弯扭作用下rc圆形桥墩滞后性能试验研究

弯扭作用下rc圆形桥墩滞后性能试验研究

rc桥墩抗震性能及延性能力这座桥是桥结构中容易受伤的损坏的一个组成部分。规则桥的钢筋混凝土（rc）码头的压力状态通常主要是轴压、弯曲和剪切的。因此，对大桥抗疲劳性能的研究主要集中在抗弯状态下的桥桥故理、分析模型和相应的抗疲劳结构措施上，这对规则桥是合理和适用的。但是对不等高桥墩或不等跨的斜梁桥和曲线桥梁等非规则桥梁,其受力状态更为复杂,地震作用下,斜交梁桥由于桥梁上部结构的碰撞导致桥墩的扭转作用,曲线梁桥由于曲率的存在,上部结构的重心偏离桥墩,附加弯矩作用明显,同时还要产生扭矩。在地震作用下,斜交桥梁和曲线桥梁等非规则桥梁的桥墩通常遭受的是压、弯、剪、扭复合作用的复杂受力状态,而且由于多维地震作用、场地运动以及桥墩约束限制等都会产生多种效应的耦合,都会导致桥墩在压弯剪扭复合作用下产生复杂的失效模式。2008年的汶川地震中就有很多斜梁桥和曲线梁桥的RC桥墩受到了严重损伤甚至倒塌破坏,汶川地震中绵州市回澜立交桥匝道桥墩损伤破坏如图1所示。因此,有必要开展RC桥墩在弯扭复合作用下的抗震性能研究。目前,对RC桥墩的压弯、弯剪性能已经进行了广泛深入的研究,有一些精确合理的模型用来预测地震作用下RC桥墩的反应。而对RC桥墩在弯剪扭复合作用下抗震性能的研究却很少,Tirasit和Kawashima,Otsuka,Belarbi等等对矩形和圆形截面RC桥墩的抗震性能进行了试验研究,分析了箍筋间距等参数对其抗震性能的影响,揭示了RC桥墩破坏模式和变形特性,并给出了其非线性扭转滞回性能预测模型。我国现役圆形RC桥墩材料性能、构型和配筋率等与上述研究情况有所不同,在公路桥梁抗震设计细则里,RC桥墩抗震性能和分析模型是基于规则桥梁RC桥墩来确定的,即基于压弯状态下单向循环试验为基础的,抗震设计是根据RC压弯构件来考虑的,并配以适量箍筋以防止剪切破坏发生。这对规则桥梁的RC桥墩的抗震设计是合理的,但是斜交梁桥和曲线桥梁等不规则桥梁的RC桥墩,在多维地震作用下,处于压弯剪扭相互作用的复杂受力状态,对其进行抗震分析和设计中还应考虑扭转效应。压弯扭复合作用下RC桥墩的抗震性能及延性能力如何,采取什么样的计算模型来模拟桥墩扭转作用以及抗震构造措施减小扭转作用的影响,都需要进行试验研究才能够确定。本文采用了现役实际桥梁工程中RC圆形截面桥墩的1/3缩尺模型,对12个RC圆形桥墩在恒定轴力和弯曲、纯扭和弯扭复合作用下进行了循环荷载试验研究。并基于试验结果,建立了弯扭复合作用下圆形截面RC桥墩的弯曲恢复力模型和扭转恢复力模型,用于预测多维地震作用下弯扭相互作用影响的RC桥墩的地震反应。1试验计划1.1桥墩的设计参数为了研究弯扭复合作用下RC圆形桥墩的性能,并给出考虑弯扭相互作用的滞后分析模型,本试验基于我国常见的RC圆形桥墩及其横截面横向钢筋构型,试件模型桥墩和实际桥墩截面尺寸比为1/3,原型桥墩和试验体模型桥墩的截面尺寸分别为1200mm和400mm,桥墩的计算高度(水平加载线到桥墩基础顶面)分别为4.8m和1.60m。试件特性如表1所示,箍筋间距分别为40mm、50mm和60mm时,桥墩的体积配箍率分别我0.005、0.006和0.0075,均满足公路桥梁抗震设计细则里塑性铰区域最小体积配箍率不小于0.004的要求。图2为试件体桥墩尺寸及配筋,图3为试件体桥墩和试验加载。1.2竖向轴压加载试件加载装置如图4所示,同一个方向采用两个规格相同的作动器(出力±500kN,行程±200mm),并在每个水平作动器对应的中心位置布置滑动式位移传感器。竖向轴压荷载由倒挂的100t液压千斤顶通过球面铰传递给墩顶,加载过程中根据轴压比施加恒定的轴力230kN或460kN。试件基座通过螺栓固定在刚性地板上。1.3弯扭复合作用的施加试验过程中采用位移控制,弯曲荷载和扭转荷载分别通过侧向位移和扭转角施加,加载制度如图5所示。弯曲作用和弯扭复合作用是通过图4所示的两个水平作动器产生的,纯弯曲作用是通过两个水平作动器施加相同的侧向位移产生的,纯扭转作用是通过两个作动器施加大小相同方向相反的位移产生的,而弯扭复合作用是通过两个作动器施加不同大小的位移产生的;加载过程中,两个作动器的位移同步匀速施加。为了控制弯扭复合作用的水平,本文采用Tirasit和Kawashima定义的无量纲参数转角-侧移率(Rotation-DriftRatio)r,称之为扭弯比,r的定义如下:式中:θ为桥墩的转角(rad);Δ为桥墩水平方向的侧移率。为了和弯扭复合作下用RC圆形桥墩的滞后性能恢复力模型结合起来,这里列出了试件体S1~S5的弯扭复合作用水平和每一级加载的位移,分别如图5和表2所示。2弯扭比为了和弯扭复合作下用RC圆形桥墩的滞后性能恢复力模型联系起来,这里主要分析弯扭比对试验桥墩的破坏特征及滞回性能影响。随着扭弯比的增大,试件逐渐由弯曲破坏变为以扭转破坏为主,r=0.5和1时以弯曲破坏为主,r=2和4时以扭转破坏为主;试件破坏区域的长度随着扭弯比的增大而增加,破坏区域的长度S1为200mm,S3为250mm,S4为300mm,S5为400mm,S2为500mm。即桥墩的变形特征和失效模式发生了改变,损伤破坏区域要高于弯曲塑性铰长度区域。不同扭弯比作用下桥墩的破坏区域如图6所示。钢筋混凝土桥墩潜在塑性铰区域配置足够的横向钢筋,可以约束塑性铰区域内核心混凝土以提高混凝土的抗压强度和延性,提供抗剪能力以及防止纵向钢筋大应变时的屈曲变形。各国现行规范都对延性桥墩的塑性铰区长度作了明确的规定,但是这些塑性铰区域的长度的规定主要考虑弯曲作用,而没有考虑扭转作用对塑性铰区域长度的影响。一般来说,桥墩在地震作用下实际破坏区域长度要在规定塑性铰区域长度规定范围内,按照JTG/TB02-01—2008和AASHTO计算得到的本次试验桥墩模型在弯曲作用下的塑性铰区域的长度分别为500mm和457mm,试验过程中桥墩在单向弯曲加载下破坏区域的长度为200mm。扭弯比r=4时,试验桥墩的破坏区域长度为400mm,比在弯曲加载时的破坏区域的长度大了一倍。因此,建议对于在强震区,可能遭受到弯扭复合作用的桥墩,其塑性铰区的长度可以适当提高0.5~1倍。试件S1、S2和S3的滞回曲线分别如图7~图9所示;试件S1~S5的骨架曲线如图10所示。可以看出,在只有弯曲作用时,桥墩的峰值荷载大,并且正反两个方向荷载及位移的变化是对称的;随着扭弯比的增大,正反两个方向的峰值荷载都随之减小,并且反向荷载降低的程度要比正向大,这主要是由于螺旋箍筋反向旋转时减弱了对核心混凝土的约束作用。同样,随着扭弯比的减小,桥墩的抗扭承载力降低;由于螺旋箍筋的“解锁”作用,在相同转角的情况下,正向的抗扭承载能力比反向的要大。3应用折线型恢复力模型目前应用的弯曲恢复力模型可分为光滑曲线型和多线型两大类。光滑曲线型以Bouc-Wen模型及其改进模型最为常见,能较好考虑RC桥墩的强度、刚度退化以及捏拢效应等,但参数太多,不方便应用。折线型恢复力模型简单实用,应用广泛。常用的多线型模型有:二折线型模型和三折线型模型,但是二折线和三折线模型很少考虑捏拢效应,而试验结果发现桥墩在弯曲或弯扭复合作用下的弯曲滞回曲线存在明显的捏拢效应。Ozcebe等基于试验结果建立了考虑捏拢效应的钢筋混凝土构件的剪切恢复力模型,Xu和Zhang在此基础上建立了多折线弯剪滞回模型。本文在前两者研究的基础上,基于试验结果,建立了弯扭复合作用下考虑捏拢效应的钢筋混凝土圆形桥墩(螺旋箍筋)的弯曲恢复力模型。3.1初始刚度和退化刚度根据图10(a)所示的骨架曲线及相关的试验数据可以把桥墩的骨架曲线理想化为如图11所示的四线型模型:弹性阶段,开裂至屈服阶段,屈服阶段,软化阶段。模型在加载到开裂荷载是弹性的,相应的开裂位移是,初始抗弯刚度为;达到屈服位移时相应的屈服力为,并且达到退化位移之前这个力是不变的;在达到退化位移时,桥墩的侧向力开始以刚度退化至破坏力为屈服力的80%,相应的极限位移为。初始刚度和退化刚度的定义如下:式中:Leff为桥墩的有效高度;为侧移率。模型中的参数都是由试验数据拟合得到的,其中正向加载的参数用X+表示,负向加载的参数用X-表示。由试验结果可知,桥墩的反应和r有很大关系。根据回归分析,桥墩基于r的位移和侧向恢复力是相关的,并且正向加载和反向加载时侧向力的降低程度是不一致的。如图12所示,弯扭复合作用下,圆形桥墩正向和反向的侧向力随着r增加而降低,这种关系近似为:如表3所示,开裂位移,屈服位移,侧向恢复力开始退化时的位移,极限位移,都随着r的增加而降低。它们近似为:式中:Δy为桥墩在循环弯曲荷载作用下的屈服位移。方程(10)~(17)给出了一个和试验结果很吻合的拟合公式。为了利用这个模型,需要估计只有弯曲作用时桥墩的开裂荷载Fc、开裂位移Δc、屈服力Fy、屈服位移Δy的值。Fc为混凝土主拉应力等于时的荷载,Fy可以通过理论分析得到。因此,Δc和Δy可以通过式(2)、式(3)、式(18)和式(19)求出。{HJ式中:Ec为混凝土弹性模量;Itr为混凝土桥墩的截面惯性矩。在括号里的部分表示悬臂柱的弹性抗弯刚度。α是基于墩柱单轴循环加载试验的相关系数,它的值是0.167。r值已知时,桥墩在弯扭复合作用下的弯曲骨架曲线可以通过式(5)~(17)计算得到。3.2装卸刚度的计算如图13(a)所示,为开裂点与初始加载点之间的斜率,如式(2)所示;为屈服点与反向开裂点之间的斜率。卸载规则如下:(1)开始卸载时的力不超过开裂荷载时,并且正反两个方向均没超过,则卸载曲线沿着骨架曲线。(2)如果一个方向的力超过了开裂荷载,但没有超过时,卸载刚度为:(3)如果一个方向的力超过了屈服荷载,则卸载至荷载时的刚度和荷载后的卸载刚度分别见式(21)和式(22),的定义见式(23)和式(24)。式(22)~(24)是基于试验结果拟合得到的,恢复力模型中的值与试验值的比较如图14所示。3.3加载方向的影响根据Ozcebe恢复力模型和本文不同扭弯比桥墩滞回特征的分析,加载和再加载规则如下:(1)初始加载时加载曲线沿着骨架曲线,荷载没超过开裂荷载时,加载和再加载曲线均沿着骨架曲线。(2)如果一个方向的加载荷载始终没超过开裂荷载,则再加载曲线仍然沿着骨架曲线,即使先前反向加载时的荷载已经超过了弹性变形范围。(3)如果一个方向的加载荷载超过了开裂荷载,则再加载时先从零荷载按直线加载至点;加载至点后,按通过点的直线加载至骨架曲线或加载至加载位移;加载至骨架曲线后,沿着骨架曲线加载至加载位移。的定义见式(25),的定义见式(26)~(28)。式(25)是基于本次试验结果拟合得到的,滞回模型中的值与试验值的比较如图15所示。式中:为加载方向上的最大位移;为骨架曲线上对应于最大位移的力;参数n表示在一个方向按当前最大位移加载时循环加载的圈数,第一次从当前最大位移卸载时,n取值为1,其后每次加载至最大位移范围卸载时,n的值相应的增加。当前的最大位移超过这个范围时,n的值重新取为1;当再加载的最大位移比这个范围小时,则不改变n的值。(4)如果卸载时没有卸载至零荷载时,则再加载路径按直线加载至先前加载时的峰值点(如路径Z→X,W→V)。4基于弯扭复合循环试验结果的扭转恢复力模型本文借鉴Tirasit和Kawashim建立矩形截面RC桥墩非线性扭转滞回模型的思路,并考虑到圆形和矩形截面RC桥墩截面构型和箍筋构造等不同,在弯扭复合循环试验结果基上,建立了圆形截面RC桥墩(螺旋箍筋)的扭转恢复力模型,并在模型中考虑了扭弯比r的影响。图16为扭转恢复力模型的骨架曲线,图18给出了模型各个参数的定义和相应的加卸载路径。4.1初始抗扭刚度与退化刚度弯扭复合作用下,理想扭转恢复力模型的骨架曲线如图16所示。假定桥墩达到屈服转角时是弹性的,相应的屈服扭矩为并且达到退化位移之前这个力是不变的,桥墩的初始抗扭刚度为;在达到退化转角时,桥墩的抗扭力开始以刚度退化至破坏力为屈服扭矩的80%,相应的极限转角为。扭转的初始抗扭刚度和退化刚度定义如下:由试验结果可知,桥墩的反应和r有很大关系。根据回归分析,桥墩基于r的转角位移和扭矩变化是相关的。如图17所示,在弯曲和扭转循环加载作用下,屈服扭矩随着r的增加而增加,在扭转荷载作用下扭力也随着r的增加而增加,这种关系近似为:如表4所示,在扭转循环荷载作用下随着r的增加而增加,并逐渐趋近于一个稳定的值。它们的值近似为:为了建立扭转原始曲线,需要估算扭矩Ty和屈服转角θy的值。Ty可以通过空间桁架计算理论、修正的空间桁架理论等计算得到。相应的,θy可以通过式(29)得到,其中初始抗扭刚度kT1如下式所示:式中:Gc为混凝土的扭转弹性模量;J为桥墩截面的抗扭弹性惯性矩。括号内的部分表示桥墩的弹性抗扭刚度。γ是试验数据的相关系数,值为0.681。4.2患者的滞回曲线如图18(a)所示,为初始加载点和屈服点之间的斜率。初始加载时模型是线弹性的(路径0-1-2-0)。如果加载扭转角超过了,则桥墩的滞回曲线遵循如下卸载规则:当从卸载点开始卸载时,先以卸载刚度卸载,卸载至荷载时以卸载刚度卸载至的定义分别如下:以上公式都是基于试验结果拟合得到的,滞回模型中与试验结果的对比如图19所示。式(41)中,当位移延性超过22.2时会出现负刚度,因此为了增加可计算的延性水平,可以用式(44)代替式(41),修改后的公式可以计算至位移延性至50.0。4.3参数n的定义(1)当加载扭转角超过了时,再加载时的路径指向上次循环加载时的点,相应的加载刚度为。再加载时按加载刚度加载至扭转角(如图13(b)中的路径10→11,16→17)。的定义见式(45)和式(46),的值见式(47)。式中:参数n是一个计数器,用来计量按当前最大转角连续循环加载的圈数。第一次加载到卸载时,n的值取为1。之后,按当前最大转角范围(1±0.05),再循环加载一次时,n的值也相应的增加1。当再加载至骨架曲线时,n的值重新取为1;当再加载的转角不大于时,不改变n的值。是转角为时对应的峰值扭矩。(2)加载至裂缝闭合位置后,加载曲线按线性加载,指向强度退化点,相应的加载刚度为。加载路径如图18(b)中的路径11→13,17→18。的定义见式(48)。式中,参数n的定义同式(45)。(3)按加载刚度加载至骨架曲线后,加载路径则沿着骨架曲线加载至目标加载位移,如图18(b)中的13→14。以上公式都是基于试验结果拟合得到的,恢复力模型中与试验结果的对比如图20所示。5循环加载值对比图21为建议的弯曲恢复力模型与试件S3(r=0.5)试验结果的对比;图22为建议的扭转恢复力模型与试件S2(r=∞)试验结果的对比。试验中每个位移荷载循环加载2次,这里取第一圈循环加载的值进行比较,图中N表示第N个荷载加载步。从图21和图22看出,本文所建议的恢