截面空心系數對空心橋墩抗震性能的影響分析

楊亞洲， 王大鵬，2

（1.蘇州科技大學，江蘇 蘇州 215009；2.江蘇省結構工程重點實驗室，江蘇 蘇州 215009）

0 引言

地震作為一種破壞力極強的自然災害之一，給人民生活和社會經濟發展帶來了極大的危害。引發橋梁結構損壞、主要承重構件破損嚴重及殘余變形過大等后果。橋梁的災后修復極為困難，甚至不得不拆除重建。橋梁抗震性能研究的重要性不言而喻［1］。對于橋梁結構的抗震性能研究主要包括數值模擬、試驗研究，包括能夠預測在不同地震作用下，結構發生不同破壞等級的概率問題的易損性分析［2］。薄壁空心橋墩因其自重輕，節約材料且抗震性能優越而被廣泛應用于我國西南地區。針對不同截面空心系數的矩形空心橋墩進行抗震性能分析研究，對減少地震的直接損失和橋梁公路網癱瘓而帶來的次生災害具有重要的意義，也能夠降低地震災害造成的經濟損失。如何確保橋梁結構在震后能夠可靠安全運行，更好發揮其功能，成為工程界關注重點。

近些年來，國內外對于矩形空心橋墩也有了很多研究。羅征等［3］從構件與截面兩個層面評價了墩柱試件的整體抗震性能，并分析了配筋率、剪跨比對橋墩承載能力、延性、耗能等抗震性能的影響。杜修力、韓強等［4-7］通過擬靜力試驗從單、雙向水平地震作用下橋墩抗震性能的比較；進行了恒定軸力下的水平雙向加載擬靜力試驗，研究其整體抗震性能和影響因素，重點比較了不同軸壓比下橋墩的破壞機理、承載能力、延性、剛度、耗能能力等方面的抗震性能；通過研究不同截面、長細比、軸壓比、配筋率等參數對橋墩破壞形態及抗震性能分析。崔海琴［8］等研究薄壁墩在壓、彎、剪共同作用下的破壞形態、位移延性和耗能能力，探討軸壓比、配箍率2個參數對結構極限承載力和延性性能的影響。Ogata等［9］進行抗震擬靜力試驗，對比空心橋墩有無拉結鋼筋模型試驗結果。試驗表明拉結鋼筋額設置對空心墩的抗震性能影響較大，能夠顯著提高矩形空心墩的抗震性能。吳會閣等［10］考慮地震多維性對矩形空心橋墩的抗震性能的影響，對比3種加載路徑下橋墩的承載力、變形及剛度等抗震性能的變化。

文中為了能夠更深入的探究空心橋墩的墩高及空心截面尺寸對其抗震性能的影響，選用OpenSees有限元軟件建立矩形空心橋墩模型，設置了不同墩高及不同空心截面尺寸及形式的空心橋墩，比較空心截面尺寸對于橋墩抗震性能的影響，為后續的矩形空心橋墩抗震設計提供參考。

1 有限元模型

文中為了能夠更深入的探究空心橋墩的墩高及空心截面尺寸對其抗震性能的影響，參考申彥利［11］數值模擬模型，該模型已進行驗證。文中模型再此基礎上進行參數調整。用OpenSees有限元軟件建立空心橋墩模型，設置了不同墩高及不同空心截面尺寸及形式的空心橋墩，比較空心截面尺寸對于橋墩抗震性能的影響，為后續的矩形空心橋墩抗震設計提供參考。

為模擬鋼筋混凝土矩形空心橋墩在靜力彈塑性分析法（Pushover）荷載作用下的力—位移相關性，建立鋼筋混凝土空心橋墩的有限元模型，模型參數見表1。選用Tcl語言命令流形式，使用section Fiber進行空心墩截面纖維劃分。模型截面及纖維劃分見圖1（a）。所有模型的外界面尺寸均相同，外廓尺寸為5000mm×3600mm，保護層厚度為35mm。模型截面及加載模式。圖1（a）中引入參數：矩形薄壁空心橋墩的空心系數α=2Bf/D。其中，D為截面外輪廓豎直方向長度。

圖1 模型截面及纖維化劃分

2 模型基本假定與材料選擇

在《公路橋梁抗震設計細則》［12］中，規則橋梁的橋墩上部結構的質量遠大于墩柱自重，且地震作用以第一振型為主。橋墩模型選用頂部質量集中的單自由度懸臂桿進行數值模擬，底部采用固定約束，上部結構采用集中荷載作用代替，作用于橋墩頂部。

OpenSees材料庫中有多種材料模型可供選擇，考慮到橫向箍筋約束對混凝土材料強度和延性性能，以及混凝土的剩余強度的影響，文中選擇ConCrete02。考慮鋼筋等向應變硬化影響且優化計算效率，選用Steel02作為鋼筋的本構模型。

圖2 加載方式

表1 模型參數

3 數值模擬結果及分析

靜力彈塑性分析法（Pushover），是對結構施加沿高度呈一定規律分布的遞增荷載，直至將結構推至目標位移結構形成倒塌，以此來判斷可能出現的地震作用下，結構及構件的抗震能力是否滿足設計及使用功能的要求［13］。該方法計算簡單，能夠直白有效的表現出結構的整體抗震性能，快速且準確的展現出結構在地震作用下的變形以及破壞情況。不僅僅可以用于學術研究，還能夠在實際工程項目中展現一定的應用價值。選用OpenSees進行位移控制加載方式（integrator Dispacement Conrtol），通過Origin畫圖軟件根據墩頂位移及基底剪力的關系得到力—位移曲線。采用位移控制對墩頂施加側向力，直至構件達到極限狀態。屈服點為受拉鋼筋屈服，此時產生的位移為屈服位移。極限狀態為受壓區混凝土達到極限壓應變，或受拉鋼筋達到極限拉應變，此時對應位移為極限位移［14］。

3.1 不同空心截面空心墩Pushover分析

對比截面空心系數為0.2～0.8的矩形空心橋墩，在Pushover荷載作用下的力—位移曲線，分析其抗震性能，如圖3～圖5所示。通過圖3～圖5可以明顯看出，橋墩在側向力作用下，經歷了彈性階段、塑性階段、和屈服階段。不同截面空心系數及不同截面空心類型的空心墩進入不同階段時，頂點位移及基地剪力有較大差異。相同墩高情況下，不同截面空心系數及空心類型對橋墩的抗震性能影響較大。隨著截面空心系數的在0.2～0.6時，矩形空心橋墩的開裂荷載、屈服荷載都逐漸增加，而方心空心截面空心墩承載力呈現緩慢下降趨勢。隨著截面空心系數的提高，方形及矩形空心截面橋墩的承載能力變化并不明顯，甚至出現下降趨勢，但是屈服位移和延性位移都出現緩慢增加現象。

圖3 墩高14.4m矩形空心截面橋墩力-位移曲線

圖4 墩高28.8m矩形空心截面橋墩力-位移曲線

圖5 墩高28.8m方形空心截面橋墩力-位移曲線

在相同截面空心系數前提下，方形空心截面的承載力優于矩形內空心截面的空心墩，但矩形空心截面的空心橋墩的屈服位移、極限位移增加，位移延性提高顯著。因此建議在薄壁矩形空心橋墩的抗震設計中，考慮截面空心系數應在0.3～0.6之間，選用矩形空心截面的空心墩抗震性能更為優越、經濟。空心墩的空心截面形式對橋墩的屈服荷載、極限承載力、屈服位移、極限位移等抗震性能參數也有一定的影響。

3.2 不同墩高空心墩Pushover分析

為了分析墩高對于空心橋墩抗震性能的影響，分別選取不同墩高，截面空心系數為0.3、0.4、0.5、0.6的矩形、方形空心截面橋墩的力—位移曲線對比，分析其抗震性能，如圖6所示。

圖6 不同墩高空心墩力-位移曲線

從圖6中不同墩高下的空心橋墩的力-位移曲線可以清晰看出，當橋墩的位移不斷增加時，隨著橋墩的高度的增加，橋墩的抗側向力下降幅度較大，并且空心墩的開裂荷載、屈服荷載和極限荷載也會降低。但位移都會隨之提高，變形能力逐漸增強。在地震作用下，矮墩更易發生剪切破壞，而高墩多發生彎曲破壞或彎剪破壞。橋墩的開裂位移、屈服位移和極限位移。橋墩的變形能力也直接反映了其延性性能。延性能力越好，說明橋墩對地震作用下的變形抵抗能力越強。

4 結語

文中通過有限元軟件OpenSees建立3組不同墩高、不同截面空心系數及空心截面形式的鋼筋混凝土空心橋墩模型，進行Pushover擬靜力數值模型。依據力-位移曲線，探究不同墩高及截面空心系數與類型對其承抗震性能的影響，得到以下結論：

（1）橋墩墩高對橋墩的抗震性能影響較大。若墩高增加，橋墩的屈服荷載和極限荷載會隨之降低，且下降幅度也逐漸縮小。但屈服位移和極限位移隨之緩慢增加，延性提高。

（2）當墩高一定時，橋墩的抗震性能受截面空心系數影響明顯。在截面空心系數在0.2～0.6時，結構的豎向承載力、側向承載力隨橋墩截面空心系數的呈現正相關，墩頂屈服位移和極限位移也會隨之增加。當截面空心系數大于0.6時，結構的承載力增幅減小。故空心系數0.3～0.6時不僅能降低自重，節約材料，且橋墩的承載能力和變形能力更好，抗震性能更佳。

（3）空心墩的空心截面形式對橋墩的屈服荷載、極限承載力、屈服位移、極限位移等抗震性能參數也有一定的影響。綜合綠色經濟性，建議在空心橋墩的抗震設計時，選擇符合截面空心系數建議值的矩形空心橋墩。