APP下载

预制拼装等边箱型墩抗震性能指标分析

2019-12-21林上顺林长庚夏樟华赵凌志欧智菁

关键词:墩底墩顶墩身

林上顺,林长庚,夏樟华,赵凌志,欧智菁

(1.福建工程学院土木工程学院,福建 福州 350118;2.福州大学土木工程学院,福建 福州 350108;3.深圳市机场(集团)有限公司,广东 深圳 518128)

0 引言

桥梁矮墩在地震荷载作用下的振型以低阶为主,其墩顶最大位移和墩底最大曲率常同时出现,因此常采用静力法进行分析.然而,我国的一些跨海大桥和城市高架桥中,高墩较为常见[1].宋晓东[2]发现高墩由于高阶振型的影响,墩底曲率与墩顶位移往往不是同时达到最大值.梁智垚[3]采用增量动力分析法(incremental dynamic analysis,IDA)分析高墩在地震荷载作用下,可能在桥墩中部和墩底同时达到屈服,最终破坏的部位可能位于桥墩中部也可能在墩底截面.黄佳梅[4]通过单条地震动IDA分析得到钢筋混凝土高墩在进入塑性阶段后,其强度指标变化不大,截面强度不适合作为衡量高墩结构损伤状态的指标.由此可见,高墩在地震荷载作用下的受力、变形与矮墩存在较大差异.

Bertero等[5]于1977年提出增量动力分析(IDA)基本概念,也可称为动力推覆分析方法(dynamic pushover,DPO),Vamvatsikos、Griffith等[6-7]对其进行了完善和发展.目前IDA法已经被国内一些研究者用于高墩的位移延性能力的计算分析等[8-9].本文采用IDA法来研究预应力预制拼装箱型高墩在地震作用下的表现形式,对桥墩控制截面的曲率、墩顶位移、预应力3个抗震性能指标在预应力预制拼装箱型高墩领域的适用性进行探讨.

1 有限元模型的分析参数

文献[10-11]开展了3个缩尺比为1∶12.5的箱型墩双向拟动力试验,并采用OpenSees建立纤维梁柱单元模型对试验过程进行模拟.结果表明:采用并联弹簧可较为准确地模拟预制拼装箱型墩接缝处的实际力学行为,基于柔度法的纤维梁柱单元模型可较准确地模拟试验的墩顶位移结果.本文在此基础上,采用IDA法进一步研究预应力预制拼装箱型高墩的抗震性能.桥墩模型共有4种:整体式RC1(墩高30 m)、预制拼装式PC1(墩高30 m)、整体式RC2(墩高90 m)、预制拼装式PC2(墩高90 m),其中预制拼装式桥墩的节段长度均为15 m.具体分析参数见表1.

表1 基本参数Tab.1 Basic parameters

墩柱的纤维截面划分为:非约束混凝土(保护层混凝土)纤维、核心混凝土纤维和钢筋纤维3种(详见图1),然后赋予各纤维相应的材料属性,其有限元建模方法与文献[10]相同.桥墩混凝土采用C40,纵筋采用HRB335.预制拼装桥墩采用干接缝无粘结后张预应力形式,预应力筋布置形式如图2所示,其中墩高为30 m的桥墩采用高强度低松驰7丝捻制的预应力钢绞线,其公称直径为15.2 mm,抗拉标准强度值为1 860 MPa,总公称横截面积2 520 mm2;墩高为30 m的桥墩的预应力钢绞线总公称横截面积4 480 mm2,单根预应力钢绞线的有效预应力为130 kN.

图2 预应力筋布置图Fig.2 Layout of prestressing tendons

2 计算结果分析

地震波采用El-centro(1940)的南北(NS)分量的前30 s,其震级为7.0,地面峰值加速度aPG为0.313g,特征周期为0.46 s,并采用等间距调整aPG幅度,调整为0.1g~2.0g,增量步距为0.1g,故每条地震波可以扩展为一组包含20条衍生波的输入地震波激励,分析过程逐条输入地震波进行计算,直至地震波输入完毕或模型不收敛结束.

2.1 IDA曲线分析

1)墩底曲率IDA曲线.图3给出各模型的墩底曲率IDA曲线图,由图3可知:RC2的曲率变化大致可分为匀速变化、稳定变化、快速变化阶段,大致呈三段式增长,当aPG达到1.1g时,曲线出现不规整折线,虽然还能继续计算得出结果,但其实构件已经破坏,后面的曲线无意义;而PC2的曲率随aPG的增大墩底峰值曲率变化大致可分为匀速变化、快速变化阶段,大致呈两段段式增长,同样,当aPG达到1.1g时,可认为构件已经破坏,但预应力筋在构件破坏时远没有达到屈服应力.通过对比RC2和PC2的曲率可知:两者同在aPG为1.1g达到破坏,说明预应力预制拼装形式混凝土箱型墩具有与普通箱型高墩相当的抗震性能,在高墩领域具有很好的适用性.

2)墩顶位移IDA曲线.各模型的墩顶位移IDA曲线见图4,由图4可看出:RC2位移IDA曲线和PC2位移IDA曲线在aPG﹤0.9g时,墩顶峰值位移相差不大;当aPG﹥0.9g时RC2墩顶峰值位移迅速增大,增长速度远大于PC2.原因是PC2模型由于有预应力筋的预加应力作用,此时预应力筋还处于弹性阶段,只要接缝处的混凝土没有完全破坏,预应力能够提供较好的自复位能力,墩顶峰值位移不会迅速增长.

图3 墩底曲率(IDA曲线)Fig.3 Pier bottom curvature(IDA curve)

图4 墩顶位移IDA曲线Fig.4 IDA curve of pier top displacement

对比图3和图4可以看出:对于中低墩RC1模型和PC1模型来说,墩顶位移IDA曲线和曲率IDA曲线相比,变化趋势相近,具有很好的拟合度.墩顶位移IDA曲线和曲率IDA曲线在后期都出现相应的快速增长阶段,通过两者其一都可以明显地判定构件出现损伤的时刻.对于高墩墩RC2模型和PC2模型来说,RC2模型的墩顶位移IDA曲线和曲率IDA曲线相比,具有很好的拟合度,而PC2模型的墩顶位移IDA曲线和曲率IDA曲线相比,虽然也有明显的转折点,但不够明显.因此墩顶位移和曲率能否作为预应力预制拼装箱型高墩的抗震性能指标还需要进一步验证.

图5 预应力IDA曲线Fig.5 IDA curve of prestress

3)预应力IDA曲线.PC1和PC2的预应力IDA曲线见图5,由图5可看出,PC1模型预应力随aPG变化与其墩顶位移IDA曲线和曲率IDA曲线相比具有相近的变化趋势,说明对于中低墩来说,通过预应力筋IDA曲线也可以明显判定构件出现损伤的时刻;PC2模型预应力随aPG变化呈线形增长,表明预应力筋在构件发生破坏时仍处于弹性阶段.

2.2 构件屈服状态和极限状态定义

对于预应力预制拼装箱型高墩来说,由于钢筋、混凝土、预应力筋材料的非线性影响因素较多,不同的材料不一定同时进入屈服状态,因而对于构件的屈服状态定义比较困难.对于预制拼装高墩来说,考虑到高阶振型参与的影响,IDA分析时预应力预制拼装高墩墩顶位移和墩底曲率有可能不会同时达到最大值,并且墩身中部可能先于墩底截面破坏.这里根据墩底曲率IDA曲线来确定墩底截面达到屈服曲率和极限曲率时的地面峰值加速度aPG,规定图6(a)中的A点和B点所对应的曲率分别为“屈服曲率”和“极限曲率”,相应aPG所对应的峰值位移点为“屈服位移”和“极限位移”,如图6(b).

图6 PC2在El-centro波输入下的屈服状态和极限状态Fig.6 Yield and limit states of PC2 at El-centro wave input

2.3 墩身结构反应分析

图7 PC2桥墩截面曲率沿墩身分布曲线Fig.7 Curvature distribution curve of PC2 pier section along pier body

1)PC2桥墩截面曲率沿墩身分布曲线.PC2墩底截面达到屈服曲率(aPG=0.9g、t=3.32 s)和极限曲率(aPG=1.1g、t=2.4 s)时截面曲率沿墩身分布曲线见图7.从图7可看出:对于预应力预制拼装箱型高墩来说,当墩底曲率达到屈服曲率时,墩身中部存在与墩底曲率同一量级大小的负曲率.当墩底曲率达到极限曲率时,墩身中部仍存在同样现象,但此时墩底截面曲率增加迅速,远大于墩身截面曲率,说明墩底曲率可以很好的反映构件的损伤状态.

2)PC2桥墩各节点位移沿墩身分布曲线.PC2墩底截面达到屈服曲率和极限曲率时墩身各节点位移沿墩身分布曲线见图8.由图8可知:墩顶位移达到屈服位移和极限位移的时间与墩底截面曲率达到屈服曲率或极限曲率的时间不同步;当墩底截面曲率达到屈服曲率时,甚至会出现墩身中部位移大于墩顶位移的现象,说明墩顶位移大小并不能表征构件的破坏程度.

图8 墩身各节点位移沿墩身分布曲线Fig.8 Distribution curve of displacement of each node along pier body

3)PC2桥墩屈服时墩底截面曲率和墩顶位移时程曲线.PC2桥墩达到屈服时,墩底曲率时程曲线见图9(a),墩顶位移时程曲线见图9(b).由图9可知:墩顶在t=18.82 s处达到屈服位移,而墩底在t=3.32 s达到屈服曲率;墩顶位移时程曲线相对墩底截面曲率时程曲线波动频率更小,最大值的出现时间相对滞后,墩顶位移大时损伤不一定严重,损伤严重时墩顶位移不一定大,两者同步性较差,再次证明墩顶位移作为其损伤程度性能指标的不合理性.

图9 屈服时墩底截面曲率和墩顶位移时程曲线Fig.9 Curvature of pier bottom section and time-history curve of pier top displacement at yield

4)PC2桥墩节点位移时程分析.通过对PC2墩顶位移达到屈服位移(aPG=0.9g)和极限位移(aPG=1.1g)时,墩身各节点位移时程进行分析发现:当墩顶达到屈服位移时,墩身节点位移和墩顶位移在某些时刻会呈现出反向变化;当墩顶位移达到极限位移时,墩身处节点位移和墩顶位移在某些时刻会呈现出反向变化,当t=3.74 s时甚至会出现墩身中部位移大于墩顶位移的情况.说明对于预应力预制拼装箱型高墩来说,高阶振型对于构件的影响较大,墩顶位移的大小并不能准确表征构件的损伤状态,墩顶位移不适合作为预应力预制拼装箱型高墩的抗震性能指标,与梁智垚[3]的分析结果基本一致.

3 预应力预制拼装箱型高墩性能指标探讨

用IDA分析方法对桥墩墩底曲率、墩顶位移、预应力3个性能指标在预应力预制拼装箱型高墩领域的适用性方面进行探讨.对中低墩来说,由于其墩顶位移IDA曲线和曲率IDA曲线相比,变化趋势相近,具有很好的拟合度,通过两者其一都可明显地判定构件出现损伤的时刻.但对于预应力预制拼装箱型高墩来说,由于高阶振型影响,墩顶位移反应和墩底截面曲率反应同步性较差,墩顶位移不能及时反映出构件的损伤程度;当墩顶位移达到屈服曲率时,甚至会出现墩身中部位移大于墩顶位移的现象,墩顶位移的大小并不能准确表征构件的损伤状态,墩顶位移不适合作为预应力预制拼装箱型高墩的抗震性能指标.

对本文设计的预应力预制拼装箱型高墩模型来说,预应力筋在构件发生破坏时仍处于弹性阶段,因而不适合单独作为构件的损伤性能指标.但此研究结果仅基于特定设计模型,对于其它设计情况来说存在预应力筋同时破坏的可能性.因此,在预应力预制拼装箱型高墩中,选用墩底截面曲率并结合预应力指标作为构件性能指标,能较好地表征构件的损伤状态.

4 结语

1)预制拼装等边箱型高墩的墩顶位移达到屈服曲率时,会出现墩身中部位移大于墩顶位移的现象,墩顶位移的大小并不能准确表征构件的损伤状态,因此墩顶位移不适合作为预应力预制拼装等边箱型高墩的抗震性能指标;预制拼装等边箱型高墩的预应力筋在构件发生破坏时仍处于弹性阶段,不适合单独作为构件的损伤性能指标.

2)预制拼装等边箱型高墩的墩底截面曲率能够及时反映构件的损伤状态.当墩底曲率达到极限曲率时,墩底截面曲率增加幅度较大,远大于墩身截面曲率,墩底曲率可以很好地反映构件的损伤状态.因此选用墩底截面曲率结合预应力指标,作为性能指标能较好地表征构件的损伤状态.

本文的研究工作是初步的,目前正进一步开展试验研究并拓展参数分析范围,为预制拼装钢筋混凝土箱型高墩在实际工程中的应用打下坚实的基础.

猜你喜欢

墩底墩顶墩身
V形墩连续刚构桥设计参数研究
铁路桥梁墩身混凝土开裂原因研究
高效保湿养护膜在桥梁墩身混凝土养护中的应用
装配式预制小箱梁下部结构墩柱计算
铁路连续梁桥墩底转体施工技术研究
连续梁桥墩底自复位减隔震机理及参数优化分析
论V型刚构墩身的施工要点
高烈度抗震设防区域高速铁路桥墩密布钢筋施工控制技术
重载运输条件下桥墩横向振幅的影响因素分析
墩底对顶施工V型刚构桥的支座和承台设置