考虑双向荷载效应RC箱型墩抗震性能评价方法

2020-09-16李嘉维贾孝可

山东理工大学学报（自然科学版） 2020年6期

李嘉维，贾孝可

(1.阳光学院土木工程学院, 福建福州 350015；2.福州大学土木工程学院, 福建福州 350108)

钢筋混凝土(RC)箱型桥墩具有截面面积小、自重轻、施工方便、刚度和强度较好的特点,其抗震性能的优劣将对震后交通运输的恢复和救灾工作的顺利展开产生重大影响。目前对于箱型桥墩抗震性能研究大部分都是基于单向加载[1-2],而大量的震害事例和观测结果都表明地震动具有多维性，结构的地震反应也体现出了多维效应[3]。桥墩在单向加载与双向荷载效应下的破坏特点有所差异[4]。邱法维等[5]对钢筋混凝土柱在双向荷载受力下的性能进行了研究。研究表明，柱子在双向耦合效应的影响下的滞回耗能与单向相比较有较大的不同；同时，不同的加载路径对试件的滞回耗能也存在较大影响。康洪震等[6]研究了轴压比、加载路径对柱子的相关抗震性能的影响。研究表明，加载路径和双向加载对柱子的变形能力影响显著，随着加载次数的增多，其变形能力降低越多。此外，在双轴耦合作用下，一个方向变化另一个方向也会随之变化，但对延性比的影响却不大。Solberg等[7]对基于延性的圆形实心桥墩进行双向拟静力研究。研究发现，按延性方法设计的桥墩在地震中具有良好的抗震性能，按传统方法设计的桥墩其损坏却是持续的。董振华等[8]研究了复杂地震荷载作用下空心桥墩的抗震性能，提出了“回”型水平双向加载制度，模拟结果表明双向荷载下不同加载方向上的滞回曲线均表现出塑性变形增加、承载力和变形能力降低、刚度衰减和捏缩效应。

延性作为钢筋混凝土桥墩一个重要的抗震指标，最初是在20世纪60年代被提出的。虽然我国自唐山大地震后对钢筋混凝土桥墩延性做了大量研究，但是在延性抗震研究与实际运用上与技术先进国家依旧差距明显[9-11]。在利用延性对结构进行设计时，必须首先确定的是延性的量化设计指标。常用的是位移延性系数和曲率延性系数[12]。为得到双向荷载作用下的屈服位移，需要对结构的屈服变形的计算方法进行对比，以期确定一种较为准确且方便得到位移延性系数的方法。

此外，钢筋混凝土箱型墩在地震作用下受弯矩、剪力和轴力的复杂作用，目前对双向荷载效应下的钢筋混凝土箱型墩抗震性能、延性性能以及极限承载能力的研究还不充分。许紫刚等[13]针对双向荷载作用下的钢筋混凝土空心截面性能进行研究与评价。结果表明:双轴耦合作用下降低了截面的极限承载能力，因此单轴压弯作用下的截面设计对于结构是偏于不安全的。赵彦等[14]研究了单双向压弯作用下矩形空心桥墩的抗震性能并进行了比较，发现单、双荷载作用下各试件的破坏形态都为整体弯曲破坏，但双向荷载作用下试件的变形能力、承载能力、延性严重削弱，认为仅考虑单向荷载作用下空心截面桥墩的抗震性能可能是不安全的。董振华等[15]对双向压弯作用下的钢筋混凝土矩形空心截面的承载力进行评估。为了对该截面形式的钢筋混凝土柱在双向荷载效应下的极限承载力进行检验、校核和验证，李艾蓉[16]对基于纤维模型的钢筋混凝土桥墩的极限承载力和延性进行了分析，结果表明纵向配筋率、轴压比、混凝土等级对结构极限承载力的影响是单调递增的。随着混凝土强度增加，截面延性降低；当纵筋配筋率不变时，截面的极限弯矩和延性不受其影响。夏樟华等[17]考虑了损伤效应，进行了双向荷载作用下箱型墩的双向恢复力模型研究。

为了对钢筋混凝土箱型墩的延性和承载能力进行分析，本文结合试验结果讨论了不同延性分析方法的可行性。采用XTRACT软件建立钢筋混凝土箱型墩截面计算模型，得到不同轴压比下箱型截面的Mx-My曲线，并与试验数据进行了比较。最后，通过改变恒定轴压值得到P-Mx-My三维相互作用屈服面，为该类桥墩的抗震评价提供参考。

1 位移延性分析方法

在结构利用延性概念进行抗震设计时，必须确定延性量化设计指标，分别为位移延性系数和曲率延性系数。在结构的抗震中，结构所具有的位移延性越高，相对应的设计地震力就越小且所需的强度也就越低。当前常用的延性量化设计指标位移延性系数的定义式由公式(1)表示为：

(1)

式中，Δμ、Δy为延性结构或构件的极限位移和屈服位移。

由公式(1)可知位移延性系数为结构或构件的极限位移与屈服位移之比，其中极限位移可由极限荷载(Pu=0.85PMAX)对应的位移值而确定。对于屈服位移值的确定，由于结构或构件材料的非线性或因为结构或构件的各部分进入弹塑性状态不同步，从而导致屈服点选取的困难。屈服位移和屈服荷载的确定方法也有很多，目前较为常用的方法有以下五种：1)定义法[18]；2)几何作图法[18]；3)等能量法[19]；4)Park[20]法；5)双直线能量等效面积法[21]。

2 RC箱型墩位移延性性能

根据工程背景，以60 m钢筋混凝土箱型墩为原型，设计为1∶14.3比例的缩尺模型，进行了双向拟静力试验研究。竖向加载设备采用稳压千斤顶(与顶部横梁采用平面滑动支座连接)，并通过半球铰实现墩顶转动，水平荷载采用MTS系统公司的电液伺服作动器施加。试验装置如图1(a)所示，桥墩试件的具体参数见表1，采用C50混凝土浇筑。试件的钢筋布置如图2所示。各材料力学性能见表2。为了满足MTS加载端部锚固板尺寸大小，将试件顶部加载端尺寸设计为720 mm×540 mm×700 mm(长×宽×高)的实心构件，底部制作的1 300 mm×800 mm×250 mm(长×宽×高)底座以固定试件，缩尺图如图1(b)所示。数据采集仪器采用TUMT试验控制软件和英国IMP数据采集设备，以及裂缝测宽仪测量各主要裂缝的宽度值，如图1(c)和(d)所示。拟静力试验采用X和Y双向同步加载，X方向与Y方向的位移幅值比为1∶1，每级加载循环2圈。整个加载过程为：初始阶段，第一级加载2 mm，以后每级以2 mm的幅值递增；钢筋屈服以后阶段，以3 mm为幅值递增加载，待水平承载力开始出现下降时，则以5 mm为幅值递增，直至试验结束。

表1 试件构件分组及试验参数

表2 材料力学性能参数

分别按几何作图法、等能量法、Park法和双直线能量等效面积法等四种方法计算出所定义的各钢筋混凝土箱型试件的等效屈服点与延性系数，具体计算值见表3。由表3可知，不同方法计算得出的试件延性指标在数值上存在差异，但总体趋势一致；当轴压比减少时试件的强、弱轴延性均有提高，墩高为2.8 m和3.8 m时强、弱轴提高较明显；长细比增大时，强、弱轴延性都有所降低，墩高为2.8 m和3.8 m时强、弱轴降低较明显。试验全过程损伤演化现象描述见表4，对多种方法的计算结果分析可知，双直线能量等效面积法得到的特征点与表4试验现象的各个特征点比较吻合。双直线能量等效面积法确定屈服位移和屈服荷载比较简单、有效，适用于RC箱型墩屈服位移的计算。

表3 试件承载力、位移及延性

表4 试验过程描述

3 RC箱型墩极限承载能力分析

对本试验中长细比为13.1的三个试件的试验结果进行验证，利用XTRACT软件进行截面分析，以检验试验数据与数值模拟结果，验证受力状态下的RC箱型墩截面的安全性。该有限元软件采用纤维截面模型将钢筋混凝土截面离散为一系列的纤维单元来进行分析，对保护层混凝土则采用无约束混凝模型,对核心混凝土采用约束混凝上模型，此外不考虑混凝土的抗拉强度。图3为箱型墩柱截面纤维模型，包括保护层混凝土、约束混凝土和纵向钢筋混凝土三种材料。试件的各方向极限弯矩试验值与模拟计算得到Mx-My屈服面的对比，如图4所示。可以看出，计算值均略小于实验值，说明计算总体趋于保守，用于承载能力评估是安全的。

图3 箱型墩柱截面纤维模型划分

(a)轴压比为0.05 (b)轴压比为0.10 (c)轴压比为0.20

钢筋混凝土箱型墩在轴压和双向荷载相互作用下，P-M相互作用曲线可以体现钢筋混凝土箱型墩的受力情况。图5为P-M三维相互作用屈服面云图，可用于进行截面的设计以及截面安全性校核。图5表示当P、Mx和My三个荷载组合均处于三维曲面内时，截面安全，相反截面不安全，此时需要重新对截面进行设计，直到符合条件。目前有两种方法可以绘制得到三维屈服面：一是通过改变X轴与中和轴之间的夹角θ，可以建立出多个P-M相互作用面，最终绘制出三维屈服面[10]；二是通过改变恒定轴压值建立出多个Mx-My相互作用曲线，最后将所有曲线进行组合形成三维屈服面。