基于OpenSees的型鋼混凝土橋墩延性分析

易廷友　唐洪泉

摘要：文章采用OpenSees有限元軟件對新型型鋼混凝土橋墩的變形性能進行分析，介紹了模型的建立、本構關系和邊界條件等，并以延性系數為指標對不同參數的型鋼混凝土橋墩的變形能力進行分析和評估。結果表明：提高型鋼混凝土橋墩的含鋼率可提高其延性;增大軸壓比會降低型鋼混凝土橋墩的延性;增大配筋率可增大型鋼混凝土橋墩的延性，但影響不大。

關鍵詞：橋梁工程;型鋼混凝土;有限元;橋墩;延性

中國分類號：U443.22文章標識碼：A190723

0 引言

我國是一個地震頻發的國家，并且交通網絡覆蓋面積廣闊，公路橋梁的震害問題十分嚴重。由于公路橋梁時常跨越山谷、河流，因此大多采用高度較大的單柱、雙柱或者混合雙柱式橋墩，且要求橋墩在地震作用下能夠吸收較大的地震能量，產生一定的變形而不至于損壞，即應具備較好的延性性能。為此，橋墩的延性性能成為國內外學者關注的重點[1]。

目前，公路橋梁橋墩一般采用鋼筋混凝土橋墩。一般鋼筋混凝土橋墩的變形能力有限，在地震作用下極易出現開裂，并產生彎剪破壞的情況。國內外學者嘗試研究一些新的橋墩構造，或采用新的材料以增強橋墩適應變形的能力，如自復位搖擺橋墩、UHPC橋墩和ECC橋墩等。不過，自復位搖擺橋墩構造復雜，施工不易，應用較為有限;UHPC和ECC橋墩造價較高，應用也不多。為此，型鋼混凝土由于其優越的性能和適中的造價，成為一種更為優越的橋墩結構形式。型鋼混凝土即混凝土包裹型鋼，充分利用了型鋼較好的變形能力以及混凝土對于鋼材的保護能力，極大地提升了橋墩的變形性能[2]。不過，目前國內對于型鋼混凝土橋墩的研究還較為有限，如何更為合理地對其進行設計還有待研究。鑒于此，本文采用OpenSees對單柱式型鋼混凝土橋墩的變形性能進行分析，以延性系數為指標對不同參數的型鋼混凝土橋墩的變形能力進行分析和評估。研究成果可為型鋼混凝土橋墩的設計建設提供參考。

1 有限元數值模型建立

1.1 模擬對象

文獻[3]開展了鋼筋混凝土單柱式橋墩的延性性能試驗，本文以其中試件Ⅰ為原型，建立單柱型鋼混凝土矩形橋墩模型并開展參數分析。該橋墩截面尺寸為50 cm×50 cm，保護層厚度為40 cm，配筋率為1.0%，采用HRB335等級鋼筋。內部型鋼采用HW300 mm×300 mm型號，如圖1所示。后續將以此為基本模型，擴充參數并建模分析。

1.2 單元類型及本構

本文模擬的型鋼混凝土，截面較鋼筋混凝土橋墩更為復雜。除一般的縱筋和箍筋外，內部還有型鋼。為了更為準確地模擬型鋼混凝土的力學行為，本文采用纖維單元模型進行模擬。纖維單元模型是采用纖維截面的桿單元[4-5]，OpenSees提供了多種纖維單元模型可供選擇，如forceBeamColumn Element、dispBeamColumn和nonlineBeamColumn等。本文采用精度更好的forceBeamColumn Element進行模擬。

每個纖維單元劃分為5個積分節點，每個積分節點處截面采用纖維截面，纖維截面將截面離散為若干根纖維，每根纖維根據截面材料的不同定義為相應的單軸應力-應變關系（本構關系）。截面纖維包含縱筋纖維、型鋼纖維和混凝土纖維。其中，混凝土纖維又分為保護層混凝土纖維和約束混凝土纖維。上述混凝土纖維采用Concrete02混凝土本構，縱筋和型鋼采用Steel02鋼材本構。

1.3 邊界條件

橋墩底部完全固結，墩身及墩頂可自由運動。

1.4 模型加載

為了獲得橋墩的延性性能，本文采用延性系數作為評價指標。為了獲得橋墩的延性系數，本文在橋墩頂部施加水平位移荷載，以10 mm為間隔，逐步加載。當橋墩承載力下降至極限承載力的85%時停止加載。

2 參數分析

延性是指結構、構件或構件的某個截面從屈服開始到達最大承載能力或達到以后而承載力沒有顯著下降期間的變形能力。為此，采用位移延性系數可更加直觀地評價橋墩的變形能力。延性系數越大則橋墩變形能力越好，反之越差[6]。延性系數的計算公式如下：

2.1 不同型號型鋼的影響

型鋼混凝土所采用的型鋼應與橋墩的尺寸相適應，若型鋼尺寸過大，則型鋼混凝土的力學行為接近鋼結構，既不經濟也無法發揮型鋼混凝土的優勢;若型鋼尺寸過小，型鋼的承載力也無法有效發揮。

為了探究含鋼率對型鋼混凝土延性的影響，本文選取型號為HW200 mm×200 mm、HW300 mm×300 mm、HW350 mm×350 mm、HW400 mm×400 mm的型鋼進行建模，型鋼混凝土橋墩的含鋼率分別為2.6%、4.8%、6.9%和8.8%。其中，采用型鋼HW300 mm×300 mm的型鋼混凝土橋墩為前文所述的基本模型，上述模型除型鋼型號外，其余參數一致。分別對其進行加載并計算延性系數，計算結果如圖2所示。

由圖2可知，隨著含鋼率的提高，型鋼混凝土的延性系數呈先快速上升再逐漸減緩的變化規律。如當含鋼率為2.6%時，其延性系數也很小，僅為2.6;當含鋼率>6.9時，其延性系數增加不多。這表明含鋼率的提高可有效提高型鋼混凝土的延性。

2.2 軸壓比的影響

對于橋墩而言，上部結構對其頂部的壓力會顯著影響其受力性能。為此，有必要對不同軸壓比作用下型鋼混凝土橋墩的延性進行評估。軸壓比是指橋墩頂部施加的軸壓力設計值與型鋼混凝土橋墩承載力設計值的比值。本文分別分析了當軸壓比為0、0.2、0.4、0.6、0.8時型鋼混凝土延性系數的變化規律，計算結果如圖3所示。

由圖3可知，隨著軸壓比的增大，橋墩延性系數呈先迅速下降又逐漸減緩的變化規律。如相比軸壓比為0時，其增大至0.8時的延性系數降低了62.3%。上述現象表明，增大型鋼混凝土橋墩的軸壓比會降低橋墩的延性。這主要是因為軸壓比大的構件，在水平荷載作用下產生的P-[WTBX]Δ效應更為顯著，產生了更大的二階彎矩，加載后期難以維持穩定，從而使得延性降低。因此，在實際工程中，應控制型鋼混凝土橋墩的軸壓比不宜過大。

2.3 縱筋配筋率的影響

對于型鋼混凝土橋墩而言，其也需要正常配置縱筋，以防止型鋼外部混凝土過早開裂或壓碎。不過，型鋼混凝土內部含有型鋼，縱筋布置是否與普通橋墩一致還尚不明確。為此，也有必要對型鋼混凝土橋墩的縱筋配筋率進行研究。本文設計并建立了配筋率為6%、8%、10%和12%的型鋼混凝土橋墩，對其延性系數進行計算，結果如圖4所示。

由圖4可知，隨著配筋率的提高，型鋼混凝土的延性系數逐漸上升，但提升幅度不大，如當配筋率為12%時，其延性系數僅比配筋率為6%時的增加了0.48。上述現象表明，型鋼混凝土橋墩的延性是以型鋼為主要控制因素，而配筋率對其貢獻不大。

3 結語

通過上述有限元分析，可以得到以下結論：

（1）型鋼混凝土應嚴格控制含鋼率，增大型鋼混凝土橋墩的含鋼率可有效增大其延性，對抗震有利。

（2）增大型鋼混凝土橋墩的軸壓比會降低其延性，實際工程中應嚴格控制其軸壓比。

（3）型鋼混凝土橋墩的延性是以型鋼為控制因素，提高配筋率影響不大。

參考文獻：

[1]申彥利，趙志宏，魏 博.鋼筋混凝土空心橋墩的振動臺試驗研究[J].世界地震工程，2021，37（1）：93-102.

[2]陳洋藝，李志剛，陽 霞.高溫后方鋼管型鋼混凝土短柱軸向力學性能研究[J].建筑鋼結構進展，2021，23（7）：58-66.

[3]孫 卓，李建中，閆貴平，等.鋼筋混凝土單柱式橋墩抗震性能試驗研究[J].同濟大學學報（自然科學版），2006（2）：160-164.

[4]武云鵬，韓 博，郭 峰，等.非線性纖維梁單元研究與應用[J].建筑結構，2018，48（20）：60-64，54.

[5]彭 勝，許成祥.震損型鋼混凝土柱加固后的恢復力模型研究[J].武漢科技大學學報，2021，44（5）：388-393.

[6]魯錦華，陳興沖，丁明波，等.不同配筋率下鐵路重力式橋墩抗震性能試驗研究[J].中國鐵道科學，2021，42（3）：47-54.

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