钢筋混凝土空心矩形桥墩振动台试验

2018-09-13申彦利谷少康

建筑科学与工程学报 2018年5期

申彦利，谷少康

(河北工程大学土木工程学院，河北邯郸 056038)

0 引言

随着中国基础交通设施建设的迅猛发展，高耸桥墩的应用越来越广泛，高耸桥墩中空心截面占据了相当大的比重。桥墩是地震作用中整个桥梁系统的主要抗侧力和耗能构件，桥墩的安全与否关系到整个桥梁系统的安全性能，而中国规范中对空心截面桥墩的设计未作明确的规定，在实际设计中多采用实心截面的设计原则，对于空心矩形桥墩缺乏系统的研究，因此研究空心矩形截面桥墩抗震性能就显得特别迫切。

目前国内外对于桥墩的研究以实心截面居多，艾庆华等[1-2]设计制作了圆形和矩形实心桥墩，并对其进行了振动台试验，对桥墩的抗震性能进行了讨论，验证了基于位移的设计方法可行性；Matthew[3]根据美国规范制作了足尺圆形截面桥墩，通过振动台试验验证了美国规范的安全性。中国关于空心矩形桥墩的研究大多采用拟静力试验方法。杜修力等[4]对12个矩形空心桥墩进行了拟静力试验，比较了轴压比、配筋率等对桥墩抗震性能的影响，并建立了桥墩截面恢复力曲线关系；蒋丽忠等[5]对10个大比例空心桥墩进行了低周往复试验，讨论了墩高、轴压比等因素对墩柱延性的影响。然而拟静力试验会忽略混凝土应变率对结构抗震性能的影响，不能真实地反映结构在动力荷载作用下的振动响应，国内外对于空心矩形桥墩的振动台试验研究几乎没有，因此通过振动台试验研究地震作用下钢筋混凝土矩形空心桥墩的抗震性能具有十分重要的意义。

考虑实验室加载设备等因素的影响，本研究以某工程桥墩为原型，设计制作2个缩尺比例为1∶8的钢筋混凝土空心矩形桥墩模型试件，2个桥墩均具有较高的配箍率，在河北工程大学振动台上进行试验，研究它们的破坏形态以及抗震性能，并用大型通用有限元软件ABAQUS建立空心矩形桥墩有限元模型，通过将计算值和试验值进行对比分析，验证了有限元模型的可行性。

1 桥墩振动台试验

1.1 试件设计

本试验桥墩的原型高度为11.5 m，综合考虑实验室振动台性能以及实验室场地条件等因素，试验取几何相似比为1∶8，根据模型设计的一致相似律原理[6]，利用相似表达式，求出本试验中其他相似比，主要相似比见表1。

表1 相似比Tab.1 Similarity Ratio

注：lm,lp分别为模型结构与原型结构长度；Em,Ep分别为模型结构与原型结构弹性模量；mm为模型质量；ma为模型中设置的人工质量；mom为模型中活载和非结构构件的模拟质量；mop为原型中活载和非结构构件的质量；mp为原型结构构件的质量。

1.2 模型概况

本试验主要研究矩形空心桥墩抗震性能，模型严格按照相似比制作了2个桥墩模型，模型高度均为1.44 m，采用不同的配箍率，且配箍率均为高配箍率，墩柱模型混凝土强度等级为C20，纵向钢筋为φ8，箍筋采用直径为4 mm的镀锌铁丝；模型底座采用同等强度的混凝土，纵筋采用φ16，箍筋采用φ8。模型试件参数见表2，墩柱配筋及尺寸如图1所示。

表2 桥墩试件详细参数Tab.2 Parameters of Pier Specimens

1.3 配重箱设计及配重

本试验采用人工质量模型模拟上部结构自重以及活载，由重为200 kg的配重箱及3 300 kg内置铁块来实现。配重箱由5 mm厚的Q235钢板焊接而成，其尺寸为1 000 mm×1 000 mm×700 mm。配重箱内部焊接一个尺寸为300 mm×250 mm×230 mm的矩形套筒，便于实现配重箱与混凝土墩柱顶部预埋螺栓的固定连接，配重箱的焊缝处均采用角钢加固，内部在加载方向焊接2块钢板，钢板高度与套筒相同，以增强其刚度。

1.4 荷载工况及测点布置

试验选用El Centro波、Taft波、人工兰州波为振动台台面激励，其持续时间压缩为原波形时间长度的35.3%。为了测量桥墩动力特性参数，在每级工况前后，均采用峰值为0.035g(g为重力加速度)的白噪声对桥墩模型进行扫描。试验荷载工况根据设计选定，可根据试验实际情况适当增加加载工况，荷载工况如表3所示。本试验采集系统为东华动态信号采集分析系统。在桥墩底座和墩顶各布置一个加速度和速度传感器，用于记录模型试件的加速度和速度响应。

2 试验结果

2.1 试验现象

M1和M2试件的试验现象见表4。在完成试验设计的工况加载后，对M2试件增加了烈度为1.2g的地震作用，M2试件底部仍没有明显混凝土剥落，竖向承载力未丧失。由于M1试件具有较高的配箍率，对混凝土具有较好地约束作用，M1试件裂缝间距相对M2试件较小。M1与M2在加载方向裂缝数量较少，与加载方向垂直的一侧裂缝数量较多，由于在浇筑桥墩模型时，模板在垂直度方面存在一定误差，因而桥墩试件有稍微倾斜，故一侧混凝土受拉而产生较多开裂裂缝；在受压一侧，振动过程中产生的裂缝可能由于受压而闭合，因而相对较少。试验后试件裂缝分布如图2所示。

2.2 加速度和位移响应

M1和M2试件墩顶加速度极值如图3所示。从图3可以看出：M1和M2墩顶加速度反应整体呈增加趋势，在相同工况作用下，El Centro波加速度反应极值最大，Taft波和人工兰州波无明显差别。M1和M2试件相比较加速度极值相差不大。试件的位移响应时程由速度传感器采集数据积分求得，墩顶位移极值如图4所示。由图4可知，M1和M2试件顶部位移反应随加速度峰值的增加而逐步增大，3条地震波之间，相同工况作用下，人工兰州波顶部位移反应极值最小，其他2条波位移极值交替上升无明显规律可寻。M1和M2位移极值相差不大。

表3 试验荷载工况Tab.3 Test Load Conditions

表4 M1和M2试件的试验现象Tab.4 Experimental Phenomena of M1 and M2

2.3 动力放大系数

动力放大系数为试件绝对加速度反应的最大值与输入地震动加速度的最大值之比，不同峰值加速度作用下动力放大系数如图5所示。从图5可以看出：M1和M2动力放大系数随输入峰值加速度的不断增加呈递减趋势，动力放大系数在相同峰值加速度作用下，按照El Centro波、Taft波和人工兰州波的顺序依次降低，其中人工兰州波的最小，El Centro波的最大。

3 ABAQUS有限元模型结果与试验结果对比

随着计算机硬件和软件的高速发展，有限元数值模拟软件也有了长足的发展，具有代表性的软件有ABAQUS，ANSYS等。ABAQUS能够驾驭非常庞大的高度非线性问题，具有种类丰富、可模拟任意几何形状的单元模型，并拥有各种类型的材料模型，可以模拟各种典型工程材料，例如钢筋、钢筋混凝土等，而且具有强大的计算功能和广泛的模拟能力[7-11]。ABAQUS无论对于简单的线弹性问题，还是由不同材料、不同接触条件组合而成的非线性动力问题，均可以计算得到令人满意的结果[12]。

3.1 模型建立

本文基于大型通用有限元软件ABAQUS建立了M1和M2试件的有限元模型，混凝土采用塑性损伤模型，单元类型为实体单元，钢筋采用桁架单元，输入与试验相同的地震波，并将地震波按照试验时间相似比进行压缩；在模型底部添加固定约束，释放x方向约束，添加加速度荷载。ABAQUS有限元模型以及网格划分如图6所示。

3.2 墩顶绝对加速度计算值和试验值对比

本文将试验中加速度传感器采集的加速度时程曲线和ABAQUS有限元软件计算得到的墩顶加速度时程曲线进行对比，由于篇幅限制，在此列举M1和M2试件在峰值加速度为0.75g的El Centro波作用下加速度试验值和计算值的对比结果，见图7。从图7可知，试验值和计算值曲线变化规律基本一致，并且峰值加速度出现的时间也大致相同，试验值略大于计算值，计算值和试验值时程曲线吻合良好。

3.3 墩顶速度计算值和试验值对比

本试验在桥墩试件顶部布置了速度传感器，未布置位移计，位移时程由速度传感器采集数据积分得到，因此本文用速度传感器采集的数据与有限元计算结果进行对比，在此选用M1和M2试件在峰值加速度为0.75g的El Centro波作用下速度试验值和计算值进行对比，结果见图8，从图8可以看出：试验值和计算值变化规律一致，由于配重箱的松动，导致试验值略大于计算值，两者峰值出现时间基本一致，相差不大，在允许的范围内，可以接受。