新型高墩地震损伤演化规律研究

黄耀斌，夏修身，史 军

(兰州交通大学,甘肃 兰州 730070)

0 引言

桥梁是现代交通线中重要的基础设施，在交通线路中建设高墩大跨度桥梁不可避免。特别是在跨越河流、山谷等复杂地质情况下，桥梁高度通常会较高。已经建成的高墩桥梁中，有诸多超过100 m的典型高墩桥梁[1-4]。

对于高墩桥梁，由于墩身高度较高、柔度大等特点，其抗震性能受高阶振型影响显著，目前采用的抗震设计方法，主要针对以一阶振型为主的中、矮墩[5]。根据《公路桥梁抗震设计细则》(2008)和《城市桥梁抗震设计规范》(2011)，规范中的设计分析方法对于高于40 m的高墩桥梁不适用， 直接采用有一定的盲目性和不准确性[6]，高墩需要进行单独的抗震研究[7]。

李保宽[8]研究高阶振型对高柔结构地震反应的影响时表明，高阶振型在高柔结构地震反应中参与贡献与地震动的频谱特性有很大关系。卢皓[9-10]等研究指出第二阶振型对于高墩桥梁墩身出现塑性铰的贡献显著，研究表明高阶振型能显著影响高墩地震响应。加之我国是一个地震频发的国家，很多地区处在高烈度强震区，强震的发生对人类生活产生巨大的危害[11]。所以对高墩在地震作用下的损伤的研究势在必行，对于保证高墩在强震作用下的结构性能具有重要意义。

1 有限元模型建立

1.1 工程背景

本文以黄陵-韩城-侯马铁路线中纵目沟特大桥为工程背景。本桥跨越纵目沟主沟，主桥结构形式的选择与桥跨布置受线路方案、地质等因素条件的控制，跨径布置为(78+2×136+78)m的连续刚构方案，主墩的设计考虑到最大限度减小不平衡弯矩等诸多因素[12]。主墩5#墩墩高105 m，次主墩4#、6#墩墩高均为48 m， 3#墩墩高22.5 m，7#墩墩高53.5 m，全桥立面布置图如图1所示。

图1 纵目沟特大桥主桥布置(单位:cm)

1.2 新型高墩结构形式与构造

新型高墩以纵目沟特大桥5#主墩为原型，原有5#主墩为新型柱板式空心墩[13]，墩顶截面尺寸为3 m×3 m，外轮廓尺寸为10 m×10 m，墩底截面尺寸为5.5 m×5.5 m，外轮廓尺寸为19 m×28m，墩柱截面从墩顶至墩底在横桥向和顺桥向均按1.6次抛物线变化，新型高墩在原有柱板式桥墩的基础上进行了优化设计。新型高墩结构由主要构件4根墩柱和次要构件墩柱与墩柱之间的纵、横向联结系组成。墩柱位于截面的四角，是新型高墩的主体结构，为钢筋混凝土结构。钢桁架连梁为次要构件，沿墩身布置7排，直线段每排钢桁架间距为10 m，曲线段每排钢桁架连梁间距为7.5 m[14]。新型高墩立面图见图2。钢连梁弦杆和腹杆分别采用Q345和Q235的钢材，钢桁架连梁杆件截面如图3所示，墩柱配筋率按墩底截面的1%配筋。

图2 新型高墩立面图

(a) 弦杆截面图

1.3 有限元分析模型

采用OpenSees建立全桥有限元模型，并通过与MIDAS/CIVIL模型自振特性对比验证了建模的正确性。全桥的模型的建立有如下几部分，上部结构和次主墩，边墩均采用弹性梁柱单元模拟，5#墩墩柱采用基于位移的弹塑性纤维梁柱单元模拟，钢桁架连梁分别采用弹性梁柱单元和基于位移的弹塑性纤维梁柱单元模拟，墩底固结。OpenSees模型中选用Concrete01模型来模拟混凝土，Steel01模型来模拟钢材。Concrete01和Steel01本构分别如图4、图5所示。

图4 Steel01钢材本构模型

图5 Concretel01混凝土本构模型

图4中：$Fy为材料的屈服强度，取值为4.0E+5 kPa；$E0为材料初始弹性模量, 2.0E+8 kPa；$b为应变硬化比率(屈服后弹性模量与初始弹性模量之比)，取值为0.000 01。

图5中：$fpc为混凝土的峰值应力，取值为 -32.4E+3 kPa；$epsc0为混凝土的峰值应变, 取值为-0.002 15 ；$fpcu为混凝土的极限应力, 取值为-10E+3 kPa；$epsU为混凝土的极限应变, 取值为-0.003 5。

本文研究采用材料层次的最外层纵向钢筋的应变作为损伤指标来判断墩柱截面是否进入屈服损伤状态。

2 地震动输入

本文选取El Centro波和Taft波和Northridge波作为地为地震动输入(如图6、图7、图8所示)进行新型高墩横桥向的地震反应分析。

图6 El Centro地震动加速度时程曲线(wave1)

图7 Taft地震动加速度时程曲线(wave2)

图8 Northridge地震动加速度时程曲线(wave3)

3 墩身损伤的形成与扩展

由于高墩中高阶振型的参与，较中、低墩塑性区出现位置不同，高墩在墩中也会形成塑性区。本模型考虑高阶振型的影响，分析了高墩在不同加速度峰值作用下的塑性区形成的位置、顺序与扩展规律，由于结构对称，选取了其中一根墩柱做计算分析。

图9～图11分别给出了El Centro地震波、Taft波和Northridge波加速度峰值从小逐渐增大的激励下，钢连梁采用弹性梁柱单元模拟时的5#墩墩身塑性区形成和扩展规律。

图9 El Centro波作用下5#墩墩身塑性区形成和扩展规律(弹性钢连梁)

图10 Taft波作用5#墩墩身塑性区形成和扩展规律(弹性钢连梁)

图11 Northridge波作用5#墩墩身塑性区形成和扩展规律(弹性钢连梁)

由图9～图11可以看出，在地震动作用下，当峰值加速度从小逐渐增大的过程中，新型高墩均是在墩底先出现塑性区，后墩中出现塑性区，进入塑性阶段；当加速度峰值再增大时，墩身出现多处塑性区，墩底塑性区向墩身中部延伸，塑性区变长，原有墩中塑性区分别向墩顶和墩底延伸；当加速度峰值再大时，墩中出现更多的塑性区，且原有塑性区进一步扩展延伸，墩中塑性区向墩底扩展速度较向墩顶扩展快，墩底塑性区向墩顶扩展较慢；当加速度峰值调整到更大时，从墩底到墩身中部均进入塑性区，除墩顶少数单元没有出现塑性外，其余单元均出现塑性，再继续调整加速度峰值至更大变化不明显。

4 钢连梁屈服对墩身损伤的影响

在桥墩结构中次要构件钢连梁不仅作为联结系，增强结构的整体性，在地震发生时，还作为结构的第一道防线先发生破坏耗能，保护主要构件墩柱，对结构不至于发生整体倒塌具有重要的作用。为了探究钢连梁屈服对墩身损伤的影响，将钢连梁中的腹杆采用弹塑性纤维梁柱单元模拟，探究钢连梁屈服对墩身损伤的影响。

图12～图14分别给出了El Centro地震波、Taft波和Northridge波加速度峰值从小逐渐增大的激励下，5#墩墩身塑性区形成和扩展规律，并查看了当墩柱开始屈服时的钢连梁的屈服情况。

图12 El Centro波作用下5#墩墩身塑性区形成和扩展规律 (弹塑性钢连梁)

图13 Taft波作用5#墩墩身塑性区形成和扩展规律(弹塑性钢连梁)

图14 Northridge波作用下5#墩墩身塑性区形成和扩展规律(弹塑性钢连梁)

在El Centro波、Taft波和Northridge波作用时，查看当墩柱开始屈服时的钢连梁的屈服情况，钢连梁屈服以腹杆轴力时程曲线出现平台段为依据，当3条波作用下墩柱开始出现损伤屈服时提取了所有腹杆轴力时程曲线，结果表明3条波作用下分别有6排桁架杆件、6排桁架杆件和3排桁架杆件发生屈服，表明当结构开始出现损伤时有多排杆件屈服耗能。

此外结合图12～图14可以看出， 当钢连梁为弹塑性时，钢连梁屈服会影响墩身损伤的形成与扩展，可以看出采用弹塑性钢连梁时，塑性区出现的次序和位置基本无变化，但弹塑性连梁屈服可抑制墩柱塑性区的出现和扩展，尤其是对墩底塑性区的扩展抑制效果相对明显，可减小高墩在地震作用下的反应。

5 结论

a.新型高墩先在墩柱底出现塑性铰区，随着地震动强度增大，墩中也出现塑性铰区，墩中塑性区的长度分别向墩顶和墩底扩展，墩底塑性区向墩中扩展，当地震动强度增大到一定程度时，整个墩柱除了墩身上部一些单元之外其余都可能进入塑性区。

b.弹塑性钢连梁和弹性钢连梁相比，墩身塑性区出现次序和位置基本无变化，但其出现的地震动峰值加速度大于后者、钢连梁屈服可以显著抑制塑性区的出现和塑性区的扩展，且对墩底塑性区的扩展的抑制效果更明显。