分体式柔性矮桥墩抗震性能分析.pdf

桥|隧|工|程分体式柔性矮桥墩抗震性能分析孔凯歌（广西交通设计集团有限公司，广西南宁53 0 0 2 9)摘要：为了适应复杂地形，连续刚构桥不可避免地需要采用矮墩，但矮墩的刚度较大，对抗震不力。对此，文章采用OpenSees有限元软件分体柔性矮墩的滞回曲线、骨架曲线和刚度退化曲线。结果表明，分体墩弹性工作范围更大，更晚屈服和达到极限荷载；随着分体肢数的增大，分体墩的刚度和刚度退化速率均减小；分体墩可以有效提高桥墩的柔性，从而提高其抗震性能。关键词：桥梁工程；连续刚构桥；有限元；分体墩中图分类号：U442.5+5文献标识码：ADOl：10.13 2 8 2/j.c n k i.Wc c s t.2 0 2 3.0 8.0 3 7文章编号:16 7 3-48 7 4(2 0 2 3)0 8-0 114-0 30引言我国是一个桥梁大国，桥梁时常跨越复杂地形，应根据地形条件选择合适的桥梁及桥墩类型。其中，连续刚构桥由于墩梁固结，提高了桥梁的整体性，在地震作用下不易落梁以及减少了对支座的维护费用，得以大范围图1矮墩连续刚构桥模型图的推广应用 1。连续刚构桥一般采用柔性高墩，不过，当受到线路标高或地形地貌限制时，连续刚构桥不可避免地需要采用矮墩。对于矮墩来说，其柔性较差，会增强桥梁刚度，这对连续刚构桥的抗震产生了不利影响，桥梁极有可能产生横向剪切破坏，危及人民的生命财产安全。因此，墩身刚度更小、抗震性能更好的分体式柔性矮桥墩成为研究方向之一，即将墩身分为若干肢，从而降低矮墩的刚度，提升抗震性能。OpenSees有限元软件计算效率高，结果准确，建模的适用性强。因此，为了更好地研究分体式柔性矮桥墩的抗震性能，本文选择OpenSees有限元软件作为分析工具，对分体柔性墩的抗震性能进行分析，并与一般矮墩进行对比，研究成果可为分体式柔性矮墩的设计建设提供参考。1背景工程本文以某矮墩连续刚构桥为背景工程 2-3,连续刚构桥的MidasCivil实体单元模型如图1所示。桥墩截面尺寸为8.0 m3.0m，桥墩高度仅为6.5m。墩柱下设12m7.5m矩形承台，承台高1.8 m，采用桩基础。桥墩保护层厚度为50 mm，沿桥墩长边方向布置有6 层钢筋，每层布置9 4C28钢筋；短边方向布置有3 层钢筋，每层布置2 6 C28钢筋，主筋配筋率为3.3%。本文以满足桥梁受力性能要求为依据，将上述矮桥墩设计为分体柔性矮墩，分体墩肢数分别为2、4和9,编号分别为P21、P 2 2 和P33,同时将整体墩编号为P11,各桥墩的参数如表1所示，实体模型如图2 所示。作者简介：孔凯歌（19 8 9 一），硕士，工程师，主要从事桥梁勘察设计工作。表1分体柔性矮墩参数表墩肢横墩肢纵桥墩总肢横桥向顺桥向桥向边桥向边肢间墩单肢配编号数肢数肢数长（mm)长(mm)P111P212P224P339(a)P112OpenSees 简化模型的建立及加载2.1单元类型本文采用OpenSees 中的forceBeamColumn纤维单元模拟分体墩的墩肢，其模型示意图如图3 所示 4。force-BeamColumn纤维单元采用了分布塑性铰模型，该模型假设塑性铰出现在设定的积分截面处。相比于集中塑性铰模型，这更加符合桥墩的受力特点，在梁柱构件的模拟中得到了大量的应用。同时,forceBeamColumn纤维单元还采用了刚度法计算内力，相比于柔度法精度也更高。距(cm)高(m)筋率(%)118 0003000/6.53.3128 0001.475223.9751.475332 633.3966.7(b)P21(c)P22图2 分体墩模型图56.52.556.52.656.52.7(d)P33114西部交通科技WwemiemncainsCommunications Science&Technology分体式柔性矮桥墩抗震性能分析/孔凯歌本文将桥墩各肢分为5个单元，每个单元5个积分点。各墩肢的底部约束平动自由度和转动自由度，墩身不限制自由度。为了保证各肢顶部共同运动，采用equalDOF命令将各墩肢顶部自由度耦合。约束混凝土无约束混凝土Concrete02混凝土材料本构ForceBeamColumnjNode图3 forceBeamColumn纤维单元模型图2.2材料本构各墩肢截面采用纤维截面模型，截面划分为钢筋和混凝土纤维并分别赋予本构模型 5。由图3 可知，本文采用 Concrete02混凝土本构模型和Steel02钢筋本构模型分别混凝土和钢筋的应力一应变行为。Concrete02混凝土本构模型采用了修正Kent-Park模型,采用混凝土强度提高系数考虑考虑箍筋的约束作用,同时还可考虑混凝土的受拉行为。Steel02钢筋本构模型是基于Menegotto和Pinto提出的简化双折线钢筋应力一应变曲线，能够考虑钢筋的屈服以及强化特性。2.3模型加载本文采用位移控制的方式，在墩顶施加顺桥向的往复水平位移，加载等级为6.5mm、13 m m,2 6 m m、3 9 m m、52 mm、6 5 m m、9 7.5 m m、13 0 m m、16 2.5 m m、19 5 m m 和227.5mm每级循环两次，当墩身水平承载力下降到承载力峰值的8 5%或墩身不能继续加载时结束加载，加载制度如图4所示。200(uu)1000-100-2000246810121416182022加载次数（次）图4加载制度曲线图3分肢对矮墩抗震性能的影响3.1滞回曲线和骨架曲线图5给出了模型P11P33的滞回曲线有限元计算结果。由图5可知，P11P 3 3 滞回曲线均呈现出饱满的梭形，且均存在明显的下降段。200.000100:000-100.000iNode200.000-0.2FiberSection(a)模型 P11100:00050000(NY）聘Z-50.000Steel02-100.000钢筋材料本构-0.2(c)模型 P22图5滞回曲线有限元计算结果示意图为了更好地对比不同分肢数对桥墩抗震性能的影响，提取出模型P11P33滞回曲线的骨架曲线进行对比，如图6 所示。由图6 可知，将矮墩改为不同肢数的分体式柔性矮桥时,桥墩的骨架曲线存在明显的差异，提取各模型骨架曲线正向特征点数据列于表2。250200150+100(NY)500-50+-100-150-200-2501-0.2图6骨架曲线对比曲线图表2骨架曲线特征点表弹性极限屈服点模型开裂位 开裂荷 屈服位 屈服荷极限位极限荷移(mm)载(kN)移(mm)载(KN)移(mm)载(KN)P1114.9P2114.9P2217.2P3318.3由图5和表2 可知，模型P11和P21骨架曲线的弹性极限、屈服点和极值点的位移和荷载基本一致，但P21的承载力略有降低。表明当分肢数为2 时，对桥墩的受力性能几乎没有影响。由图6 和表2 还可知，模型P22和P33的骨架曲线与P11和P21存在明显的区别。如分体肢数为4和9 时，200.000100 000(NY）蒋期100.000D11-沿纵桥作用200000-0.10.0位移（m）D22-浩纵桥作用-0.10.0位移（m）-0.1位移（m）19616.419716.49818.24818.7D21-沿纵桥作用0.10.20.10.20.2(b)模型P2160 000400020000(AY)2000-40000-60.000-0.2(d)模型P33+D11-沿纵桥向作用+D21-沿纵桥向作用+D22-沿纵桥向作用+D33-沿纵桥向作用0.00.12022039949-0.1位移（m）D33-沿纵桥作用-0.10.0位移（m）0.2极值点30.124530.124232.311232.3550.00.10.10.20.22023年第8 期总第19 3 期115桥隧工程其开裂位移分别为17.2 mm和18.3 mm,分别较P11增大了15.4%和2 2.8%；屈服位移分别为18.2 mm和18.7mm,分别较P11增大了11.0%和14.0%；极限位移均为3 2.3 mm，较P11增大了7.3%。这表明，增加分体墩的分体肢数可以有效提高桥墩的弹性工作范围，延缓屈服，使其更晚达到极限荷载，较大地提高了柔性和抗震性能。不过，由图6 和表2 可知，模型P22和P33的开裂荷载、屈服荷载和极限荷载均较P11和P21有较大幅度的下降。这并非表明分体墩无法满足桥梁的承载力要求，而是表明在进行分体墩的整体设计时，应考虑其承载力下降的因素，只需合理设计即可满足承载要求，同时具有较好的抗震性能。3.2刚度退化曲线为进一步分析分体肢数对桥墩刚度的影响，图7 给出了模型P11P33的刚度退化曲线。17.515.07.55.0+2.50.00.00图7刚度退化曲线对比曲线图由图7 可知，模型P11和模型P21的刚度退化曲线基本一致，这进一步表明分体肢数为2 时，对桥墩的受力性能几乎没有影响。模型P22和P33的骨架曲线与P11和P21存在明显的区别。如模型P11P 3 3 的初始刚度分别为18.1 kN/m、18.1 k N/m、4.8 k N/m 和 2.4 kN/m,P22和P33的初始刚度分别较P11和P21减小了7 3.4%.+和8 6.7%。这表明分体墩可以有效减小矮墩的刚度，提高其柔性，从而提高抗震性能。由图7 还可知，随着分体肢数的增加，其刚度退化速率也明显降低，有利于提高抗震性能。4结语通过上述有限元分析，可以得到以下结论：(1)采用OpenSees能够较好地进行桥墩的滞回性能分析。(2)分体肢数为2 时，分体墩的滞回性能与整体墩基本一致。随着分体肢数的增大，其开裂位移、屈服位移和极限位移均增大，表明分体墩可以增大桥墩的弹性工作范围，延缓屈服，使其更晚达到极限荷载，较大地提高柔性和抗震性能。(3)分体肢数为2 时，分体墩的刚度和刚度退化速率与整体墩基本一致。随着分体肢数的增大，分体墩的刚度和刚度退化速率均减小。表明分体墩可以有效提高桥+D11-沿纵桥向作用+D21-沿纵桥向作用一D22-沿纵桥向作用+D33-沿纵桥向作用0.050.10位移（m）墩的柔性，从而提高其抗震性能。参考文献门王青桥，韦晓，王君杰.桥梁桩基震害特点及其破坏机理 J.震灾防御技术，2 0 0 9,4(2)：16 7-17 3.2陈福寿.矮墩连续刚构桥的实现 J.公路，2 0 0 4（6)84 86.0.150.203程志友，钱骥，陈鑫，等.高低墩连续刚构桥的动力特性与抗震分析 J.铁道建筑,2 0 18,58(7)：18-2 1.4武云鹏，韩博，郭峰，等.非线性纤维梁单元研究与应用 J.建筑结构，2 0 18,48(2 0)：6 0-6 4,54.5王军文，张伟光，艾庆华.PC与RC空心墩抗震性能试验对比 J.中国公路学报，2 0 15,2 8(4)：7 6-8 5.收稿日期：2 0 2 3-0 4-0 2+“+(上接第48 页）（4)保护自然资源：施工过程中无须向土体中掺入任何固化剂或外加剂，无弃土，真正做到了对环境的零污染。(5)提高了强夯法对饱和软黏土的适用性。快速信息化高真空击密法质量、经济和工期优势都比较明显，具有较好的社会经济效益，在类似工程中是适合广泛应用的。6结语试验段研究结果表明，经过“快速信息化高真空击密法”处理后可有效提高路基承载力，减少路基沉降过大造成的病害发生。今后还应进行更深入细致的研究，积极采用“四新”技术，提高工程项目科技含量，达到经济、适用、安全、环保的要求，为公路工程建设、技术优化进步贡献绵薄之力。参考文献江锋，袁盛杰，陈天幸.高真空击密法加固淤泥质土试验研究 J.公路与汽运，2 0 2 1(6)：8 0-8 2,8 7.2黄志豪，夏颖婕.高真空击密法加固粉质粘土场地试验研究 J.建筑工程技术与设计,2 0 18（16)：556 5,556 6.3焦晓辉，殷如峰，孔婧芳.高真空击密加固化施工技术及其质量控制 J.建筑工程技术与设计，2 0 18(3 4)：6 7 0.收稿日期：2 0 2 3-0 4-10116西部交通科技WwemiemncainsCommunications Science&Technology