钢管混凝土格构柱墩抗震性能研究综述

陈盛富　欧智菁

(福建工程学院土木工程学院　福建福州　350007)



钢管混凝土格构柱墩抗震性能研究综述

陈盛富欧智菁

(福建工程学院土木工程学院福建福州350007)

简要介绍了国内外钢管混凝土格构柱墩的工程应用概况，总结了钢管混凝土格构柱抗震性能的试验研究、有限元分析、恢复力模型计算方法等研究现状及其成果，分析了各主要参数的影响规律，并以干海子大桥的四肢钢管混凝土格构墩工程为例，建立变截面钢管混凝土格构柱有限元模型，分析、比较了柱肢坡度、柱高、轴压比等参数对构件滞回性能影响规律。最后，对该专项研究提出若干建议。

钢管混凝土；格构柱；抗震性能；延性

1　概述

钢管混凝土结构具有承压能力高、结构刚度大、延性好、施工便捷等优点，广泛应用于钢管混凝土拱桥的拱肋、斜拉桥的塔柱、梁式桥的空间桁架组合梁等[1-3]。随着我国道路交通的不断发展，兴建了大量的跨线桥、立交桥、山区公路桥。钢管混凝土格构柱式桥墩凭借其截面尺寸小、变形能力和抗震性能好等特性，已成为颇具发展潜力的理想桥墩形式之一，特别在山区高墩、超高墩公路桥梁中具有广阔的应用前景[4-6]。

目前钢管混凝土柱式桥墩按截面形式可分为单肢柱墩和格构柱墩(以四肢格构柱为主)，其中格构柱墩按截面是否变化可分为等截面格构柱墩和变截面格构柱墩。本文旨在对钢管混凝土格构柱墩抗震性能方面的研究现状和研究成果作一个综述，可为钢管混凝土柱墩的工程应用和后续理论研究提供参考和借鉴。

2　钢管混凝土格构柱墩的应用概况

1879年建成的英国塞文铁路桥首次采用钢管混凝土柱墩[7]，1966年英国的阿蒙兹伯里立交桥也采用了钢管混凝土单肢柱墩[8]。此后将钢管混凝土结构用作桥梁柱墩的创新设计开始在世界范围内推广。除用于新建桥梁的柱墩，钢管混凝土还用于灾后桥墩的加固。在1995年阪神地震后，日本工程界采用内填混凝土的方法来加固钢桥墩[9]。

我国的钢管混凝土桥墩的发展起步较晚，从20世纪末开始，公路桥梁、城市立交桥中陆续出现采用钢管混凝土桥墩的工程实践。在西部山区，沟深坡陡河流湍急，多处于高烈度地震区，传统的钢筋混凝土桥墩由于抗震性能差，结构阻水面积大，已不适合采用。目前建成的几座高墩公路桥均选用相同承载力下可明显减小截面面积的钢管混凝土格构墩。表1列出了部分钢管混凝土格构柱墩的应用实例。其中，桥例2、3采用钢管混凝土复合柱墩，即在柱肢之间设置钢筋混凝土剪力墙，提高结构整体稳定性。桥例4则采用钢管混凝土混合柱墩，即在柱脚部分采用钢管混凝土复合结构，以钢筋混凝土腹板取代钢管混凝土格构柱中的缀管，一方面可参与承受轴压力，减小剪切变形的不利影响；另一方面提高结构的抗震能力。

表1　钢管混凝土格构柱墩的应用实例

表2　钢管混凝土柱墩的主要参数范围

整理表1的实桥数据，将各格构柱墩的长细比和主要材料参数列于表2(为便于比较，表2中同时列出了钢管混凝土单肢柱柱墩的主要参数范围)。由表2可知，当柱肢的长细比λ<40左右时，可采用单肢钢管混凝土柱墩，其钢管的钢材钢号及核心混凝土的标号相对较低；而当柱肢的长细比λ>40时，可采用双肢或四肢钢管混凝土柱组成的格构墩，其钢材及核心混凝土的材料强度相应较高。

3　钢管混凝土格构柱不同截面抗震性能研究

近年来，钢管混凝土格构柱在桥墩中的应用逐渐增多。国内学者陆续开展了不同截面形式和不同缀管布置方式的钢管混凝土格构柱极限承载力的试验研究和理论分析，对格构柱的受力性能、破坏模式和各参数的影响规律有了较充分的认识，探讨了相应的数值计算方法并对现有规范提出修改建议。总体来说，钢管混凝土格构柱静力性能方面的研究日趋成熟，而抗震性能和设计控制方面的理论研究还很薄弱。

3.1等截面钢管混凝土格构柱抗震性能研究

3.1.1试验研究

迄今为止，国内外对等截面钢管混凝土格构柱抗震性能的研究报道较少。1996年日本学者河野昭彦、松井千秋、崎野良比吕等人以加载方向、加载方法、有无核心混凝土等为试验参数，对双肢等截面钢管混凝土格构柱的滞回曲线、屈曲和变形能力进行试验和理论研究[10]。之后Kawano、Matsui等又以多层建筑中的钢管混凝土格构柱为研究对象，分析其在静力和动力作用下的结构响应，结果表明，钢管混凝土格构柱刚度大、承载力高、延性好，可应用于新型抗震系统[11-13]。

国内的相关研究近两三年才刚刚兴起。中南大学王海波、邓萱奕等以轴压比、混凝土强度等级和构件开洞方式为控制参数，开展四肢等截面K形缀管格构柱抗震性能试验研究，包括6个构件的拟静力试验和两个构件的拟动力试验[14]。研究得到的滞回曲线呈饱满的纺锤形，格构柱表现出良好的延性和耗能能力。构件的破坏首先表现为底部斜缀管与柱肢连接处发生撕裂，核心混凝土被压碎，最终局部破坏发展为面内弯曲的整体破坏。试验结果表明，轴压比(n)对格构柱的抗震性能的影响较大，随着n值地增大，构件水平承载力逐渐减小，延性及耗能性能降低；平行加载方向的开洞大幅降低了格构柱的延性和承载力，应避免采用这种设计。

在文献[14]的基础上，中南大学的罗瑶、蒋丽忠等以轴压比、长细比和缀管壁厚为试验参数，对6根四肢等截面K形缀管格构柱开展进一步的拟静力试验研究，分析各试验参数对构件延性、水平极限承载力、耗能性能及刚度退化的影响[15]。试验结果表明，等截面钢管混凝土格构柱具有良好的抗震性能，除长柱存在轻微捏缩外，滞回曲线形状均呈较饱满的弓形，试件的破坏表现为压弯剪破坏和压弯破坏两种形式。长细比对于格构柱的抗震性能有较大影响，随着长细比增大，滞回曲线形状更加饱满，屈服位移逐渐增大，水平峰值荷载逐渐降低。随着轴压比增大，构件的强度退化愈加明显，延性也随之减小。

福州大学吕银花、吴庆雄以干海子大桥的格构墩为研究背景，对7根四肢等截面平缀管格构柱开展低周反复荷载试验，分析柱肢混凝土强度、柱肢纵向间距和缀管竖向间距等参数对构件滞回性能的影响规律[16]。试验结果表明，各试件的滞回曲线均较饱满，骨架曲线下降段的坡度较缓，结构无明显强度退化，具有良好的延性和耗能性能；试件的破坏均发生在加载后期，由柱肢底部首先发生鼓曲并形成鼓曲环，接着柱肢出现明显的弯曲变形，最终试件发生整体压弯破坏；混凝土强度对格构柱滞回性能的影响较小，适当增大柱肢纵向间距或减小缀管竖向间距，可提高格构柱延性性能和水平承载力。

曹艳、陈伯望等进行了自密实方圆钢管混凝土四肢格构柱的拟静力试验对比研究[17，18]。结果表明，自密实钢管混凝土试件的延性系数均大于4，具有良好的延性性能；加载后期，方、圆钢管混凝土格构柱均在柱肢和缀管连接处发生撕裂，导致试件破坏；通过滞回曲线的对比分析，圆钢管混凝土格构柱比方钢管混凝土格构柱具有更好的抗震性能。

文献[19，20]对不同连接构造的钢管混凝土格构柱与组合箱梁的节点进行低周往复加载试验。试验结果表明，3种节点构造的滞回曲线均呈较为饱满的梭形，表现出良好的位移延性，满足结构的抗震要求。钢管混凝土格构柱作为试件的一部分，适用于大型组合结构工程。

3.1.2有限元分析和恢复力模型计算研究

中南大学王海波、邓萱奕等在试验研究基础上，选用ABAQUS有限元分析软件，对四肢等截面K形缀管格构柱进行数值模拟及参数影响分析[14]。研究发现，轴压比是影响格构柱抗震性能的重要参数，随着轴压比增大，构件的延性和耗能能力逐渐降低，建议轴压比的取值小于0.6。柱肢钢管内填混凝土的强度对格构柱的延性影响很小；含钢率只对构件弹性阶段影响较大，对构件延性几乎没有影响；开洞面对构件的影响随开洞位置不同而有较大差异。

中南大学罗瑶、蒋丽忠等应用大型通用程勋ABAQUS，对四肢等截面K形缀管格构柱进行有限元分析和数值计算，对试验中未考虑的参数如混凝土强度、肢管钢材强度、缀管钢材强度等进行拓展分析。文献[15]借鉴了韩林海提出的方(圆)钢管混凝土柱恢复力模型，对试验数据及参数拓展分析结果进行拟合，建立四肢等截面K形缀管格构柱水平荷载-位移恢复力函数。计算结果表明，建议采用的骨架曲线(三折线形式)和滞回曲线恢复力模型均与试验结果吻合良好，可在进行四肢等截面钢管混凝土格构柱动力分析时提供参考。

福州大学吕银花、吴庆雄等应用OpenSEES建立平缀管式等截面钢管混凝土格构柱的计算模型，在通过试验结果验证后，拓展分析了试件柱高、轴压比、柱肢纵向间距、缀管竖向间距、柱肢径厚比及材料强度等参数对格构柱滞回性能的影响。根据参数影响规律，借鉴钢管混凝土单肢柱的研究成果，提出采用三折线模型来模拟平缀管式等截面钢管混凝土格构柱的水平荷载-位移骨架曲线，并推导得到骨架曲线特征值(弹性刚度、水平峰值荷载、峰值荷载位移)的简化计算公式[16]。

周文亮、孙利亚等利用ANSYS对水平循环荷载作用下的等截面钢管混凝土格构柱进行有限元分析[21，22]。研究结果表明，随着柱肢高度的增加，试件的承载力及刚度显著下降；在适当范围内，增大含钢率可显著增大格构柱的承载力和刚度，材料强度和轴压比对格构柱的抗震性能影响很小。

周立利用Fortran Station 4.0软件编制了格构柱空间有限元分析程序，研究并对比了等截面钢管混凝土格构柱和钢格构柱的动力性能。结果表明，钢管混凝土格构柱的动位移远小于钢格构柱。随着钢管壁厚的增加，格构柱的刚度逐步增大，极限位移随之显著减小[23]。

3.1.3参数影响规律

结合以上文献，归纳各个参数对等截面钢管混凝土格构柱骨架曲线关键系数的影响规律，详见表3。

表3　钢管混凝土格构柱骨架曲线关键系数影响表

注：“↗”表示数值增大；“↘”表示数值减小； “—”表示数值无明显变化。

研究发现，轴压比、长细比、柱肢材料强度、含钢率等参数对于钢管混凝土单肢柱与等截面钢管混凝土格构柱有着相似的影响规律。而在格构柱特有的参数中，有如下影响规律：

(1)在一定范围内，随着柱肢纵向间距的增大，或柱肢长度、柱肢径厚比、缀管竖向间距的减小，构件的弹性刚度和水平峰值荷载均呈不同程度的增大。

(2)柱肢纵向间距、缀管竖向间距对格构柱的强度退化影响很小。随着柱肢长度的增大或柱肢径厚比的减小，骨架曲线下降段刚度逐渐减小。

(3)缀管钢材强度对等截面钢管混凝土格构柱的骨架曲线基本无影响。

3.2变截面钢管混凝土格构柱抗震性能研究

与等截面钢管混凝土格构柱相比，变截面钢管混凝土格构柱由于降低了柱身重心，能更好地隔离、吸收和耗散地震能量，因此在地质条件较差的地震区桥梁墩柱中具有广阔的应用前景[1-3]。目前西部地区高墩(超高墩)公路桥梁中应用较多的是变截面钢管混凝土格构柱。

3.2.1试验研究

在静力性能研究方面，福州大学的黄蕾等以长细比、偏心距及柱肢坡度为控制参数，进行了四肢变截面钢管混凝土格构柱的受压试验，并探讨了变截面钢管混凝土格构柱极限承载力的计算方法[24]。欧智菁等在考虑柱肢倾斜度、长细比等参数的基础上提出了变截面钢管混凝土格构柱稳定系数的计算方法，并与有限元分析方法进行验证，计算结果吻合较好[25]。

在抗震性能研究方面，2011年韩中周等参考风力发电机组塔架，设计了三肢和四肢变截面钢管混凝土格构柱模型，并分别进行拟静力试验研究[26]。研究表明，三肢柱模型滞回曲线不对称，正向部分的滞回环较大，四肢柱滞回曲线对称。但滞回曲线的形状均较饱满，无明显捏缩，具有良好的变形和耗能能力。对比两者的骨架曲线可知：三肢柱模型具有更好的变形能力，而四肢柱模型具有更好的承载力和刚度。该文献仅对变截面钢管混凝土格构柱在循环荷载下的变形能力、破坏形态等进行了初步分析，有关其滞回特性、延性机制和失效模式、关键参数的影响规律等有待深入研究。

3.2.2干海子大桥算例分析

以(地址控制性工程)干海子大桥9#格构墩为原型，(图1为干海子大桥格构墩示意图)改进文献[16]中有限元建模方法，采用大型通用程序OpenSEES建立变截面钢管混凝土格构柱有限元计算模型，以柱肢坡度、轴压比、长细比为变化参数，对变截面钢管混凝土格构柱抗震性能进行对比分析，并为工程实际提供优化建议。

将不同柱肢坡度格构柱的骨架曲线列于图2，结果表明：在小头尺寸不变情况下，柱肢倾斜度分别为1∶60、1∶40、1∶20的变截面钢管混凝土格构柱较之等截面钢管混凝土格构柱，水平峰值荷载分别增大了39%、58%、134%，弹性刚度则分别扩大了1.7倍、2.4倍、4.70倍。倾斜度越大的变截面格构柱具有更为优良的延性和耗能能力。

通过有限元计算结果，得到其他各参数对变截面钢管混凝土格构柱抗震性能的影响规律：随着柱高增大，构件水平峰值荷载不断减小，滞回曲线更为饱满；随着轴压比增大，构件水平峰值荷载逐渐减小，延性性能逐渐降低。因篇幅所限，各参数骨架曲线的对比图未在文中一一列出。

根据上述算例分析结果，对变截面钢管混凝土格构柱墩提出如下优化建议：

(1)柱肢倾斜度度越大，变截面钢管混凝土格构柱抗震性能越好，但是出于外形美观考虑，柱肢倾斜度不宜过大，建议取值：1∶20～1∶40。

(2)柱高不断增大，构件延性越好，当柱高超过60m，骨架曲线没有下降段，建议长细比不宜超过45。

(3)轴压比越大，构件的延性性能越差，当轴压比n=0.3时，滞回曲线最为饱满，当n>0.3，构件延性显著降低。因此，不建议采用过高的轴压比。

4　研究展望

近年来随着我国交通建设不断发展，高桥墩被大量采用，根据文献[27]初步调查表明，40m以上的高墩(超高墩)桥梁占西部地区已建及规划的高等级公路和铁路桥梁中的比例超过40%。因此可以预见，钢管混凝土格构柱式桥墩、叠合柱墩、混合墩等在山区高墩和超高桥墩中将具有广阔的应用前景。

本文介绍了钢管混凝土格构柱墩的工程应用，对钢管混凝土格构柱墩的抗震性能的试验研究、有限元数值分析以及恢复力模型计算等方面的研究成果进行综述和总结。相比较而言，钢管混凝土单肢柱的试验和理论研究较为成熟，而钢管混凝土格构柱抗震性能的研究尚处于起步阶段，今后需进一步开展以下4个方面的工作：

(1)国内中南大学和福州大学在四肢等截面钢管混凝土格构柱的滞回性能试验及骨架曲线计算模型方面开展了系列研究，对于变截面钢管混凝土格构柱、混合柱等的抗震性能有待进一步的研究。

(2)现有文献对钢管混凝土格构柱在循环荷载作用下的破坏形式进行了观察和描述，而有关格构柱内部的失效机理和失效模式还有待深入探讨与揭示。

(3)目前对钢管混凝土格构柱恢复力计算模型的研究开展较少且缺乏系统完整的分析方法，有待进一步研究。

(4)目前的试验研究主要以拟静力试验为主，对于动力试验涉及较少。为使研究成果更具现实意义，加强动力性能方面的研究十分必要。

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陈盛富(1992-)，男，研究生在读，主要从事桥梁结构方向的研究。

欧智菁(1975-)，女，教授，博士，主要从事组合结构、路桥工程方向的研究。

The Research Summary of Seismic Performance on Concrete Filled Steel Tubular Laced Columns

CHENShengfuOUZhijing

(College of Civil Engineering, Fujian University of Technology, Fuzhou 350007)

The application and development prospects of concrete-filled steel tubular(CFST)laced columns are briefly introduced. Present research status and achievements of seismic performance on CFST laced columns, including test research, finite element analysis and calculation methods of Restoring force model are summarized. The influence rules of main parameters are analyzed. With the engineering background of four-tube CFST laced columns of Ganhaizi bridge, the finite element models of variable cross-sectional CFST laced columns are build, the effect of Longitudinal element slope, longitudinal spacing of column limbs and axial compression ratio on the hysteretic behavior of CFST laced columns are investigated. Finally, some suggestions on this individualized studies are put forward.

Concrete-filled steel tubular( CFST); Laced columns; Seismic performance; Ductility

国家自然科学基金项目(51408128 )

陈盛富(1992-)，男。

E-mail:wutongq@163.com

2015-12-02

TU375

A

1004-6135(2016)02-0048-05