曲线独柱墩桥梁的地震损伤状态分析及对策评估

向 敏 韩水清 马朝阳 刘 伟

（石家庄铁道大学土木工程学院 河北石家庄 050043）

引言

独柱墩桥梁由于桥下空间占用土地少，视野开阔，下部工程量小等优点，因而广泛应用于城市高架桥以及高速公路的匝道桥上。但独柱墩极易在强震作用下发生破坏，导致整个桥梁垮塌[1]。然而，拆除这些既有桥梁进行重建，既造成经济浪费，又造成的社会影响及间接经济损失更是无法估量的。因此，针对抗震性能不足的结构进行加固，既可以节省大量资金又可以节省工期。本文以某三环立交为工程背景，以全部为独柱墩的匝道桥ES匝道建立有限元模型。对既有曲线独柱墩桥梁在地震作用下的损伤状态进行评估，以及选用普通碳纤维布和高强碳纤维布分别对桥墩进行加固，并分析CFRP与箍筋加固效果。

1 工程背景

本文以某三环立交为工程背景。该立交桥由主桥和匝道组成，其中匝道由ES、NE、EN、SW、WS组成。为了更好的研究独柱墩的抗震性能，本文以全部为独柱墩的匝道桥ES匝道建立有限元模型。匝道桥ES为一联预应力混凝土连续梁，跨径为4×20m，采用一字型桥台、独柱墩，桥墩均为等截面矩形实心独柱墩。

2 模型建立

本文素混凝土和约束混凝土均采用修正的Kent-Park本构模型模拟，钢筋采用Giuffre-Menegotto-Pinto本构模型。网格划分采用纤维截面，弹性梁柱单元来模拟桥面，非线性梁柱单元模拟墩柱等参数，支座采用零长度单元，利用OpenSees软件建立全桥整体模型。

3 地震作用下独柱墩桥梁的动力响应分析

经过OpenSees模态分析得出结构自振周期为0.483s，再依据经验，本文选取了3条地震波[2]，用IDA方法，仅对其中一个墩2#墩为研究对象进行分析，得到在相同的地震加速度峰值（PGA）作用下的时程曲线与墩顶力-位移滞回曲线如图1所示。

图1 包含箍筋的2#墩

4 桥墩加固后的地震响应分析

近年来我国发生的地震频率增加、地震等级增大，给人民生命财产带来巨大损失。较早的结构建设，不满足现有的抗震设计规范，尤其是独柱墩桥梁更易在强震中发生破坏。由于碳纤维布（CFRP）轻质、高强、耐腐蚀等优点已被广泛应用。因此，选用新型材料CFRP对桥墩进行加固，并对CFRP和箍筋的加固效果进行了对比分析。本文采用吴刚等提出的本构来模型矩形墩柱的纤维约束[5]，并重新建立全桥模型。

采用IDA方法，在相同的地震加速度峰值（PGA）下，分别求出2#墩不同状态下的墩顶最大位移与墩底最大弯矩，由于篇幅有限，仅将参数列入表1中。

表1 2#墩在不同状态下的参数变化表

由表1可知，箍筋与碳纤维（CFRP）存在时，2#墩最大墩顶位移和最大墩底弯矩均有所减小，说明延性性能增强了。箍筋与碳纤维（CFRP）的作用相似，主要是对内部混凝土起到了约束作用。但是CFRP存在时均有很明显的减小，因为碳纤维布直接约束最外层混凝土，它的作用比箍筋更为直接、有效。有箍筋和CFRP共同作用下，加固效果更为明显，延性性能大大提高了。

将高强度碳纤维加固后的墩顶位移时程曲线和墩底弯矩时程曲线以及滞回曲线如图2所示。

图2 包含箍筋的2#墩高强度CFRP加固状态

经计算可得高强度碳纤维加固后的最大墩顶位移为85.819mm，最大墩底弯矩为9.7922kN·m。经过高强度碳纤维加固后的2#墩墩顶位移和墩底弯矩较加固前均有所减小。与普通碳纤维加固效果相比，高强度碳纤维由于其强度高，弹性模量大，在相同的用量情况下，加固效果更加明显。但是一般实际工程中，普通的碳纤维布可以满足加固要求的，除非是为了减少使用量，否则没有必要使用高强碳纤维布来加固桥墩的[6]。

5 结论

（1）利用CFRP对独柱墩进行加固，可以很好地改善独柱墩桥梁的抗震性能。

（2）箍筋和碳纤维加固桥墩，桥墩的延性都有所改善，但是碳纤维直接作用在外围混凝土上，加固效果更明显。箍筋和CFRP共同作用下，加固效果更为明显，延性性能大大提高了。

（3）采用高强碳纤维布对桥墩进行加固，加固效果明显于普通碳纤维布的加固效果。但是一般实际工程中，普通碳纤维就可以满足加固要求。