结构 的一半建立有限元分析模型。模型的网格分割如图 4所示， 采用4节点壳单元模拟钢板， 采用8节点等 参实体单元模拟混凝土， 在钢板与混凝土界面上设 置非线性弹簧单元来模拟钢板和混凝土之间的接触 特性。此外， 在试件顶部设置刚性梁单元模拟试验 中设置的刚性加载板。 l 6 四川建筑科学研究 第 3 8卷 弹 图 4 钢桥墩 的有 限元分析模型 F i g 4 An a l y t i c a l mo d e l o f s t e e l p i e r s 基于材性试验结果 ， 钢材的应力一应变关 系取 如图5所示的双折线模型， 采用随动强化模型作为 钢材在反复荷载作用下的本构关系。该图中， 钢材 的屈服强度 为 2 6 1 M P a ， 弹性模量 E= 2 0 91 0 M P a ， 泊松 比 l ， 为 0 2 7 ， 应变强化模量 E =0 0 1 E。 混凝土的应力应变关系采用文献 8 中提出的考 虑钢板对混凝土提供约束效应的应力软化模型。选 用摩擦角和膨胀角分别为 1 O 。 的 D r u c k e r P r a g e r 模 荠芒 = 7 、 7 、 | f ， ， 久 ， 。 ， J I I f f ?， ， ，l f | t ， f ， 、 f | l 鞔 ； ， | ，H ； = 一 v 0 ( a ) S 7 0 3 2 - 3 0 磁 ” I 、 ， 以 | ， ， I ， f ， 啦 l ， L I 茁 7 I 型作为混凝土的本构关 系， 采用弥散型裂缝模型考 虑受拉混凝土的开裂特性 。其 中， 混凝土压缩强度 为 3 0 MP a ， 弹性模量 E= 31 0 M P a ， 泊松 比 z ， 为 0 1 5 8 。此外 ， 通过仅具有受压刚度、 不具有受拉刚 度的非线性弹簧单元模拟钢板一混凝土界面可能出 现的剥离现象。 图5 钢材的单轴应力一应变关系 Fi g 5 Un i a x i a l s t r e s s - s t r a i n r e l a ti o n o f s t e e l 2 试验结果与考察 2 1 加载点的荷载一位移滞回曲线 由试验得到的4个试件顶部的水平荷载一水平 位移滞回曲线如 图 6所示。这里 ， 无量纲化处理 中 所使用的Hy o 为不考虑轴力影响 的桥墩顶部的水平 屈服荷载 ， 6 为与 。 相对应的水平屈服位移。 一 - J r f， 1一 ， ， I 。 n | | l ， 1 7 1 _ ， ， f f j | J ， f 7 I f l f f f f ， l r l l l 7 1 Z f ， ， ， l | ， ， j ， f l ， ， ， ， C ， 一 v o ( b ) $ 7 0 3 2 - 5 0 L I ， 7 - ， f f ， l | f ， ，| l I ) f ， f ， ， ， f j ， ， ， t l| L _ c e 0 l d dv 0 Jy O ( c ) $ 8 0 3 2 - 3 0 ( d ) $ 8 0 3 2 5 0 图6 加载点的水平荷载一水平位移滞回曲线 Fi g 6 Hor i z o nt a l l o a d di s pl a c e me nt hy s t e r e t i c c U r VE S 由 图 6( a ) 可 以看 出， 试 件 $ 7 0 - 3 2 - 3 0在 约 的荷载一位移滞回曲线。试件 $ 8 0 - 3 2 - 3 0在约 3 4 8 时达到极限承载力， 此后的承载力显著下降， 时达到极限承载力， 此后该试件的承载力急剧降低， 滞 回环也相应变扁。图 6 ( b ) 所示将混凝土填充率 滞 回环急剧变小 ， 显示 出比较差 的延性与能量吸收 由3 0 提高到 5 0 后的试件 $ 7 0 3 2 5 0的荷 能力。而试件 $ 8 0 3 2 5 0 不但达到极限承载力时的 载一位移滞回曲线。由该图可以看出， 混凝土填充 极限位移大大提高( 。 = 5 ) ， 而且各滞回环异常 率提高到5 0 后 ， 达到极限承载力之后的承载力劣 饱满， 表明混凝土填充高度对钢桥墩的滞回性能有 化趋势变得平缓， 且滞回环饱满， 显示出很强的能量 着显著的影响。 吸收能力。图6 ( c )( d ) 所示翼缘宽厚比为 0 8时 通过图 6 ( a ) 和图 6 ( C ) 的 比较可 以看出， 在混 2 0 1 2 N o 1 王跃东 ， 等： 内填部分混凝土箱形截面钢桥墩的滞回性能研究 1 7 凝土填充高度同为 3 0 的情况下 ， 翼缘宽厚 比参数 对试件的滞 回性能有着 比较显著的影响。翼缘宽厚 比越大， 试件 的极限位移变得越小 ， 吸能能力变得越 差， 这主要是因为翼缘宽厚比参数控制了钢板发生 局部屈曲的难易程度 ， 翼缘宽厚比越大 ， 越容易发生 局部屈曲。 2 2 各位移计处的测量位移考察 试验 中， 在试件上布置 了多个位移计监测钢板 的变形变化规律。这里选取翼缘板上布置的2号位 移计 ( 桥墩上部未填充混凝土部分) 和 3号位移计 ( 桥墩根部混凝土填充部分) 加以考察。试件 $ 7 0 3 2 3 0和试件 $ 8 0 - 3 2 3 0中2号位移计和 3号位移计 所测得的位移变化规律如图7 ， 8 所示。由试件$ 7 0 3 2 3 O的 2号和 3号位移计位置的荷载一位移滞回 曲线可以看出， 3号位移计的荷载一位移滞回曲线 从第 3 个滞回环开始向正向偏移， 说明3号位移计 位置的钢板开始出现塑性变形 ， 发生向外 的轻微 突 起变形。2号位移计位置 的荷载一位移滞回曲线从 第 5个滞 回环开始出现 明显的正向偏移 ， 说明 2号 位移计位置的钢板发生局部屈曲的时间较晚， 但此 后该处的水平位移增量增加很快。从该试件最终的 破坏模态( 图l l ( a ) ) 可以看出， 试件中的3号位移 计位置的钢板并没有出现 明显的突起变形， 而 2号 位移计位置的钢板出现了明显的向外突起的局部屈 曲变形， 导致试件最终丧失承载力。 v 0 9 _ 。 了 - 一 r 1 【 - ， 【 lI t ，? j ， j 碾 | l 鲁 t f l ；l ， I 1 日 ， ， 孝 +S 7 0 3 2 30 h ( b ) 3 号位移计 图 7 荷载一位移滞回 曲线 ( $ 7 0 - 3 2 - 3 0 ) F i g 7 Lo a d - d i s p l a c e me n t h y s t e r e fic c u r v e s 试件 $ 8 0 - 3 2 3 0中的 3号位移计 位置 的钢板在 早期就开始出现向外的屈曲变形， 而 2 号位移计位 置的荷载一位移滞回曲线在 3 1 。 之前基本保持对 称稳定 ， 但在此后的加载中， 2号位移计突然 出现反 一 试件破 一 f J ， “ - j 1 乙 ， ， I - SS 0 3 2 3 0 h ( a ) 2 号位移计 1 I r 一 士 1 、 v o = 3 1 t i j l ， r l _ _ 7 ，一一 【 +S B 0 3 2 3 0 h ( b ) 3 号位移计 图 8 荷载一位移滞回曲线( $ 8 0 - 3 2 3 0 ) F i g 8 L o a d - d i s p l a c e me n t h y s t e r e t i c c u r v e s 向的变形。从该试件 的最终破坏模 态( 图 1 1 ( c ) ) 可以看出， 2号位移计位置的钢板出现了向内凹陷 的局部屈曲变形， 这与2号位移计监测到的位移反 向现象吻合。 3 数值分析结果与考察 本文在试验研究 的基础上， 采用弹塑性有限元 分析方法对混凝土填充率为 3 0 的两个试件 $ 7 0 3 2 3 0和 $ 8 0 - 3 2 - 3 0进行数值模拟 ， 同时考虑材料与 几何非线性的影响。数值模拟中， 采用与试验完全 相同的加载方式。 由数值模拟得到的试件顶部水平荷载一水平位 移滞回曲线， 如图9 所示。图1 0为数值模拟与试验 的荷载一位移骨架 曲线 比较。由试验得 到的试件 $ 7 0 3 2 3 0的荷载一位移 曲线 在 4 8 帕 处达到极 限 荷载， 而数值分析结果在3 2 处达到荷载峰值， 但 由数值模拟得到的试件极限承载力大小与试验结果 吻合较好。由图 l O ( b ) 可 以看 出， 由数值分析预测 的试件 $ 8 0 - 3 2 3 0的极限承载力 以及承载力劣化趋 势， 都与试验结果比较一致。 如图 1 1 所示 ， 由数值模拟得到的试件破坏模态 与试验结果非常吻合 。混凝土填充率为试件高度的 3 0 时， 上部未填充混凝土部位的翼缘和腹板出现 凹凸的局部变形 ， 导致试件丧失 承载力。当混凝土 填充高度提高到 5 0 后 ， 由于 内填混凝土抑制了上 部钢板的变形， 使得试件的破坏转移到桥墩根部附 近， 同时大大提高了钢桥墩的滞回性能。如图 1 1 ( b ) ， ( d ) 所示 ， 试件 $ 7 0 3 2 - 5 0和试件 $ 8 0 3 2 - 5 0的 最终破坏模态为桥墩根部附近的钢板出现向外突起 1 8 四川建筑科学研究 第 3 8卷 ， lL ，| | l 礓1 l l | | t 雹 | l 77 = Ll 、 | l Z r I 不厶 ， 带精 ， 1 N I ， I 如 ， 如 ( a ) $ 7 0 3 2 3 0 ( b ) $ 8 0 - 3 2 ， 3 0 图9 数值模拟得到的荷载一位移滞回曲线 F i g 9 Lo a d - d i s p l a c e me n t h y s t e r e t i e c u r v e s o b t a i n e d f r o m n u m e r i c a l a n a l y s i s Tj 、 | ， ， o ， U 强； 口 7 a1n 1 1, e l蝤抒， 蛄里 I I I v o ( a 】 $ 7 0 - 3 2 - 3 O ， 6 | 、 ， 一 J u ； 口 1 f 目 ， v 0 ( b ) $ 8 0 - 3 2 - 3 O 图 1 0试验与数值 模拟 结果 的骨架 曲线对比 F i g 1 0 Co mp a ris o n o f l o a d d i s p l a c e me n t s k e t c h c u r v es b e t we e n t est a n d a n a l y s i s 的变形， 导致角部焊缝被明显撕裂。 采用三维弹塑性有限元分析方法预测试验结果。研 通过数值模拟结果与试验结果的对比， 可以发 究结果表明， 钢桥墩的滞回性能和延性性能随着翼 现， 采用的数值分析方法具有较高的预测精度， 为今 缘板宽厚比的增大而显著劣化。混凝土填充率的提 后进一步对钢桥墩进行各种参数分析提供了可靠保 高， 有效地改变了钢桥墩出现局部屈曲的位置， 提高 证。 了钢桥墩的滞回性能和延性性能。此外 ， 采用 的数 ( b ) 试件$ 7 0 3 2 5 0 ( c ) 试 件 $ 8 0 3 2 - 3 0 ( d ) 试 件$ 8 0 - 3 2 5 0 图 1 1 各试件的破坏模态比较 Fi g 1 1 Co mp a r i s o n o f f a i l ur e m o d e s o f s p e c i me n s 4 结 论 本文通过对 4个内填混凝土箱形截面钢桥墩进 行试验研究， 探讨钢桥墩的翼缘宽厚比参数、 混凝土 填充率对钢桥墩滞回性能和破坏模态的影响。然后 值分析方法， 能够精确预测钢桥墩的极限承载力和 破坏模态。本文进行的试验和数值分析方法研究， 为今后对钢桥墩进行各种参数分 析， 提供 了可靠保 证和有益指导。 参 考 文 献 ： 1 Ma t s u i C S t r u c t u r a l p e rf o r ma n c e a n d d e s i g n o f c o n c r e t e fi l l e d s t e e l t u b u l a r s t r u c t u r e s J J S S C S t e e l C o n s t r u c t i o n E n g i n e e r i n g ， 1 9 9 4， l ( 2 ) ： l I - 2 4 2 S h i g e k i U S e i s m i c r e t r o fi t o f h i g h w a y b r i d g e s J J o f J a p a n A s s o - e l a t i o n f o r E a r t h q u a k e E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 4 ( 4 )： 2 3 0 - 2 4 8 3 G e H ， U s a m i T C y c l i c T e s t s o f C o n c r e t e fi l l e d S t e e l B o x C o l u m n s J J o u r n a l o f S t r u c t u r al E n gi n e e ri n g ， A S C E ， 1 9 9 6 ， 1 2 2 ( 1 O ) ： 1 1 6 9 1 1 7 7 4 吕西林， 陆伟东 反复荷载作用下方钢管混凝土柱的抗震性能 试验研究 J 建筑结构学报， 2 0 0 0 ， 2 1 ( 4 ) ： 2 - 1 1 5 吉伯海， 高圣彬 钢桥抗震与损伤控制设计指南( 基础篇) M 南京： 河海大学出版社， 2 0 0 8 6 G e H， U s a m i T D e v e l o p m e n t o f e a r t h q u a k e - re s i s ta n t u l t i m a t e s t r e n g t h d e s i g n me t h o d f o r c o n c ret e fi l l e d s t e e l s t r u c t u r e s NUCE Re s e a r c h Re p o r t 9 4 0 1， 1 9 9 4 7 D I A N A M a t e r i al L i b r a r y ， V e r 9 3 ， 2 0 0 8 8 G a o S B ， G e H B N u m e ri c a l s i m u l a t i o n of h o l l o w a n d c o n e re | e fi l l e d s t e e l c o l u m n s J A n I n t e rna t i o n al J o u r n a l o f A d v anc e d S t e e l C o n s t r u c t i o n， 2 0 0 7， 3 ( 3 ) ： 6 6 8 - 6 7 8 蠢 一