单柱墩拟静力试验仿真计算案例.pdf

第2 7 卷第4 期 2 0 1 0 年4 月 公路交通科技 J o u m a lo fH ig h w a ya n dT m n s t 0 r t a t io nR e s e a r cha n dD e v e lo p m e n t V 0 1 2 7N o 4 舡 2 0 1 0 文章编号 1 0 0 2 0 2 6 8 2 0 1 0 0 4 0 0 3 9 0 5 单柱墩拟静力试验仿真计算案例 宋国森1 李贵乾2 3 1 东南大学土木工程学院 江苏南京2 1 0 0 9 6 2 招商局重庆交通科研设计有限公司桥梁结构动力学国家重点实验室 重庆4 0 0 0 6 7 3 重庆交通大学土木建筑学院 重庆4 0 0 0 7 4 摘要 在地震荷裁作用下 钢筋混凝土桥墩是最易破坏的桥梁构件 如何较可靠地模拟钢筋混凝土桥墩在循环荷栽作 用下的非线性滞回反应是桥梁结构抗震研究的重要内容 以呈弯曲破坏形态的钢筋混凝土桥墩的拟静力试验结果为依 据 基于o p 即s e 鹄中的B e a m w it t d t in 驷E le m e n t 单元 分别建立了圆形墩和矩形墩的滞回分析纤维单元模型 由计算结 果与试验结果对比可知 所建立的纤维单元模型对桥墩的骨架曲线及滞回曲线都有良好的模拟效果 且能体现桥墩在 反复加载过程中刚度 强度退化现象 关键词 桥梁工程 钢筋混凝土桥墩 拟静力试验 o p 舭s 纤维单元模型 仿真计算 中图分类号 U 4 4 3 2 2文献标识码 A S im u la t io nC a lcu la t io nf o rP s e u d o s t a t icT e s to fR e in f o r ce dC o n cr e t e S in g le co lu m nB r id g eP ie r s S O N GG u o 能n 1 UG u iq ia n 2 3 1 S ch o o lo fC iv ilE r lg ir 僦r iI lg S o u t h e a s tU n iv e r s it y N a n j in gJ ia n s s u2 1 0 0 9 6 C h in a 2 S t a t eK e yla b o r a t o r yo fB r id g eS t r u ct u r a lO y n 枷c8 C h in aM e r ch a n t sC h o g q in gC o a a n u n ica f io m R e s e a r ch D 鹤ig nI n s t it u t eC o 1 t d C h o n g q in g4 0 0 0 6 7 C h in a 3 S ch o o lo fC iv ilE n g in e e r in g C h o n g q in gJ ia o t o n gU n iv e r s it y C h o n g q in g4 0 0 0 7 4 C h in a A b s t r a ct R e in f o r ce dco n cr e t eb r id g ep ie rist h em o s te a s ilyd e s t r o y e db r id g em e m b e ru n d e rs e is m iclo a d in g h o w t or e lia b lys im u la t en o n lin e a rh y s t e r e t ic r e s p o n s eo fr e in f o r ce dco n cr e t eb r id g ep ie ru n d e rcy cliclo a d in g isa n im p o r t a n tco n t e n tins e is m ic r e s is t a n ceo fb r id g es t r u ct u r er e s e a r chf ie ld B a s e do nt h ep s e u d o s t a t ic t e a to fR C b r id g ep ie r sw h ichh a v ef le x u r a l f a ilu r e s t h eB e a m w it h H in g e s E le m e n tinO p e n S e 船p r o g r a mw a su s e dt om o d e lt h e h y s t e r e t ic b e h a v io r so fcir cu la rs e ct io n a la n dI e ct a n g u la rs e ct io n a l b r id g ep ie r ss u b j e ct e d t ocy clic lo a d in g T h e co m p a r is o nb e t w e e nt h eco m p u t a t io nr e s u lta n dt h ee x p e r im e n tr e s u lts h o w st h a tt h ee s t a b lis h e df f l e re le m e n tm o d e l 咖a ccu r a t e lys im u la t et h eb a ck b o n ecu r v e 8 h y s t e r e t ic cu n r 妫o ft h ep ie r sa n dC a na ls or e f le ctt h ed e g r a d a t io no f s t if f n e s sa n ds t r e n g t hint h ep r o ce s so fcy clic lo a d in g K e yw o r d s 场d g ee n g in e e r in g R Cb r id g ep ie r p s e u d o s t a t ict e s t 唧抵 f d e re le m e n tm o d e l s im n la t io nca lcu la t io n 删言 譬蒿篓霎篓雾勰差亲桑篙奎莩茬冀祟囊磊雾霉 在2 0 0 8 年的 5 1 2 汶川地震中 极震区以内重下降 其中2 0 多座桥梁坍塌 给震后的抢险救灾 收稿日期 2 0 0 9 0 9 0 5 作者简介 宋国森 1 9 7 3 一 男 江苏扬州人 博士研究生 研究方向为交通工程 s 哪g g s s s s in a 啪 公路交通科技第2 7 卷 工作带来巨大的困难 造成了惨重的生命财产损 失 1 l 包括汶川地震在内的几次大地震导致的桥梁工 程的严重破坏 反映出桥梁结构的地震易损性 同时 也显示了桥梁工程抗震研究的必要性与重要性 图1 汶川地震中倒塌的桥梁 F 碴 1 T h eco lt a p s e ab r W g einW e n ch u a ne a r t h q u a k e 地震荷载作用下 钢筋混凝土桥墩通常是最易破 坏的桥梁构件 桥墩作为承接桥梁上部结构和下部基 础的中间构件 其滞回耗能性能的优劣在一定程度上 决定了桥梁的整体抗震能力 冈此 如何较叮靠地模 拟钢筋混凝土桥墩在循环荷载作用下的非线性滞回反 应是桥梁结构抗震研究的雨要内容 本文采用0 p e n s e e s 程序分别对一个圆形钢筋混 凝土桥墩和一个矩形钢筋混凝土桥墩的拟静力试验结 果进行了仿真计算 计算结果与试验结果的比较表明 所建立的钢筋混凝土桥墩仿真计算模型能较好的模拟 桥墩在大变形时的骨架曲线及滞同曲线 1 汶川地震中桥墩的弯曲破坏现象 在汶川地震中 桥梁墩柱受到了较为严霞的破 坏 其破坏形态与2 0 世纪9 0 年代的几次破坏性地震 1 9 9 4 年美国L o s A n g e le s 地震 1 9 9 4 年美国N o r t h R id g e 地震 1 9 9 5 年日本K o b e 地震 的桥墩破坏形态一致 主要表现为弯曲破坏 剪切破坏及弯剪破坏 弯曲破坏主要发生在墩底塑性区以及同结墩墩 顶 墩底塑性区的破坏主要表现为弯曲延性不足 当 位移水平较大时 墩底塑性区内的混凝土压应力超过 无侧限抗压能力 造成保护层混凝土的剥落 并伴有 纵筋的屈曲 见图2 而同结墩墩顶的破坏则主要 表现为配筋不足 过甲 断裂 导致弯曲强度不足 配 筋不足导致箍筋未能给核心混凝土提供足够的横向约 束 压碎区很快开展到核心区域 同时 箍筋的过早 断裂导致塑性区核心混凝土的压溃以及纵筋的严重屈 曲 使得桥墩的强度迅速降低 最后因不能承受上部 结构重力荷载而破坏 见图2 进一步借助计算机 按照合理的材料本构关系和 恰当的计算模型 对桥墩进行非线性伞过程仿真计算 分析 有助于获得对桥墩从受荷 开裂直至破坏过程 的全面认识 图2 汶川地震中桥墩破坏形态 拖 2 F a ilu r eln o d e so fp ie r sinW e n ch u a ne a l d lq u a k e 2 钢筋混凝土桥墩O p e n S e e s 仿真计算模型 2 1 O p e n S e e s 程序简介 O p e n S e e s 全称为O p e nS y s t e mF o rE a r t h q u a k eE n g i n e e r in gS h 山t io n 2 I 是由美国国家自然科学基金 N S F 资助 太平洋地震上程研究中心 P E E R 主 导 加州大学伯克利分校为主研发而成的 用于结构 和岩土方面地震响应模拟的一个较为伞面且不断发展 的开放程序体系 其程序代码是公开的 用户可以通 过编程手段在程序中增加新的材料本构和单元类型 该程序具有丰富的材料模型 单元模型 分析选项和 强大的求解功能 集中反映了当今结构工程前沿领域 许多崭新的研究成果 适用于结构在地震作用下的响 应分析 0 心e e s 自1 9 9 9 年正式推出以来 已广泛用于 太平洋地震工程研究中心和美国的一些大学和科研机 构的科研项l l中 较好地模拟了钢筋混凝土结构 桥 梁 岩土工程等众多的实际工程 拟静力试验研究和 振动台试验项目b 4 j 已证明其具有较好的地震非线 性响应数值模拟精度 故本文亦采用0 p e n S e s 作为 第4 期宋国森 等 单柱墩拟静力试验仿真计算案例 4 1 钢筋混凝土桥墩拟静力试验仿真计算的分析软件 2 2 纤维单元模型 本文利用o p e n S e e s 中基于柔度法的B e a m w it h H in g e s E le m e n t 2 以下简称为B H E 纤维单元模型对 钢筋混凝土桥墩的非线性滞同性能进行分析 模型由 端部的塑性铰单元和上部的线弹性杆单元构成 其 中 塑性铰单元模拟桥墩的非线性性态 包括剪切效 应 钢筋混凝土粘结一滑移效应 线弹性杆单元模拟 桥墩的弹性反应 而混凝土和钢筋的应力一应变关系 则反映在务纤维束中 纤维单元模型如图3 所示 以 圆形墩为例 B H E 纤维单元的主要参数为期性铰单 元长度L 和线弹性杆单元的等效刚度日e f r 图3 桥墩滞回分析纤维单元模型 3 F ib e rd e m e n tm o d e lo fp ie rf o rh y s t e r e t ic a n a ly s is 3 单柱墩拟静力试验仿真计算案例 以下采用0 p e n S e e s 中的B H E 纤维模型分别对一 个圆形钢筋混凝土桥墩和一个矩形钢筋混凝土桥墩的 拟静力试验结果进行仿真计算 并与试验结果作对 比 3 1 单柱墩拟静力试验模型 本文圆形墩的试验数据取自美国太平洋地震工程 研究中心 P a cif icE a r t h q u a k eE n g in e e r in gR e s e a r chC e n t e r 试验由L e h m a n 等 5 6 在加州大学伯克利分校结 构实验室完成 矩形墩的试验数据取自招商局秉庆交 通科研设计有限公司 试验由牛松山 7 等在桥梁结构 动力学国家重点实验室完成 试验桥墩均为弯曲破坏 形态 桥墩的主要设计参数见表l 表1 桥墩主要设计参数 T a b 1M a ind e s ig np o A r a llle t e r so fp ie r s 桥墩混凝土强 形状度 M P a 纵筋强度 纵筋配箍 屈服极限率 率 截面尺銎试墩轴压比 Y 4 m 高 m m 结果如表2 所示 表2 桥墩塑性铰长度及弹性区等效刚度 T a b 2 蛐0 f p la s t ic 薛o f p ie r sa n de q 岫枷 s t if f n e s s e so fe la s t ic卫啷s 3 2 混凝土本构模型 在本文的纤维单元模型中 混凝土采用修正后的 K e n t P a r k 模型 9 j 即O v cn S 嘲中的C o n cr e t e 0 2 材料 其应力一应变滞回关系如图4 所示 该模型通过改变 混凝土受压骨架曲线的峰值应力 峰值鹰变以及软化 段斜率来考虑横向箍筋的约束影响 且可以考虑混凝 土的剩余强度 而混凝土受拉时的上升段和下降段均 为直线 可考虑混凝土的初始开裂 C o n cr e t e 0 27 昆凝 土模型是在简化与精确之间的一种较好的平衡 对钢 筋混凝土桥墩非线性分析有良好的精度 其受压骨架 曲线分以下3 段加以描述 r 酽 2 s o 一 E c o 2 e 2 0 o 0 0 0 2 K 2 K 1 P J v h 3 乙2 磊甄磊0 瓦 5 军忑 4 诼万r 湎刈 D I D s i刈川丛 式中 K 代表考虑约束所引起的混凝土强度增加系数 0 0 0 2 K 是相心的峰值应变 Z 是应变软化段斜率 尸 是混凝土圆柱体抗压强度 以M P a 计 f y h 是箍筋的屈 服强度 以M P a 计 D 是体积配箍率 h7 是从箍筋外 边缘算起的核心混凝土宽度 s h 是箍筋间距 星 善 R 韬 0 0 0 2o 0 0 0 0 0 0 20 0 0 40 0 0 6 o 0 0 8 0 0 1 0 0 0 1 20 0 1 4o 0 1 6 应变 圆形 3 14 6 26 3 01 4 90 76 1 048 7 70 0 7 2 矩形3 54 2 46 1 01 0 60 65 5 0 3 2 527 0 0o 2 2 5 图4C o n cr e t e 毗应力 应变滞回关系 B I t E 纤维单元的塑性铰单元长度L 和线弹性杆 隐 4 S t r e s 蚓r a inh y s t e r C d cC U lt 懈o fC o n cr e t a r 2 单元的等效刚度E f 分别按文献 8 葙关规定计算 3 3 钢筋本构模型 4 2 公路交通科技第2 7 卷 钢筋在反复荷载作用下的本构关系对桥墩滞回曲 线的模拟有重要影响 选择合理 恰当的钢筋应力一应 变滞回模型是较可靠地模拟钢筋混凝土桥墩非线性滞 回反应的关键 由于在试验过程中有纵筋屈曲或拉断 的现象 且加载后期桥墩有明显的强度和刚度退化现 象 因此 在纤维单元模型中 钢筋采用M o h le K u n n a t h 钢筋模型 2 该模剂建立在C h a n g 和M a n d e r 1 0 所提 出的等向强化钢筋模型基础上 可以考虑钢筋的 B a u s ch in g e r 效应 低周疲劳效应 循环加载过程中的强 度 刚度退化 以及准确预测钢筋的断裂 其应力一应变 滞回关系如图5 所示 图5M o h le lC a u m a m 模型应力 应变滞回关系 5 S t r e s s s t r a inh y s t e r e t iccllr v cs0 f M o h le K t n m 血m o d e l 3 4 仿真计算结果 采用O p e n s e e s 中B H E 单元建立桥墩滞同分析的 纤维单元模型 对所选取的试验墩柱进行仿真计算 以 位移控制进行滞回加载 计算得到的桥墩骨架曲线 滞回曲线及其与试验结果的对比 如图6 和图7 所示 1 5 0 蚕 7 5 主0 覃一7 6 1 5 0 一5 侧向位移 m m a 圆形墩 侧向位I T r a m b 矩形墩 图6 桥墩骨架曲线的对比 隐 6o m 驴I 胁l 0 fp ie r 蛔d b 呲C U l M 从图6 可以看出 圆形墩和矩形墩骨架曲线的计 算值与试验值较为吻合 对比桥墩的极限承载力可以 发现 计算误差均在6 以内 见表3 在桥墩加载后期阶段 试验结果显示随着侧向位 移的增大 荷载循环次数的增多 塑性铰区混凝土压碎 脱落 纵筋屈曲 断裂 桥墩侧向承载力及刚度不断降 低 从图7 的对比可以看出 数值模拟的结果有效地体 1 蚕 较 星 霹一 1 翻向位移 m m a 圆形墩 侧向位移 r a m b 矩形墩 图7 桥墩计算滞回曲线与试验结果的对比 7C I 朋岬晡s 蚰o fca lcu la t e dh y s t e r e 位 cllr v 姻w it ht e s tr e d is 裹3 桥墩极限承载力对比 T a b 3G 咖叩伽蠡o no f 嘶ru lllm a t eb e a r in gca p a cit ie s 注 表中数字为正负方向绝对值的平均值 现了这一过程 与考虑低周疲劳效应的M o h le K u n n a t h 钢筋模型相比 采用常用的双线性钢筋模型或G iu f f e r M e n e g o t t o P in t o 钢筋模型并不能体现这一现象 o 同 时 在计算过程中发现 桥墩侧向承载力迅速降低 时 通常对应着钢筋的突然断裂 可见 钢筋的滞回 特性对钢筋混凝土桥墩的退化特性是莺要的 而钢筋 的断裂将导致桥墩承载力及其耗能能力的突然下降 因此 可靠的钢筋模型对桥墩在反复加载过程中刚 度 强度退化现象的模拟亦较为重要 由计算结果与试验结果对比可以看出 所建立的 纤维单元模型对圆形桥墩和矩形桥墩的骨架曲线及其 滞回曲线都有良好的模拟效果 4 结论 汶川地震中 桥梁墩柱受到了较为严重的破坏 通过桥墩的非线性全过程仿真计算分析 有助于获得 对桥墩从受荷 开裂商至破坏过程的全面认识 本文 采用O p e n s e 瞄中的B H E 纤维单元模型分别对一个圆 形钢筋混凝土桥墩和一个矩形钢筋混凝土桥墩的拟静 力试验结果进行了仿真计算 并将计算结果与试验结 果进行比较 得到如下主要初步结论 1 要较好地模拟桥墩在反复加载过程中刚度 强度退化现象 则应有效地体现钢筋的低周疲劳效应 和断裂破坏 2 采用C o n cr e t e 0 2 混凝土模型和M o h le K u n n a t h 钢筋模型建立的纤维单元模型 对圆形桥墩和矩形桥 墩的骨架曲线及滞回曲线都有良好的模拟效果 3 从本文桥墩的计算结果来看 文献 8 所 爹 匿 罗再藿 第4 期 宋国森 等 单柱墩拟静力试验仿真计算案例 4 3 规定的塑性铰长度和等效刚度的计算方法是匹配的 已能满足桥墩强物理非线性计算的需求 C o n f in e dC o n cr e t e 蹦d 舻C d u n 舳 P E E R1 9 9 8 0 1 R B e r k e le y C A P a cif icE a r d l诎E I lg iI 嘁R e s e a r chC e n t e l 2 0 0 0 参考文献 7 重庆交通科研设计院 墩柱模型抗震性能试验研究报 篓人置黄絮昙交学耋苎蓼 裂I l地震公路震害调查竺 I lI 裔 C o n m m n ica t io n s R e 研s e a 唱r ch c 一D e s n ig i伽n6 I 啷n s t it u R t e C o 呐 图集 M 北京 人民交通出版社 2 0 0 9 一 口 一 D 一 一 P j Q 1 ill鬯 o f T r a n s p o r t 黑A n 鼍H i棚凳8 I s 中华天民共和国交通运输森 鹏仃B 吆 o l一2 0 0 s 蝴 哦D a 胧I g e s inw 8 m m 舳E a n h q 岫k e M B e ij iI lg 嘶豫 桑击震设计细面 s j i豪