曲線獨柱墩橋梁的地震損傷狀態分析及對策評估

向 敏 韓水清 馬朝陽 劉 偉

（石家莊鐵道大學土木工程學院 河北石家莊 050043）

引言

獨柱墩橋梁由于橋下空間占用土地少，視野開闊，下部工程量小等優點，因而廣泛應用于城市高架橋以及高速公路的匝道橋上。但獨柱墩極易在強震作用下發生破壞，導致整個橋梁垮塌[1]。然而，拆除這些既有橋梁進行重建，既造成經濟浪費，又造成的社會影響及間接經濟損失更是無法估量的。因此，針對抗震性能不足的結構進行加固，既可以節省大量資金又可以節省工期。本文以某三環立交為工程背景，以全部為獨柱墩的匝道橋ES匝道建立有限元模型。對既有曲線獨柱墩橋梁在地震作用下的損傷狀態進行評估，以及選用普通碳纖維布和高強碳纖維布分別對橋墩進行加固，并分析CFRP與箍筋加固效果。

1 工程背景

本文以某三環立交為工程背景。該立交橋由主橋和匝道組成，其中匝道由ES、NE、EN、SW、WS組成。為了更好的研究獨柱墩的抗震性能，本文以全部為獨柱墩的匝道橋ES匝道建立有限元模型。匝道橋ES為一聯預應力混凝土連續梁，跨徑為4×20m，采用一字型橋臺、獨柱墩，橋墩均為等截面矩形實心獨柱墩。

2 模型建立

本文素混凝土和約束混凝土均采用修正的Kent-Park本構模型模擬，鋼筋采用Giuffre-Menegotto-Pinto本構模型。網格劃分采用纖維截面，彈性梁柱單元來模擬橋面，非線性梁柱單元模擬墩柱等參數，支座采用零長度單元，利用OpenSees軟件建立全橋整體模型。

3 地震作用下獨柱墩橋梁的動力響應分析

經過OpenSees模態分析得出結構自振周期為0.483s，再依據經驗，本文選取了3條地震波[2]，用IDA方法，僅對其中一個墩2#墩為研究對象進行分析，得到在相同的地震加速度峰值（PGA）作用下的時程曲線與墩頂力-位移滯回曲線如圖1所示。

圖1 包含箍筋的2#墩

4 橋墩加固后的地震響應分析

近年來我國發生的地震頻率增加、地震等級增大，給人民生命財產帶來巨大損失。較早的結構建設，不滿足現有的抗震設計規范，尤其是獨柱墩橋梁更易在強震中發生破壞。由于碳纖維布（CFRP）輕質、高強、耐腐蝕等優點已被廣泛應用。因此，選用新型材料CFRP對橋墩進行加固，并對CFRP和箍筋的加固效果進行了對比分析。本文采用吳剛等提出的本構來模型矩形墩柱的纖維約束[5]，并重新建立全橋模型。

采用IDA方法，在相同的地震加速度峰值（PGA）下，分別求出2#墩不同狀態下的墩頂最大位移與墩底最大彎矩，由于篇幅有限，僅將參數列入表1中。

表1 2#墩在不同狀態下的參數變化表

由表1可知，箍筋與碳纖維（CFRP）存在時，2#墩最大墩頂位移和最大墩底彎矩均有所減小，說明延性性能增強了。箍筋與碳纖維（CFRP）的作用相似，主要是對內部混凝土起到了約束作用。但是CFRP存在時均有很明顯的減小，因為碳纖維布直接約束最外層混凝土，它的作用比箍筋更為直接、有效。有箍筋和CFRP共同作用下，加固效果更為明顯，延性性能大大提高了。

將高強度碳纖維加固后的墩頂位移時程曲線和墩底彎矩時程曲線以及滯回曲線如圖2所示。

圖2 包含箍筋的2#墩高強度CFRP加固狀態

經計算可得高強度碳纖維加固后的最大墩頂位移為85.819mm，最大墩底彎矩為9.7922kN·m。經過高強度碳纖維加固后的2#墩墩頂位移和墩底彎矩較加固前均有所減小。與普通碳纖維加固效果相比，高強度碳纖維由于其強度高，彈性模量大，在相同的用量情況下，加固效果更加明顯。但是一般實際工程中，普通的碳纖維布可以滿足加固要求的，除非是為了減少使用量，否則沒有必要使用高強碳纖維布來加固橋墩的[6]。

5 結論

（1）利用CFRP對獨柱墩進行加固，可以很好地改善獨柱墩橋梁的抗震性能。

（2）箍筋和碳纖維加固橋墩，橋墩的延性都有所改善，但是碳纖維直接作用在外圍混凝土上，加固效果更明顯。箍筋和CFRP共同作用下，加固效果更為明顯，延性性能大大提高了。

（3）采用高強碳纖維布對橋墩進行加固，加固效果明顯于普通碳纖維布的加固效果。但是一般實際工程中，普通碳纖維就可以滿足加固要求。