塑性铰区ECC-CFST组合截面桥墩抗震性能数值分析.pdf

通过使用 有限元软件建立模型对桥梁工程中既有的钢筋混凝土()桥墩体系作出改善研究在塑性铰区使用 组合截面的抗震性能探究一个合理的管径尺寸使其能够达到良好的抗震性能 研究结果表明:以方形墩身截面边长的/为标准选取的钢管埋入至桥墩的塑性铰区改进后的 桥墩体系中各个材料组成部分能够达到较为良好的抗震效果钢管混凝土能够保持在弹性或者小变形范围内钢管外侧的 也能充分利用其材料性能实现良好的桥墩抗震韧性效果 关键词:工程水泥基复合材料()塑性铰区 组合截面桥墩抗震性能数值模拟中图分类号:.文献标识码:引言我国大部分地区位于地震高烈度区这对传统钢筋混凝土结构的超大型桥梁、隧道在此区域内的应用带来了严峻的挑战 为应对这一难题众多学者们研究并提出钢管混凝土组合柱这一新型结构形式使这一问题得到有效改善 钱稼茹等学者通过试验研究了组合柱的抗震性能 随着试验研究深入及工程实践发现钢管混凝土组合柱具有较高的承载力但是存在外围混凝土过早剥离破坏、组合柱构件后期强度降低的现象 为改进此问题部分学者在工程结构中使用 材料替代钢管组合柱外包混凝土具有更好的抗震性能 但由于 成本较高研究人员建议在最大弯矩出现的塑性铰区使用 代替混凝土降低材料成本能最大程度确保其抗震性能使其在实际工程中的应用具有经济可行性目前关于塑性铰区 组合截面 桥墩抗震性能的研究报道较少亟需开展相关研究工作以促进其工程应用 通过使用 软件对其在竖向和水平循环荷载作用下进行数值模拟在保证满足上部柱子承载力的前提下探究一个最佳的管径尺寸使内置钢管混凝土仍处于弹性范围内同时使桥墩柱脚处不会发生塑性铰转移 有限元模型建立与验证.模型概况及材料本构约束.模型建立为验证桥墩塑性铰区的抗震性能探究一个合理范围管径尺寸使其达到良好抗震性能拟建立墩高为 承 台 尺 寸 为 模型在距离基础顶部 处施加水平循环荷载和竖向荷载截面几何尺寸为 全柱采用 根直径为 钢筋对称加固箍筋直径为 箍筋间距在塑性铰区和非塑性铰区分别设置为 和 通过 有限元软件来模拟此新型 组合截面桥墩结构在低周往复荷载作用下的抗震性能桥墩尺寸及有限元模型如图 所示.材料本构对于桥墩上部非塑性铰区普通混凝土基于 等的理论使用 基于 提出的理论所使用的模型为 对于混凝土为抗拉强度为抗压强度、为压应变为混凝土极限压应变为混凝土弹性模量对于 材料代表开裂强度为开裂应变代表 峰值抗拉强度为对应的峰值拉应变为抗拉极限应变 普通混凝土及 本构曲线如 年 第 期 北方交通图 桥墩尺寸及有限元模型图图 所示材料参数如表 表 所示图 普通混凝土及 本构曲线表 混凝土材料力学性能参数抗拉强度/抗拉应变 抗压强度/峰值压应变 弹性模量/.表 材料力学性能参数开裂强度/峰值抗拉强度/开裂应变峰值拉应变抗压强度/峰值压应变弹性模量/.核心钢管采用钢材本构模型 来模拟和 代表钢材初始和硬化阶段的弹性模量、和、分别代表包络线上屈服点和卸载点处的应力、应变 为各渐近线与曲线拐点间的应变值为反映包兴格效应的参数为首次加载时 的初始值 钢筋则使用 其中为钢筋屈服强度为极限抗拉强度为钢筋初始阶段弹性模量 为钢筋强化阶段弹性模量为钢筋的屈服应变为钢筋峰值应变 钢筋及钢管本构模型曲线如图 所示材料参数如表 表 所示.保护层的约束作用对于普通混凝土截面来说箍筋能够防止核心图 钢筋及钢管本构模型曲线表 钢筋力学性能参数屈服强度/极限强度/弹性模量 硬化模量/钢筋.表 钢管力学性能参数屈服强度/极限强度/弹性模量/钢管混凝土横向膨胀从而提高核心混凝土的强度和延性 研究对象为方形截面对称布置当核心混凝土达到抗压极限荷载后在 和 方向作用于核心混凝土的箍筋所产生的侧向约束力可以通过力的平衡来推导:()()式中:为压杆的屈服强度为 或 方向的箍筋的总面积 为箍筋间距为核心混凝土的宽度 为了考虑箍筋和纵向钢筋的拱形应力作用根据 等人提出的方法计算了有效侧向围压计算公式见式()式():()()()()()()式中:为约束有效性系数为有效约束混凝土芯的面积为约束混凝土核心面积为箍筋的净间距为纵向钢筋的净间距 对于普通混凝土来说箍筋约束所产生的横向约束力 一旦确定就可计算核心混凝土的抗压强度 及其相应的应变:()北方交通 年 第 期 ()式中:、分别为无约束混凝土抗压强度和对应应变和 为侧向压力系数由 等人根据实验提出的经验方程得到 而在塑性铰区除了需考虑箍筋横向约束效果外由于 材料中随机乱向分布的纤维具有桥联作用不会像普通混凝土溃角、剥落内部纤维也呈现出与加密箍筋类似的被动约束作用 因此柱脚处 保护层作用于约束 在截面的 和 方向产生的侧向约束力可以通过力的平衡来推导公式见式()式():()()()()式中:为 提供的侧向压力为 的抗拉强度为在 或 方向高度为箍筋间距下的面积值 为 保护层厚度 另外目前还没有关于约束 的理论模型因此约束 的抗压强度及其对应应变仍可遵循上述公式的计算 但不同于普通混凝土的是 内部纤维的桥联作用使得它产生的约束效果是连续的进而可以忽略应力拱的效应如图 所示图 箍筋约束普通混凝土与约束 对比图考虑到随着荷载的增加导致 不断开裂需要引入折减系数为 对应的约束 抗压强度及其对应的应变计算公式见式()式():(.)().().钢管对混凝土的约束作用钢管对于内填混凝土的约束作用与前文中所叙述的约束普通混凝土、约束 相比效果明显增强在计算约束混凝土强度 及峰值点处对应的应变 时采用韩林海提出的通过约束系数来考虑钢管对核心混凝土应力应变模型来计算其本构模型通过 材料来模拟.模型验证在建立新体系模型前 先按照全柱长均为 截面组合柱与文献其中一个工况进行对比轴压比等参数以及水平循环和竖向荷载施加参照文献试验数据 通过对比曲线峰值水平荷载得到侧向承载力通过模拟和试验曲线中首次加载时的割线刚度计算得到初始刚度在模拟和试验滞回曲线中通过各级滞回环的面积计算得到耗能能力的对比 图 给出了 组合桥墩模拟结果与试验结果的对比可以看出桥墩有限元模型的侧向承载力、初始刚度和耗能能力与试验结果较为接近曲线吻合度较好其中三项评价指标的差异率分别为.、.和.对比结果详见表 综上所述可以认为文章建立的数值模型能准确的模拟钢管混凝土组合桥墩的受力性能后续的模拟计算可以此作为基础图 桥墩模拟结果与试验结果的对比 年 第 期 徐 旭:塑性铰区 组合截面桥墩抗震性能数值分析表 模拟与试验结果对比侧向承载力/初始刚度/(/)耗能能力/()试验值.模拟值.差异率.参数分析为了研究所提出的新型 桥墩体系的抗震性能现建立塑性铰区为 组合柱截面以塑性铰区材料参数依据试验数据为基础在非塑性铰区使用普通混凝土截面的 桥墩模型材料参数前文表、表 已给出考虑到墩柱大部分为普通钢筋混凝土承载力相对于纯组合柱较低因此轴压比定为.竖向荷载为 钢管直径参数变化分别以墩身截面边长的/来选择即直径为、图 为建立的新型 桥墩体系模型在不同管径下的骨架曲线与刚度退化曲线图 图 中位移比为水平荷载作用下的位移与计算加载高度的比值图 试件骨架曲线及刚度退化曲线通过分析骨架曲线发现桥墩的内部埋置钢管尺寸越大初始刚度也就越大这是由于 材料的弹性模量与钢材相比差异较大内置钢管尺寸越大墩体核心区钢管混凝土整体刚度也越大因此初图 试件能量耗散曲线始加载阶段达到峰值水平荷载后管径尺寸较大的结构强度退化较为明显使得钢管混凝土与外层 截面组合效果下不能够较好发挥其协同变形的能力而钢管直径为 的桥墩骨架曲线初始刚度相较于内埋钢管、的试件来说初始刚度较小外侧 材料与钢管以及内填混凝土三种材料协同作用效果较好刚度退化曲线中直径为 和 的钢管混凝土在位移比 范围内刚度退化趋势较陡峭在达到位移比在 之后三种尺寸的内埋试件的退化效果趋势一致图 中耗能能力在位移比小于.时耗能效果一致在位移比为.时随着钢管管径的增加构件整体的耗能能力增强 图 所示、的桥墩耗能效果与 的试件相比较低但随着荷载的不断增加直径越大的钢管混凝土在组合截面中所占比例越大周围的 的厚度也相应的减小因此后期随着材料强度的逐渐退化内置大尺寸的钢管耗能能力也在逐渐减弱综上所述在这三个试样中钢管直径取以桥墩边长的/尺寸的试件尽管有较好的耗能能力但是在前期由于钢管及钢管约束的混凝土整体刚度较大外包 材料在初始加载阶段中强度退化较快整体协同作用较差不能充分发挥其在地震荷载作用中作为耗能部件的功能造成 提前退化不能使核心混凝土处于弹性或小变形范围 结论为了改进 桥墩体系以墩身内部埋置三种不同管径尺寸为参数来分析塑性铰区使用组合截面的抗震性能对比其骨架曲线、刚度退化曲线、能量耗散曲线等各项抗震性能指标发现选取的钢管以方形墩身截面边长的/为标准埋入桥墩的北方交通 年 第 期塑性铰区改进后的 桥墩体系中各个材料组成部分能够达到一个较为良好的抗震效果钢管混凝土能够保持在弹性或者小变形范围内钢管外侧的 也能充分利用其材料性能使桥墩的抗震韧性性能得到发挥参考文献 钱稼茹康洪震.钢管高强混凝土组合柱抗震性能试验研究.建筑结构学报():.蔡景明.钢筋增强 钢管混凝土组合柱的力学性能研究.南京:东南大学.:.():.韩林海.钢管混凝土结构 理论与实践:第 版.北京:中国建筑工业出版社.().:/.()(上接第 页).:.年 第 期 徐 旭:塑性铰区 组合截面桥墩抗震性能数值分析