型钢混凝土桥墩的延性系数分析.pdf

江苏建筑 2 0 1 2年第 3期( 总第 1 4 8期) 型钢混凝土桥墩的延性系数分析 刘娜 王修 信 ( 东南大学土木工程学院 。 江苏南京2 1 0 0 9 6 ) 【 摘 要】 采用A N S Y S对单柱式矩形截面桥墩的受力性能进行有限元数值分析， 对型钢混凝土结构数值模拟中材料本构 的定义、 有 限元建模和边界条件设置等关键技 术进行研 究， 计算构件延性 系数 并分析位 移延性 系数 的影响 因素 。结果表 明： 在其 它条件不变的情 况下， 位移延性 系数随含钢率、 体积配箍率和剪跨 比的增加而增大， 随轴压比的增加 而减小。 【 关键词】 型钢混凝土； 桥墩； 延性系 数； 影响因素； 本构关系 【 中图分类 - U 4 4 3 2 2 文献标识码1 A 【 文章编号1 1 0 0 5 6 2 7 0 2 0 1 2 ) 0 3 - 0 0 7 1 - 0 4 Duc t i l i t y Fa c t o r An a l y s i s o f t h e St e e l Re i n f o r e d Co n c r e t e H e r UU Na W A NG Xi u x i n ( S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， S o u t h e a s t U n i v e r s i t y ， N a n j i n g J i a n g s u 2 1 0 0 9 6 C h i n a ) Ab s t r a c t ： F i n i t e e l e me n t n u me ric a l a n a l y s i s o f s i n g l e c o l u mn a n d r e c t a n g u l a r s e c t i o n p i e r u s i n g ANS YS c o m p u t e r p r o g r a m w e r e c o n d u c t e d a n d t h e me c h a n i c a l b e h a v i o r s o f t h e s e p i e r s we r e a n aly s e d A s e ri e s o f p i v o t al n u me ri c a l s i mu l a t i o n t e c h n o l o g i e s a b o u t s t e e l r e i n f o r c e d c o n c r e t e s t r u c t u r e s u c h a s d e fi n i n g ma t e ria l mo d e l， e s t a b l i s h i n g fi n i t e e l e me n t mo d e l a n d s e t t i n g u p b o u n d a r y c o n d i t i o n s w e r e s t u d i e d T h e d i s p l a c e me n t d u c t i l i t y f a c t o r h a d b e e n c alc u l a t e d ， wh i c h i n fl u e n c i n g f a c t o rs h a d b e e n a n a l y s e d I t t u r n e d o u t t h a t a t t h e o t h e r c o n d i t i o n s r e ma i n u n c h a n g e d ， d i s p l a c e me n t d u c t i l i t y f a c t o r i n c r e a s e w i t h t h e i n c r e a s e o f s h a p e d s t e e l r a t i o、 v o l u me t - r i c p e r c e n t a g e o f s t i r r u p s a n d s h e a r s p a n r a t i o B u t wi t h t h e i n c r e a s i n g o f a x i al c o mp r e s s i o n r a t i o ， d i s p l a c e me n t d u c t i l i t y f a c t o r b e c o me s mall e r Ke y wo r d s ：s t e e l r e i n f o r e d c o n c r e t e ； p i e r ； d u c t i l i t y f a c t o r ； i n fl u e n c i n g f la c t o r ls ： c o n s t i t u t i V e r e l a t i o n 0前 言 柱式桥墩是公 路桥梁 中普遍使 用的一种桥墩 形式 主 要有单柱式 、 双 柱式 、 哑铃式以及混合双 柱式 4种 柱身截 面有圆形 、 矩形 、 六 角形 和八角形等 。因为桥梁结构 的大部 分塑性铰都设 置在墩柱上 墩柱 的延性性能直接影响结构 的总体延性状态 。 因此墩柱的延性研究至关重要。 延性是表 征变形能力的一个 重要参数 。 是指结构 、 构件或构件截面在 承载能力没有 显著下降的情况下承受变形 的能力 通常用 延性系数来表示构件延性 的大小 最常用 的为 曲率延性 系 数和位移延性 系数 曲率延性 系数通常用于反映延性构件 临界截面的相对延 性位移延性 系数则用于反映延性构件 局部 以及延性结构整体 的相对延性 。 对混凝土桥梁 钢筋混凝土桥墩的延性是通过桥墩塑 性铰 区的塑性转动能力 获得 的普通钢筋混凝土桥墩常常 无法提供结构遭遇罕遇地震时所 需的位移延性 而 型钢 混 凝土结构与传统的钢结构或钢筋 混凝 土结构相 比具有很 强的性能优势和经济优势【 - - 采用 型钢及箍筋约束混凝土概 念设计 的桥墩 可以提供结构所需 的位移延性 。 我国现有的 型钢混凝土结构设计规程尚不完善 型钢混凝 土桥墩 的延 性研究更是很少 因此 为较为准确全 面的了解型钢混凝 土 桥墩的受力性能 需 要采 用有 限元方法等数值模拟技术来 进行研究 。 已有试验研究表明 。 影响型钢混凝土柱位移延性 系数 的主要因素有轴压 力系数 、 体积配箍率 、 剪跨 比 、 配 钢 率和混凝土强度等 2 1 l 有限元数值模拟 1 1 单元类型 混凝土采用 Sol i d 6 5单元 关闭 Sol i d 6 5单元 的压 碎功 能r 将混凝士单 轴受 压强度设 为一 1 ) ， 否则计算难收敛 。型钢 和钢垫板采用 Sol i d 4 5单元 纵 筋和箍筋采用 L i n k 8 单元 1 2 材料属性 1 2 1 混凝土材料模型 目前 组合 结构 的有限元 模拟 多采 用单 一的 混凝 土本 构 然而组合结构的混凝土截面往往有多个 约束 条件不同 的区域 因此有必要对不同区域 采用不 同的混凝土应力一 应 变关 系。本文将型钢混凝土桥墩截面混凝土划分为 2个 区 缝 墅 熊箜 丝壅墨塑 熊堑丝 壅 ， 如图1 所示。箍筋外 收稿日 2 0 1 2 0 2 2 2 作者简介】 刘 娜 ， 东 南 大 学 土 木 工 程 学 院 ， 研 究 生 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 江苏建筑 2 0 1 2年第 3期( 总第 1 4 8期) 无约束混 凝土处于单轴受压应力状态 。 采用 S a e n z 模 型 ( 如 图 2 ) ， 应力应变 曲线简化成 多段折线 按 照非线性 弹性材 料模 型输入 这样 能较 好的反应混凝土应力一 应变曲线的下 降段 ： 而箍筋约束区混凝 土可认 为处于多轴受力状态 ， 可 等 效为单轴 应力状 态 采用 Ma n d e r 模 型 ( 如 图 3 ) ， 混凝土 破 坏 准 则 采 用 A N S Y S中 C o n c r e t e材 料 默 认 的 Wi l l i a m Wa m k e 五参数破坏准则 圈 l 截面约束混凝土区域的划分 图 4型钢应 力应变 曲线 圈 5 钢 筋应 力应 变曲线 1 2 3粘结滑移 一 般用非线性弹簧单元 C o m b i n a t i o n 3 9来模 拟型钢混凝 土 的粘结滑移 ， 已有试验结果表 明 在保证 型钢表 面混 凝土 厚度的条件下 型钢和混凝土之间的粘结滑移是很小 的四 所 以本文不考虑型钢和混凝土之间的粘结滑移 1 - 3 材料及构件参数 根据文献嘲 单柱式矩形桥墩构件 I 的截面尺寸为 5 0 c mx 5 0 c m， 高度为 2 m。 保 护层 厚度 为 4 0 mm 混凝 土强度 等级 为 C 4 0 ； 采用热 轧 H型钢 HW3 0 0 x 3 0 0 ： 纵 向钢筋 为 8根直 径 为 2 0 m m 的 HR B 3 3 5热轧钢 筋 配筋率 约为 1 0 采用 对 称 配 筋 ：箍 筋 采 用 直 径 1 0 m m 和 间 距 1 0 0 mm 的 HR B 3 3 5热轧 钢筋 。 双肢箍 按传 统 的周边 布筋形式 且在 两端箍筋加密配置 3道间距为 2 5 mm的箍 筋 墩柱截面尺 寸及配筋如 图 6所示 材料参数见表 l 。 H w 3 0 0 x 3 0 0 图 6型钢混凝土构件截面图( 单位 ： m m) 1 4 建立模 型及求解 1 4 1 实体建模 根据构件 的几何 尺寸 、 配 筋和配钢特征 采用“ 由上 至 下” 的建模方法建立实体模 型 由于块体之 间的布尔运算要 求较 严格 为保证 型钢和混凝土单元都能规则划分成平行 六面体单 元 需要进行块体分割 。 如图 7所示 。然后运用 布 尔操作将几个 实体胶粘成整体 再对实体进行六面体单 元 划分 在已划分单元 的混凝 土节点 中选择需要布置钢 筋的 节点 ， 建立纵筋和箍筋单元。 表 1 材料参数裹 D 、 俞 一 国 图 7 块体分割示意 图 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 江苏建筑 2 0 1 2年第 3期 ( 总第 1 4 8期 ) 1 4 2 边界条件及加载方式 将墩柱看作底部 固定上部 自由的悬臂式构件 。对底部 结点 的所有 自由度进行约束 而且在水平位移施加之前 ， 对 顶部所有节点耦合水平加载方向的平动 自由度嘲 。 加载方式采用静力加载方案 第 1 个荷 载步对顶 面施 加均匀轴 向面压力并保持定值 采用此加载形式 能够保证 轴 向荷载始终垂直柱顶平面 与试验过程轴向压力加载方 式完全相 同： 第 2 个荷 载步施加水平荷载 屈 服前 按荷 载控 制 屈服后按位移 控制 。另外 。 在加载端部加设 5 0mm厚的 钢垫板 以消除应 力集 中的不利影响 ， 防止局部压 坏。 1 4 3 模型求解 分析时每个荷载步取 1 0 0个 子步 以提高计算精度。 此 外 为加 速收敛 。 打开线性搜 索和预测器 ， 在位移控制 加载 过程中采用位 移的无穷范数控制收敛 力控制加载过程 中 则用残余 力的二范数控制收敛 求解 有限元模 型。 2 影响 因素分析 2 1 延性 系数 构件 的延性 主要用延性 系数来表示 延性 系数 越大 ， 说 明构件的延性越好 。 抗震性能越好 ， 反之则越差 。延性系数 包括位移延性系数 、 曲率延性系数及转角延性 系数 。 这里 主 要采用位移延性系数来分析 型钢混凝土桥墩的延性 表达 式为 ： A ( 1 ) 式 中 ， 为位移延 性系 数 ， 为构件 屈服 位移 ， 为构件 极限位移 影响型钢混凝土桥墩延性 的因素较多 其中主要有轴压 比 、 型钢截面形式及含 钢率 、 体积配箍 率 、 剪跨 比、 混凝 土强 度等等 后文采用 A N S Y S 模拟型钢混凝土桥墩破坏情况。 因 型钢截面形式和混凝土强度对墩柱的延性 影响不大I 回 从 定 量上来分析其它几个主要因素的影响程度 。 2 2 轴压 比对延性影响 型钢混凝土墩柱的轴压 比为施加 在构 件上 的轴 压力设 计值 与混凝土部分和型钢部分承载力设计值之和的 比值m 表达式如下 ： n = N If 删 ( 2 ) 式中 | 7、 r 为施 加在构件上 的轴压力设 计值 ； 为混凝 土轴心 抗压强度设计值 为型钢抗压强度设计值 ； A。 为混凝土 的 净截面面积 ； 4 为型钢 的截面面积 。 参照构件 I 的建模分析方法 ， 其他条件不 变 分别取不 同的轴压 比 得出延性系数列于表 2中 并绘成曲线如 图 8 所 示 。 从图 8中我们可以看出 随着轴压 比的增 大 位移延性 系数呈总体减小趋 势。 这可从 2个方面解释四 ： 一方面 ， 轴压 比较小时 ， 构件截面边缘混凝土的主压应 力和主压应 变小 混凝土后期 的变形能力强 ， 延性好 随着 轴压 比的增大 。 构 件截面边缘混凝土的主压应力 和主压应变增加 混凝土 的 极限变形能力减弱 。 延性降低 ； 另一方面 ， 轴压比大的试件 ， 裹 2 不同轴压比下的延性系数 注 ： n为轴压 比， p 为体 积配箍率 ， p 薯 为含钢 率 。 为剪跨 比。 图 8 轴压 比与延性系数的关系曲线 随着水平位移的增加 由轴 向压力引起的效应加大 。 二次弯 矩和附加变形增加 构件在最大荷载后的变形难 以稳定 。 承 载力衰减加快 极 限位移减小 ， 因而延性 较差 。 2 3 含钢率对延性的影响 截 面含钢率 p 。 是 指型钢混 凝土构 件 内型钢截 面面积 A 与构件全截面面积 A的 比值 。如果配钢率太小 ， 不能和 混凝 土之 间很好 的协 同工作 型钢混凝土的优势无法得到 发挥 ； 若 配钢率过大 ， 不经 济且偏向钢结构 ， 钢结 构的弊端 更加 明显 。 如残余应力和长细比的影响等等。 J G J 1 3 8 2 0 0 l 规定 ： 框 架柱受力型钢 的含钢率不宜小 于 4 。 且 不宜大于 l O 。 经 济合理的含钢率为 5 一 8 。参照构件 I ， 在其他条 裹 3 不 同含钢率下的延性系数 - 率 p 。 圈 9含钢率与延性系数的关系曲线 8 7 6 53 2 1 O q 1 1 赢 嗓州 徵 6 5 t S 2 l O q T I 摹 掣徽 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 江苏建筑 2 0 1 2年第 3期 ( 总第 1 4 8期 ) 件不变情况下 ， 选用不同型号的型钢 分别算 出延性系数列 于表 3中 。 并绘成 曲线如图 9所示。从图中我 们可看到 构 件的延性系数随含钢率的增加 而增大 含钢率过低时延性 较差 含钢率过高时增速变缓 。 2 4体积配箍率对延性 的影响 同理 其它条件不变 ， 参照构件 I I I 和 V， 采用不 同的体 积配箍率 得 出延性系数并将绘成曲线如图 l 0所示 。从 中 我们可 以看到 位移延性 系数随体积配箍率的增加而增大。 这是 因为箍筋能对核心区的混凝 土提供 附加约束 使核 心 区混凝土处于多 向受力状态 极限变形能力增强 配箍率越 大 其 所能提供 的约束作用越强 对混凝土延性 的改善作用 越 明显 构件延性 系数也就越大 。 从图 1 0中还可看 出 配箍 一 J& 6 肺 l n = 0 3 l l 三 Q ： 曼l 1 1 5 2 2 5 体积配箍串 p s 图 1 0体积配箍率与延性系数 的关系曲线 率增加 到一定程度后位移延性系数的增长减缓 还有在大 轴压 比下 即使提高体积配箍率也不能有效地 改善墩柱的 延 性 。 2 5剪跨 比对延性 的影响 剪跨 比 为 构件截面所 承受 的弯 矩 与 对应 的剪力 和截面有效 高度 h 。 乘积之 比。 剪跨 比反映 了截 面上弯 曲 正应力和剪应力的相对关系是决定墩柱延性破坏还是脆 性破坏的主导因素 由国内外 已有试验结果可知 ， 剪跨 比对 构件延性的影响主要体 现在对破坏形态的影响 ，破坏形态 与剪跨 比的关系大致如下 ： 当 k 1 5时 发生延性很差的斜 压破坏 ： 1 5 h 2 5时 ， 发生 弯 曲破坏 。同样其他条件不变 ， 采用不同的剪跨 比， 分别得 出 延性系数并将绘成曲线如图 l l 所示 可 以看 出随着剪跨 比 的增加 位移延性 系数增大 。 3结 语 ( 1 ) 采 用 A N S Y S有 限元模拟构 件的受力 和变形情 况 ， 在材料本构和边界条件合理设置的前提下 计算结 果有 较 高 的可信度 ( 2 ) 轴 压 比对构件 的延性影响很 显著 。 轴压越大 ， 型钢 混凝土柱 的延性越差 这与轴压比对钢筋混凝 土构 件的影 响 一 致 。 ( 3 ) 在其 它条件 不变 的情况 下 ， 位 移延性 系数 随含 钢 轻 掣 6 5 1 0 2 r 1 L 剪跨 。 图 l 1 剪 跨 比 与 延 性 系 数 的 关 系 曲线 率 、 体积 配箍率和剪跨 比的增加而增大 ， 随轴压 比的增加 而 减小；且根据影响因素的关系图可看出， 与 1 n 和、 基 本符合 线性变 化规律 ， 与 和 P 基 本符合 二次 曲线 变 化 规 律 。 ( 4 ) 轴压 比和剪跨 比是 2个相互矛盾 的因素 。 在墩高一 定 的情况下 为了提高延性而降低型钢混凝土柱的轴压 比 ， 这样就要增大截面尺寸 而截面增大 ， 又会 导致 剪跨 比减小 而降低延性 ， 所以结构设计 时应尽可能考 虑周全 。 参考文献 【 1 】 赵 鸿铁 钢 与 混凝 土组 合 结构【 M 】 北京 ： 科 学 出版社 ， 2 o 0 l： 7 7 7 9 2 1 李俊华， 赵鸿铁， 薛建阳 型钢 高强混凝 土柱延性的试验 研 究 J 】 西安建筑科技大学学报， 2 0 0 4 ， 3 6 ( 4 ) ： 3 8 3 3 8 6 【 3 】 段 小雨 型钢 高强混凝 土柱数值模拟 分析【 D 】 重庆： 重庆 大学2 0 0 7 4 】 孙卓， 李建 中， 闫贵平， 范立础 钢 筋混凝 土单 柱式桥墩 抗 震性能试验研 究 J 】 同济 大学学报， 2 0 0 6 ， 3 4 ( 2 ) ： 1 6 0 1 6 4 5 1 王妙芳， 郭子雄 型钢混凝土柱的 A N S Y S数值模拟技 术 J 】 华侨 大学学报， 2 0 0 9 ， 3 0 ( 2 ) ： 1 9 5 - 1 9 9 【 6 】 孙 玉品 型钢 混凝土柱 弯矩一 曲率曲线有限元分析 D 】 西安： 西安建筑科技大学 2 0 0 8 【 7 】 J G J 1 3 8 -2 0 0 1 型钢 混凝土组合 结构技术规程【 s 】 北京： 中 国 建 筑 工业 出版 社 2 0 0 2 f 8 1 陈卓， 段 小雨 型钢 高强混凝土柱舍钢 量对延性 的影响 J 建筑科学， 2 0 0 9 ， 2 5 ( 9 ) ： 5 8 6 1 f 9 1 郭健 ， 何 益 斌 ， 肖阿林 实腹 式 型 钢 混 凝 土柱 延 性 系数 分 析 J 】 中南大学学报， 2 0 0 8 ， 3 9 ( 1 ) ： 1 9 6 - 2 0 1 【 l 0 范立础， 卓卫 东 桥 梁延性抗震设计 M 】 北京： 人 民交通 出版 社 2 0 0 1 l 1 1 代本 明 箍筋约束混凝土桥墩延性与 柱支粱桥 抗震性 能研 究 D 1 南京： 东南大学， 2 0 0 7 【 1 2 】 何本 国 A N S Y S土木 工程应用 实例【 M】 3版 北京： 中国 水 利 水 电 出版 社 2 0 l 1 1 6 5 4 3 2 l 0 司T I 、 蓉 掣 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m