基于OpenSees鋼筋混凝土空心橋墩的抗震性能分析

張紀兵 張偉光 王軍文

(1.濟南鐵路局聊城工務段,山東 聊城 252000； 2.石家莊鐵道大學土木工程學院,河北 石家莊 050043)

基于OpenSees鋼筋混凝土空心橋墩的抗震性能分析

張紀兵1張偉光1王軍文2

(1.濟南鐵路局聊城工務段,山東 聊城 252000； 2.石家莊鐵道大學土木工程學院,河北 石家莊 050043)

運用OpenSees軟件，利用纖維模型方法建立了鋼筋混凝土空心橋墩有限元模型，并進行了擬靜力加載過程分析，研究恒載軸壓比和縱筋配筋率對混凝土空心橋墩抗震性能的影響，結果表明：基于OpenSees有限元軟件建立的纖維單元有限元模型，模擬結果和試驗結果吻合度較高，說明建立的模型能正確反映橋墩的抗震性能；提高恒載軸壓比和增大縱筋配筋率，鋼筋混凝土空心橋墩的抗震性能均得到顯著改善，但隨著恒載軸壓、縱筋配筋率的增大，殘余位移也相應增大。

鋼筋混凝土橋墩，空心截面，抗震性能，纖維單元模型

0 引言

橋墩作為將橋梁上部結構傳來的各種荷載可靠地傳遞給基礎的構件，其抗震設計的優劣關系到整個橋梁結構的抗震性能，其滯回耗能性能在一定程度上決定了整個橋梁的抗震性能。因此，準確預測地震荷載作用下橋墩的受力性能，對評估震后橋梁結構的安全性和震害損失具有重要意義，如何較為可靠地模擬鋼筋混凝土橋墩在循環荷載作用下的非線性滯回反應是橋梁結構抗震研究的重要內容。

OpenSees中的單元模型主要基于纖維單元模型[1]，纖維單元模型因其簡潔性和有效性而被廣泛地運用于橋墩的非線性滯回分析。Sakai[2]基于OpenSees中纖維單元模型對圓柱形預應力橋墩進行了擬靜力分析和動力分析，驗證了圓柱形橋墩的延性性能、耗能性能和自復位能力，并對不同參數狀況下橋墩的滯回性能等進行了對比和分析。國內的劉豐[3]、葛繼平[4]、布占宇[5-8]、趙寧[9]、張偉光[10]等采用OpenSees中纖維單元模型對預制拼裝式節段橋墩進行了抗震性能分析，研究表明預制拼裝式節段橋墩可有效減小殘余位移，但也極大降低了其耗能能力。本文基于OpenSees有限元軟件，對混凝土空心橋墩的擬靜力試驗進行數值模擬，并將數值模擬結果與試驗結果相對比，最后用修正后的有限元模型對空心橋墩試件進行相應的設計參數分析。

1 有限元模型的建立與驗證

1.1 有限元模型的建立

本文中混凝土采用混凝土纖維單元模擬，縱筋采用鋼筋纖維單元模擬，其中，混凝土本構關系采用Scott，Park等[11]修正了的Kent-Park模型，縱向鋼筋采用考慮鋼筋等向應變硬化影響的Giuffre-MenegottoPinto[12]模型。為更好的模擬鋼筋混凝土空心橋墩在循環荷載作用下的抗震性能，采用在dispBeamColumn單元端部附加zeroLengthSection單元的方法來模擬鋼筋混凝土空心橋墩墩底縱筋滑移的影響，zeroLengthSection單元采用由Zhao Jian等[13]提出的Bond_SP01材料模型，考慮墩底縱筋滑移的模型如圖1所示。用墩頂的集中質量代表上部結構質量。

1.2 有限元模型的驗證

為了驗證有限元模擬分析方法的正確性和精確性，對鋼筋混凝土空心橋墩進行模擬分析。首先對文獻[13]中的整體式鋼筋混凝土空心橋墩進行了模擬，模擬計算結果和試驗結果中的滯回曲線和殘余位移曲線的對比如圖2所示。通過有限元模擬計算結果與試驗結果的比較表明，纖維單元模型能較好的模擬鋼筋混凝土空心橋墩的擬靜力行為，可用于設計參數分析。

2 參數分析

由模擬結果與試驗結果對比可看出，所建立的纖維單元有限元模型對空心橋墩的滯回曲線、殘余位移有較好的模擬效果。纖維單元有限元模型可以定量模擬鋼筋混凝土空心橋墩在循環荷載作用下的擬靜力反應。因此本節對鋼筋混凝土空心橋墩進行設計參數分析。

2.1 恒載軸壓比的影響

改變鋼筋混凝土空心橋墩的恒載軸壓比為10%，15%，20%，其他參數完全相同，恒載軸壓比的改變對滯回曲線、骨架曲線、殘余位移、累積滯回耗能等的影響分別如圖3a)～圖3f)所示。

從圖3可以看出，鋼筋混凝土空心橋墩隨著恒載軸壓比的增大，滯回曲線變得更加飽滿，屈服強度、殘余位移、累積滯回耗能能力增大，等效剛度和卸載剛度前期變大，后期相近，峰值抗力相近。

2.2 縱筋配筋率的影響

通過改變縱筋的直徑來改變縱筋的配筋率，其他參數不變。圖4a)～圖4f)分別給出縱筋配筋率為2.02%,2.75%,3.59%時，鋼筋混凝土空心橋墩的滯回曲線、骨架曲線、殘余位移、累積滯回耗能等的對比圖。

從圖4可以看出，鋼筋混凝土空心橋墩隨著縱筋配筋率的增大，滯回曲線變得更加飽滿，累積滯回耗能能力顯著提高，屈服強度、峰值抗力均顯著提高，殘余位移基本一致，稍有增大的趨勢，等效剛度和卸載剛度均增大。

3 結語

1)通過對已有試驗結果的計算分析，驗證了采用基于纖維單元有限元模型的有限元分析法可較為準確的模擬鋼筋混凝土空心橋墩的受力行為。因此，通過數值模擬可對鋼筋混凝土空心橋墩進行設計參數研究。

2)考慮粘結—滑移效應影響的鋼筋混凝土空心橋墩模型，可較好地模擬在反復荷載作用下鋼筋混凝土空心橋墩的抗震性能。

3)本文在模擬過程中，混凝土本構模型采用Kent-Scott-Park本構模型，鋼筋材料模型采用Giuffre-MenegottoPinto模型，證明簡單可行，可對鋼筋混凝土空心橋墩的抗震性能進行較好的模擬。

4)通過設計參數分析可得，提高恒載軸壓比和增大縱筋配筋率，鋼筋混凝土空心橋墩的抗震性能得到顯著改善，但提高恒載軸壓比同時也增大了鋼筋混凝土空心橋墩的殘余位移。

[1] Mazzoni S, Mckenna F, Scott M H, et al. OpenSees Command Language Manual[D].California:University of California,2006.

[2] Junichi Sakai, Stephen A Mahin. Analytical investigations of new methods for reducing residual displacements of reinforced concrete bridge columns[D].California:Pacific Earthquake Engineering Research Center,2004.

[3] 劉 豐.節段拼裝預應力混凝土橋墩擬靜力試驗和分析研究[D].上海:同濟大學土木工程學院,2008.

[4] 葛繼平.節段拼裝橋墩抗震性能試驗研究與理論分析[D].上海:同濟大學土木工程學院,2008.

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[7] 布占宇,丁 勇,李玉順,等.跨海大橋節段拼裝橋墩的抗震設計[J].港工技術,2012,49(2):35- 40.

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[9] 趙 寧.預制節段拼裝空心混凝土橋墩擬靜力試驗和分析研究[D].上海:同濟大學土木工程學院,2009.

[10] 張偉光.后張預應力預制拼裝式空心橋墩抗震性能研究[D].石家莊:石家莊鐵道大學土木工程學院,2014.

[11] Scott B D, Park R, Priestley M J N. Stress-strain behavior of concrete confined by overlapping hoops at low and high strain rates[J].ACI Journal Proceedings，1982,79(1)：98.

[12] Taucer, F., Spacone, E., Filippou, F..A fiber beam-column element for seismic response analysis of reinforced concrete structures[R].California:Earthquake Engineering Research Center,University of California,Berkeley，1991.

[13] Zhao, Sritharan S. Modeling of strain penetration effects in fiber-based analysis of reinforced concrete structures[J].ACI Structural Journal,2007,104(2):133-141.

Analysis of seismic behavior of reinforced concrete hollow column bridge using OpenSees

Zhang Jibing1Zhang Weiguang1Wang Junwen2

(1.LiaochengRailwaySectionofJinanRailwayBureau,Liaocheng252000,China;2.SchoolofCivilEngineering,ShijiazhuangTiedaoUniversity,Shijiazhuang050043,China)

The model of reinforced concrete bridge column with hollow section is set up utilizing fiber beam column element with the OpenSees, to analyze the pseudo static behavior and investigate the effect of axial dead load ratio and longitudinal reinforcement ratio on seismic performance of reinforced concrete hollow column bridge. The results show that: using the OpenSees, a detailed two dimensional fiber element model is developed. The finite element model was validated by good agreement between the simulated and experimental results. Raise the axial dead load ratio and increase the longitudinal reinforcement ratio, the seismic performance of reinforced concrete hollow pier have been significantly improved, but with the axial dead load ratio, longitudinal reinforcement ratio increases, the residual displacement is correspondingly large.

reinforced concrete bridge column, hollow section, aseismic performance, fiber element model

2015-06-20

張紀兵(1978- )，男，工程師； 張偉光(1989- )，男，碩士，助理工程師； 王軍文(1971- )，男，博士，教授

1009-6825(2015)25-0170-03

U442.55

A