截面空心系数对空心桥墩抗震性能的影响分析

杨亚洲， 王大鹏，2

（1.苏州科技大学，江苏 苏州 215009；2.江苏省结构工程重点实验室，江苏 苏州 215009）

0 引言

地震作为一种破坏力极强的自然灾害之一，给人民生活和社会经济发展带来了极大的危害。引发桥梁结构损坏、主要承重构件破损严重及残余变形过大等后果。桥梁的灾后修复极为困难，甚至不得不拆除重建。桥梁抗震性能研究的重要性不言而喻［1］。对于桥梁结构的抗震性能研究主要包括数值模拟、试验研究，包括能够预测在不同地震作用下，结构发生不同破坏等级的概率问题的易损性分析［2］。薄壁空心桥墩因其自重轻，节约材料且抗震性能优越而被广泛应用于我国西南地区。针对不同截面空心系数的矩形空心桥墩进行抗震性能分析研究，对减少地震的直接损失和桥梁公路网瘫痪而带来的次生灾害具有重要的意义，也能够降低地震灾害造成的经济损失。如何确保桥梁结构在震后能够可靠安全运行，更好发挥其功能，成为工程界关注重点。

近些年来，国内外对于矩形空心桥墩也有了很多研究。罗征等［3］从构件与截面两个层面评价了墩柱试件的整体抗震性能，并分析了配筋率、剪跨比对桥墩承载能力、延性、耗能等抗震性能的影响。杜修力、韩强等［4-7］通过拟静力试验从单、双向水平地震作用下桥墩抗震性能的比较；进行了恒定轴力下的水平双向加载拟静力试验，研究其整体抗震性能和影响因素，重点比较了不同轴压比下桥墩的破坏机理、承载能力、延性、刚度、耗能能力等方面的抗震性能；通过研究不同截面、长细比、轴压比、配筋率等参数对桥墩破坏形态及抗震性能分析。崔海琴［8］等研究薄壁墩在压、弯、剪共同作用下的破坏形态、位移延性和耗能能力，探讨轴压比、配箍率2个参数对结构极限承载力和延性性能的影响。Ogata等［9］进行抗震拟静力试验，对比空心桥墩有无拉结钢筋模型试验结果。试验表明拉结钢筋额设置对空心墩的抗震性能影响较大，能够显著提高矩形空心墩的抗震性能。吴会阁等［10］考虑地震多维性对矩形空心桥墩的抗震性能的影响，对比3种加载路径下桥墩的承载力、变形及刚度等抗震性能的变化。

文中为了能够更深入的探究空心桥墩的墩高及空心截面尺寸对其抗震性能的影响，选用OpenSees有限元软件建立矩形空心桥墩模型，设置了不同墩高及不同空心截面尺寸及形式的空心桥墩，比较空心截面尺寸对于桥墩抗震性能的影响，为后续的矩形空心桥墩抗震设计提供参考。

1 有限元模型

文中为了能够更深入的探究空心桥墩的墩高及空心截面尺寸对其抗震性能的影响，参考申彦利［11］数值模拟模型，该模型已进行验证。文中模型再此基础上进行参数调整。用OpenSees有限元软件建立空心桥墩模型，设置了不同墩高及不同空心截面尺寸及形式的空心桥墩，比较空心截面尺寸对于桥墩抗震性能的影响，为后续的矩形空心桥墩抗震设计提供参考。

为模拟钢筋混凝土矩形空心桥墩在静力弹塑性分析法（Pushover）荷载作用下的力—位移相关性，建立钢筋混凝土空心桥墩的有限元模型，模型参数见表1。选用Tcl语言命令流形式，使用section Fiber进行空心墩截面纤维划分。模型截面及纤维划分见图1（a）。所有模型的外界面尺寸均相同，外廓尺寸为5000mm×3600mm，保护层厚度为35mm。模型截面及加载模式。图1（a）中引入参数：矩形薄壁空心桥墩的空心系数α=2Bf/D。其中，D为截面外轮廓竖直方向长度。

图1 模型截面及纤维化划分

2 模型基本假定与材料选择

在《公路桥梁抗震设计细则》［12］中，规则桥梁的桥墩上部结构的质量远大于墩柱自重，且地震作用以第一振型为主。桥墩模型选用顶部质量集中的单自由度悬臂杆进行数值模拟，底部采用固定约束，上部结构采用集中荷载作用代替，作用于桥墩顶部。

OpenSees材料库中有多种材料模型可供选择，考虑到横向箍筋约束对混凝土材料强度和延性性能，以及混凝土的剩余强度的影响，文中选择ConCrete02。考虑钢筋等向应变硬化影响且优化计算效率，选用Steel02作为钢筋的本构模型。

图2 加载方式

表1 模型参数

3 数值模拟结果及分析

静力弹塑性分析法（Pushover），是对结构施加沿高度呈一定规律分布的递增荷载，直至将结构推至目标位移结构形成倒塌，以此来判断可能出现的地震作用下，结构及构件的抗震能力是否满足设计及使用功能的要求［13］。该方法计算简单，能够直白有效的表现出结构的整体抗震性能，快速且准确的展现出结构在地震作用下的变形以及破坏情况。不仅仅可以用于学术研究，还能够在实际工程项目中展现一定的应用价值。选用OpenSees进行位移控制加载方式（integrator Dispacement Conrtol），通过Origin画图软件根据墩顶位移及基底剪力的关系得到力—位移曲线。采用位移控制对墩顶施加侧向力，直至构件达到极限状态。屈服点为受拉钢筋屈服，此时产生的位移为屈服位移。极限状态为受压区混凝土达到极限压应变，或受拉钢筋达到极限拉应变，此时对应位移为极限位移［14］。

3.1 不同空心截面空心墩Pushover分析

对比截面空心系数为0.2～0.8的矩形空心桥墩，在Pushover荷载作用下的力—位移曲线，分析其抗震性能，如图3～图5所示。通过图3～图5可以明显看出，桥墩在侧向力作用下，经历了弹性阶段、塑性阶段、和屈服阶段。不同截面空心系数及不同截面空心类型的空心墩进入不同阶段时，顶点位移及基地剪力有较大差异。相同墩高情况下，不同截面空心系数及空心类型对桥墩的抗震性能影响较大。随着截面空心系数的在0.2～0.6时，矩形空心桥墩的开裂荷载、屈服荷载都逐渐增加，而方心空心截面空心墩承载力呈现缓慢下降趋势。随着截面空心系数的提高，方形及矩形空心截面桥墩的承载能力变化并不明显，甚至出现下降趋势，但是屈服位移和延性位移都出现缓慢增加现象。

图3 墩高14.4m矩形空心截面桥墩力-位移曲线

图4 墩高28.8m矩形空心截面桥墩力-位移曲线

图5 墩高28.8m方形空心截面桥墩力-位移曲线

在相同截面空心系数前提下，方形空心截面的承载力优于矩形内空心截面的空心墩，但矩形空心截面的空心桥墩的屈服位移、极限位移增加，位移延性提高显著。因此建议在薄壁矩形空心桥墩的抗震设计中，考虑截面空心系数应在0.3～0.6之间，选用矩形空心截面的空心墩抗震性能更为优越、经济。空心墩的空心截面形式对桥墩的屈服荷载、极限承载力、屈服位移、极限位移等抗震性能参数也有一定的影响。

3.2 不同墩高空心墩Pushover分析

为了分析墩高对于空心桥墩抗震性能的影响，分别选取不同墩高，截面空心系数为0.3、0.4、0.5、0.6的矩形、方形空心截面桥墩的力—位移曲线对比，分析其抗震性能，如图6所示。

图6 不同墩高空心墩力-位移曲线

从图6中不同墩高下的空心桥墩的力-位移曲线可以清晰看出，当桥墩的位移不断增加时，随着桥墩的高度的增加，桥墩的抗侧向力下降幅度较大，并且空心墩的开裂荷载、屈服荷载和极限荷载也会降低。但位移都会随之提高，变形能力逐渐增强。在地震作用下，矮墩更易发生剪切破坏，而高墩多发生弯曲破坏或弯剪破坏。桥墩的开裂位移、屈服位移和极限位移。桥墩的变形能力也直接反映了其延性性能。延性能力越好，说明桥墩对地震作用下的变形抵抗能力越强。

4 结语

文中通过有限元软件OpenSees建立3组不同墩高、不同截面空心系数及空心截面形式的钢筋混凝土空心桥墩模型，进行Pushover拟静力数值模型。依据力-位移曲线，探究不同墩高及截面空心系数与类型对其承抗震性能的影响，得到以下结论：

（1）桥墩墩高对桥墩的抗震性能影响较大。若墩高增加，桥墩的屈服荷载和极限荷载会随之降低，且下降幅度也逐渐缩小。但屈服位移和极限位移随之缓慢增加，延性提高。

（2）当墩高一定时，桥墩的抗震性能受截面空心系数影响明显。在截面空心系数在0.2～0.6时，结构的竖向承载力、侧向承载力随桥墩截面空心系数的呈现正相关，墩顶屈服位移和极限位移也会随之增加。当截面空心系数大于0.6时，结构的承载力增幅减小。故空心系数0.3～0.6时不仅能降低自重，节约材料，且桥墩的承载能力和变形能力更好，抗震性能更佳。

（3）空心墩的空心截面形式对桥墩的屈服荷载、极限承载力、屈服位移、极限位移等抗震性能参数也有一定的影响。综合绿色经济性，建议在空心桥墩的抗震设计时，选择符合截面空心系数建议值的矩形空心桥墩。