构件可更换铁路桥墩抗震性能拟静力试验研究.pdf

第 63 卷 第 7 期2023 年7 月铁道建筑Railway EngineeringVol.63 No.7July 2023文章编号：10031995（2023）07006805构件可更换铁路桥墩抗震性能拟静力试验研究马健行1 韩森2 夏修身11.兰州交通大学 土木工程学院，兰州 730070；2.河南省交通规划设计研究院股份有限公司，郑州 450046摘要 为了快速恢复地震后受灾桥梁的使用功能，提出一种由混凝土柱和钢桁架联结系组合而成的构件可更换格构式桥墩体系。为研究构件可更换桥墩的抗震性能，设计制作1 12缩尺模型进行拟静力试验，并采用有限元方法对试验过程进行数值模拟。结果表明：可更换构件中斜腹杆发生屈服，是主要耗能构件，弦杆与竖杆不易屈服；墩柱中混凝土出现可修复的细小裂纹，钢筋处于基本弹性状态，模型桥墩具有较好的抗震性能。关键词 铁路桥梁；可更换构件；模型试验；铁路桥墩；抗震性能；格构式桥墩中图分类号 U442.5+5 文献标识码 A DOI：10.3969/j.issn.10031995.2023.07.13引用格式：马健行，韩森，夏修身.构件可更换铁路桥墩抗震性能拟静力试验研究 J.铁道建筑，2023，63（7）：6872.传统的桥墩通常按延性抗震设计，墩柱的塑性铰区常常发生严重损伤1，震后桥梁使用功能很难快速修复。随着抗震技术的进步，对抗震性能要求不断提高，工程结构的抗震设计理念已从防止结构倒塌转向震后使用功能可恢复。为此，研究人员提出了多种桥墩抗震结构，如摇摆结构、自复位结构和构件可更换结构2-6。构件可更换结构将可更换构件设计成耗能部件，使其在地震下先于主要构件屈服耗能，从而保护主要构件，震后通过更换损伤构件来恢复结构使用功能7。该结构震后恢复功能快且成本较低，推广前景较好。最早应用这一理念的工程是旧金山-奥克兰新海湾大桥，该桥在塔柱之间用一种可更换的工字型钢梁连接，在中小震作用下钢梁保持弹性，大震作用下钢梁屈服耗能，保护主体结构8。文献 9 提出在双柱墩柱之间设置可更换的V形钢板来耗散地震能量，保护主体结构。文献 10 提出了一种中间带“保险丝”构件的桥墩，并研究了其抗震性能。文献 11 提出一种柱-混凝土板-装配式钢梁的自耗能桥墩。本文以黄韩侯铁路纵目沟特大桥为工程背景，基于主要构件在强震中基本无损伤、次要构件损伤可更换、桥墩使用功能可快速恢复的理念，对其主墩进行构件可更换的再设计，提出一种基于钢桁架联结系的构件可更换铁路桥墩，设计并制作了一个缩尺比例模型进行拟静力试验，分析墩柱及可更换构件的损伤发生过程、破坏形态、滞回耗能及刚度退化规律，探究横向联结系杆件的屈服情况，并采用数值模拟方法对试验过程进行模拟。1 新型铁路桥墩结构 本文提出一种新型的桥墩结构形式（图1），桥墩通过格构式截面来提供较大的刚度。新型桥墩结构主要由四根混凝土柱及柱之间的钢桁架联结杆件组成。混凝土柱位于截面的四角，是新型桥墩的主要承重构件。钢桁架杆件为次要连接构件，日常使用时处于弹性状态，并联系四根混凝土柱协同工作。在遭遇强震作用时，主要构件仍处在弹性状态，次要构件屈服耗能，震后更换损伤的次要构件可快速恢复桥梁功能。图1新型高墩结构收稿日期：20230118；修回日期：20230522基金项目：国家自然科学基金（52068041,52278186）第一作者：马健行（1997），男，硕士研究生。Email：通信作者：夏修身(1978)，男，教授，博士。E-mail：第 7 期马健行等：构件可更换铁路桥墩抗震性能拟静力试验研究2 新型桥墩拟静力试验 2.1模型设计以纵目沟特大桥5#柱板式桥墩（图2）为原型12，按水平刚度相等原则进行可更换构件设计，将柱之间的混凝土板替换为钢桁架杆件。考虑试验场地的条件，以新型桥墩的第三节段为研究对象，设计模型缩尺比为1 12。新型桥墩具有对称性，可选取该桥墩的1/4进行试验研究。模型桥墩总高 2.5 m，混凝土柱高 2.2 m，截面尺寸为 20 cm 20 cm。混凝土柱采用C40混凝土，纵筋为直径18 mm的HRB400带肋钢筋，箍筋为直径8 mm的HPB235光圆钢筋。钢桁架联结系杆件采用Q235角钢，其中上、下弦杆由两个50 3的角钢焊接而成，斜腹杆、竖杆均采用30 3的角钢。各个杆件之间均采用直径为10 mm的螺栓连接。模型中共有4片钢桁架联结系，从上向下编号分别为第1片第4片。模型桥墩尺寸见图3，横向联结系见图4。2.2加载制度及试验布置加载系统由两根立柱及横梁组成，并通过量程为5 t的压力传感器实时测量施加的竖向力（图5）。试验中采用了变幅和等幅混合位移控制的加载制度，通过MTS作动器对模型桥墩施加低周反复水平荷载。第一级位移幅值为1 mm，依次增加2 mm，增至15 mm后依次按5 mm增加。每个幅值循环3次。当水平承载力下降到峰值荷载的85%以下时加载结束13。水平方向加载历程见图 6。加载过程中模型墩可经历弹性、开裂、屈服状态。模型桥墩的试验布置见图7。2.3数据采集墩顶水平位移及水平力分别由电液伺服加载系统自带位移和力传感器测定。在各横向联结系中点处布置位移测点，由WBD型百分表式电阻应变位移传感器测定。在横向联结系上弦杆、下弦杆、斜腹杆和竖杆上布置应变测点，采用BFH1203AA应变片测定。竖向压力传感器由东华DH3817动态采集仪存储数据，其余测点由东华DH3816静态采集仪存储数据。3 试验结果及分析 3.1试验现象试件加载初期，模型并无明显的裂缝及异响。当加载位移为5 mm时，横向联结系因错动发出明显的图7模型桥墩的试验布置图2纵目沟大桥（单位：cm）图3模型桥墩尺寸（单位：cm）图4横向联结系（单位：cm）图5荷载布置图6水平方向加载历程69铁道建筑第 63 卷响声，部分螺栓松动。随着加载位移的增加，响声更加剧烈，但墩身未见开裂，螺栓未再发生松动。加载位移为35 mm时，加载侧墩柱底出现水平向细小裂纹图 8（a）。加载位移持续增加，加载侧墩柱底的裂纹区域继续扩张，另一侧墩柱底出现横向裂纹图 8（b）。加载位移为60 mm时，墩柱底到第二排横向联结系之间的墩柱出现大量裂纹。试验结束后，墩柱裂缝分布见图8（c）。3.2滞回曲线与骨架曲线桥墩滞回曲线与骨架曲线见图9。可知：在加载初期，滞回曲线的包络面积较小，滞回环形状狭窄，加载和卸载曲线基本吻合，刚度退化不明显，桥墩处于弹性阶段，耗散的能量极少。随着荷载的增加，滞回曲线的包络面积随之增大，滞回曲线的斜率减小，刚度退化明显。达到构件的峰值荷载后，模型的水平承载力开始下降。随着裂缝不断开展，滞回曲线出现明显滑移，整体刚度有退化的趋势，滞回环轻微捏拢，桥墩呈现出良好的耗能能力。加载初期结构处于弹性阶段，骨架曲线基本为直线。当墩身开裂后，骨架曲线斜率逐渐降低。加载位移超过40 mm后，骨架曲线开始下降，桥墩水平承载能力降低。3.3横向联结系杆件应变由试验采集的应变可知，从桥墩顶部向下第二排横向联结系应变最大，斜腹杆应变远远大于弦杆应变，这是因为斜腹杆主要承受混凝土柱间的剪力，由于两柱之间的平动效应，弦杆受力较小。第二排横向联结系的斜腹杆应变曲线见图10。在加载过程中，观察到横向联结系各个杆件之间发生错动，连接螺栓松动，发出刺耳的金属摩擦声，加载初期斜腹杆应变随着加载位移的增加基本保持在250 10-6。这表明横向联结系之间的滑动，起到一定的耗能作用，对墩柱有一定的保护作用。斜腹杆最大应变达到了1 270 10-6，超过横向联结系角钢的屈服应变1 140.8 10-6。由于横向联结系杆件是为了分散地震能量而设计，所以在强震时允许其屈服损坏。3.4混凝土柱钢筋应变混凝土柱是新型铁路桥墩的主要构件，地震中应处于基本弹性状态，即受拉纵筋不能发生屈服。混凝土柱底钢筋应变曲线见图11。由图11可知，随着墩顶水平位移的增加，柱底纵向钢筋的应力逐渐增大，最大应变为1.78 10-3，小于屈服应变2.03 10-3。说明墩柱中的纵向钢筋并未屈服，达到地震中应处于基本弹性的抗震设防目标。3.5延性性能采用位移延性系数（）评价构件可更换格构式桥墩的变形能力14，计算式为=uy（1）式中：u为极限位移，取 0.85 倍峰值力对应的位移；y为屈服位移。根据式（1）计算得到位移延性系数，见表 1。可知，加载位移正向输入时位移延性系数为1.82，加载位移负向输入时位移延性系数为1.78，位移延性系数图8墩柱裂缝分布图9桥墩滞回曲线与骨架曲线图10斜腹杆应变曲线图11混凝土柱底钢筋应变曲线表1位移延性系数正向y/mm28.66u/mm52.161.82负向y/mm29.07u/mm51.841.7870第 7 期马健行等：构件可更换铁路桥墩抗震性能拟静力试验研究较低表明桥墩的延性有限，铁路桥墩抗震设计时应该兼顾桥墩刚度和延性。3.6刚度退化采用割线刚度评价刚度退化程度，计算式15为Ki=|Fi+|-Fi|i+|-i（2）式中：Ki为第i级荷载下的割线刚度；Fi为第i级荷载下的最大荷载；i为第 i 级荷载下的最大荷载对应的位移。割线刚度退化曲线见图12。可知，模型桥墩的割线刚度随加载水平力的增大呈单调递减的趋势。试验加载初期，刚度退化较快，参考试验现象判断是联结系杆件滑动与螺栓错动所致；当水平加载力继续增大，墩身混凝土开裂但纵筋未屈服，刚度降低速率减缓。4 有限元验证 基于OpenSees平台建立有限元分析模型进行拟静力试验的数值模拟，并与试验结果进行对比。钢筋与角钢均采用steel 01本构模型 图13（a），混凝土采用concrete 01材料本构模型 图13（b），混凝土柱及横向联结系杆件均采用纤维截面梁柱单元模拟。横向联结系各个杆件之间由于栓孔大于螺栓直径从而导致杆件之间发生滑动，而这种错动会耗散输入能量。螺栓用零长度单元模拟，采用 uniaxialMaterial ElasticPPGap缝连接单元来模拟螺栓滑动，缝连接单元本构模型见图13（c）。图中，E为弹性模量；fy为屈服强度；b 为硬化系数；cu为极限应变；c为峰值应变；fcu为极限强度；fc为峰值强度；为间隙值。三个本构模型参数取值分别见表2表4。将数值模拟得到的滞回曲线和骨架曲线与试验结果进行对比，见图14。可知，有限元分析结果与试验结果吻合较好。说明采用OpenSees软件中单元及材料本构建模，可以实现对新型桥墩的精细化数值模拟，后续可采用Opensees有限元分析方法对可更换构件进行优化设计。5 结论 1）提出了一种构件可更换的格构式桥墩体系，该体系主要由混凝土柱及柱之间的钢桁架联结系组成。混凝土柱为主要构件，地震中保持基本弹性，混凝土柱之间的联结系为可更换构件。试验验证了正常使用时可更换构件与混凝土柱可以较好地协同工作，能满足正常使用要求。2）模型桥墩滞回环轻微捏拢，加载初期骨架曲线平缓，试验中钢桁架联结系的斜腹杆发生屈服，混凝土出现裂缝，柱纵筋未屈服，钢筋混凝土柱基本处于弹性状态。3）可更换构件的应变分布存在较大差异，斜腹杆受力最不利，易屈服，可根据杆件的受力特点进行优化。图13本构模型图12割线刚度退化曲线表2steel 01本构参数种类钢筋角钢屈服强度/MPa400235弹性模量/MPa2 1052 105硬化系数0.0050.005表3concrete 01本构参数峰值强度/MPa39.2峰值应变0.003 510极限强度/MPa极限应变0.007表4缝连接单元本构参数屈服强度/MPa235弹性模量/MPa2 105间隙值/mm0.15图14数值模拟与试验结果对比71铁道建筑第 63 卷4）模型桥墩的整体位移延性系数约为1.82，这表明构件可更换格构式桥墩体系的延性是有限的，铁路桥墩抗震设计时应平衡刚度与延性。5）OpenSees数值模拟曲线与试验曲线吻合较好，提出的数值模拟方法可以较好地模拟构件可更换铁路桥墩的拟静力试验。参考文献1 PRIESTLEY M J N，SEIBLE F，CALVI G M.Seismic Design and Retrofit of Bridges M.New York：John Wiley and Sons，Inc.，1996.2 HAN Q，JIA Z，XU K，et al.Hysteretic Behavior Investigation of Self-centering Double-column Rocking Piers for Seismic Resilience J.Engineering Structures，2019，188：218-232.3 LEE W K，BILLINGTON S L.Performance-based Earthquake Engineering Assessment of a Self-centering，Post-tensioned Concrete Bridge SystemJ.Earthquake Engineering&Structural Dynamics，2011，40：887-902.4 MARRIOTT D，PAMPANIN S，PALERMO A.Quasi-static and Pseudo-dynamic Testing of Unbonded Post-tensioned Rocking Bridge Piers with External Replaceable DissipatersJ.Earthquake Engineering&Structural Dynamics，2009，38：331-354.5 夏修身，陈兴冲，艾宗良.新型铁路桥墩的抗震性能研究J.桥梁建设，2017，45（7）：12-17.6 夏修身，陈兴冲.铁路高墩桥梁基底摇摆隔震与墩顶减震对比研究 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Sen2，XIA Xiushen11.School of Civil Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou 730070，China；2.Henan Provincial Communications PlanningDesign Institute Co.Ltd.，Zhengzhou 450046，ChinaAbstract In order to quickly restore the functionality of damaged bridges affected by earthquakes，a replaceable lattice bridge pier system composed of concrete columns and steel truss connection systems was proposed.To study the seismic performance of replaceable bridge piers，a 1 12 scale model was designed and manufactured for pseudo-static testing，and finite element method was used to numerically simulate the testing process.The results indicate that the diagonal web member in the replaceable component yields，which is the main energy consuming component，and the chord and vertical members are not easily yielding.There are repairable small cracks in the concrete in the pier columns，and the reinforcement is in basic elastic state.The model bridge pier has good seismic performance.Key words railway bridge；replaceable component；model test；railway bridge pier；seismic performance；lattice bridge pierCitation format：MA Jianxing，HAN Sen，XIA Xiushen.Pseudo Static Test Study on Seismic Behavior of Railway Bridge Pier with Replaceable Component J.Railway Engineering，2023，63（7）：6872.（编辑：郑冰 校对：葛全红）72