桥墩关键截面弯矩曲率分析的非线性方法

桥墩关键截面弯矩曲率分析的非线性方法

通过对混凝土桥墩抗疲劳防滑性能的研究，计算了桥墩的重要段的弯曲曲线，并确定了弯曲曲线的曲线。得到该段的延展性能力非常重要。应该引起注意的是抗震的截面分析是针对固定截面的,而实际情况下桥墩的破坏是在一个区域内(塑性铰区)发生。另一方面,构件的延性是在反复循环载荷的条件下的延性,但是一般的弯矩曲率分析软件(例如UCfyber)基于计算力学的有限单元分析,并不能考虑钢筋混凝土在反复载荷作用下的损伤累积裂纹扩展等内容。那么能否用此类的分析软件的分析结果来替代实际反复载荷作用下的构件的弯矩曲率曲线,就成为抗震分析逻辑中十分重要的一环。由重庆交通科研设计院主持承担的西部交通科研项目“桥梁抗震性能评价及抗震试验加固技术”包含了大量的桥梁抗震的模型试验内容。作者对于大量试验墩进行了拟静力试验,获得了弯矩曲率的试验曲线,也对这些桥墩模型的关键截面弯矩曲率进行了计算分析,本文将通过对试验曲线和计算曲线的对比,说明在抗震截面分析中应注意的事项。1试验设计与试验过程1.1结构模型参数为了增强试验的针对性和普遍性,试验中桥墩原型来源于云南省震区高级公路和一级公路上的28座现役桥梁。根据对28座现役桥梁的统计分析,决定试件截面采用矩形实心形式,截面尺寸取原型的1/5,主筋配筋率与原型一样取0.63%。截面的具体参数列于表1,具体形状见图1。对混凝土桥墩的抗震性能,国内外学术界和工程界普遍认为轴向压力和箍筋配置对延性的影响至关重要,所以确定箍筋率和轴向压力(轴压比)为主要研究因素。另外,由于采用集中力加载,墩高决定了试件材料承受的弯矩和剪力的相对大小,也对试验结果有明显的影响,由此设计了在不同的墩高、轴压比和箍筋率下的4个钢筋混凝土桥墩模型,其具体参数见表2。1.2试验过程1.2.1荷载作用下的破坏情况对桥墩模型进行拟静力试验,就是要对地震中桥墩的受力点(桥墩顶部)施加反复作用的载荷,以模拟桥墩在地震载荷作用下的破坏情况。为保证试验过程中轴力恒定使用稳压千斤顶和精轧螺纹钢控制对试件施加的轴向力。具体试验装置如图2所示。试验采用4根精轧螺纹钢将试件固定在反力地板上。在试验中,要求将试件底座紧紧锚固在反力地板上,以模拟实际桥墩与墩台固接的情形,计算最小所需的锚固力列于表3。1.2.2加载方案(1)试件位移水平水平力(即侧向力)加载制度采用变幅变位移加载方式,加载波形采用三角波。采用不同的位移水平加载,每个位移水平包含3个连续的三角波,三角波的最大值代表了当前的位移水平,各个位移水平代表值列于表4。试件破坏后则试验自动终止。试件破坏的标志为试件的承载能力下降到最大承载能力的85%以下,或钢筋被拉断,或混凝土大面积被压溃。水平力加载采用英国ServoTest公司的DCS系统控制25t的作动器进行,其位移控制精度为0.1mm,满足试验精度的要求。加载速率,位移水平小于70mm时为1mm/s,位移水平大于70mm时为2mm/s。(2)墩顶轴力波动轴向力采用自适应油压千斤顶加载。在试验过程中,要求轴向力恒定,但是由于在试验过程中,随着墩顶受力,墩身会发生弯曲,导致加力精轧螺纹钢长度发生变化,从而引起墩顶的轴力发生波动。为防止轴力过大波动,试验采用了2台自适应油压千斤顶,将轴力的变化控制在1kN以内。所需的轴向力和轴力波动控制目标列于表5。1.2.3试验结果表明，自适应弯曲误差的分辨率(1)塑性铰区平均应变计算本试验中,采用拉线传感器测试塑性铰区的总变形量,然后根据塑性铰区的应变处处相等的理想塑性假设求得塑性铰区的平均应变,根据材料力学的几何关系,可以得到塑性铰区的曲率:ε=ΔlL(1)μ=1ρ=εy(2)ε=ΔlL(1)μ=1ρ=εy(2)其中ε——塑性铰区平均应变;Δl——拉线传感器测得的位移变化量;L——拉线传感器标距;μ——塑性铰区平均曲率;y——以中性轴为原点的测试面高度。(2)．弯矩的计算根据DCS系统测得的墩顶力,可以得到试件所受弯矩:M=p·he(3)其中p——墩顶水平力;he——计算加载高度。采用每个位移水平的曲率和相应的弯矩可以得到试件的弯矩曲率曲线。1.3顶位移水平的弯矩和塑性铰区平均转化率根据试验获得的数据和公式(1)、(2)、(3)分别计算1、2、3、4号墩柱模型各个墩顶位移水平的弯矩和塑性铰区平均曲率,结果分别列于表6、表7、表8和表9。2计算和分析rcf2.1参数选择通过UCFyber计算可以得到各个墩柱截面的弯矩曲率曲线,表10,11,12列出了输入数据。2.2墩底截面的确定对于试验桥墩试件,由于墩底承受的弯矩最大,塑性铰区将出现在墩底,所以计算截面也选择墩底截面,计算结果与试验结果一起分别示于图4、图5、图6和图7中。3延性能力分析从图4、图5、图6、图7中的试验结果与计算结果比较可以得出以下结论:(1)试验得到的最大弯矩比计算得到的弯矩普遍偏大,具体结果见表13。从以上数据可以看出,计算值基本反映了试件抗弯能力,用截面分析的方法计算墩柱的抗弯能力是可信的。试验值与计算值之间的差异,可以从以下两点考虑:①计算模型没有考虑受拉区混凝土的作用,可能导计算值偏低;②计算模型没有考虑试件在反复载荷作用下的损伤累计,可能导致计算值偏高。(2)截面分析夸大了试件的延性能力。除了线弹性阶段外,在同一弯矩时,试验得到的曲率远低于计算的曲率。在理想情况下,试验和计算在最大弯矩这个状态下应该是对应的,但是从表14的数据可以看出:计算曲率基本上是试验曲率的2至3倍。产生这样的结果主要是由于试验获得的曲率并不是墩底截面的曲率,而是试验墩塑性铰区的平均曲率,而墩底承受的弯矩最大,显然其曲率要大于塑性铰区的平均曲率。塑性铰区的平均曲率的大小,还与塑性铰区的曲率分布有关,而关于塑性铰区的曲率分布还有待进一步的研究。4评估处理率曲线从本文的分析可以得到以下结论:(1)计算得到的弯矩曲率曲线反映了塑