钢筋混凝土箱型桥墩耗能能力分析

■林发金 夏樟华

（1.泉州市公路局，泉州 362000；2.福州大学土木工程学院，福州 350108）

耗能能力是指结构或构件在地震作用下通过自身的塑性变形来消耗地震能量的能力，它作为评价抗震性能的一项重要指标，反应了结构或构件的非线性力学性能[1-6]。Rodrigues H等[7]通过研究认为滞回耗能和位移延性存在相关关系。宋晓东[8]，崔海琴[9]等和郝文秀[10]等进行了钢筋混凝土箱型墩拟静力试验研究。但上述课题都只针对单向循环往复荷载作用下钢筋混凝土箱型墩的耗能进行研究。

钢筋混凝土结构在实际地震作用下呈现明显的空间效应，比单向地震作用产生的破坏要大得多，这主要是由于两个方向的耦合效应影响结构的抗震能力。目前，业内对钢筋混凝土箱型墩的多维地震损伤和基于损伤的抗震性能分析方法等方面的研究还很缺乏,《公路工程抗震规范》（JTG B02-2013）也以单一指标描述地震损伤，未考虑多维地震的影响[11-15]。针对双向水平地震作用下钢筋混凝土箱型墩在耗能与阻尼研究方面的不足，本文通过双向拟静力试验并开展相关研究，进一步了解多维地震动作用下钢筋混凝土箱型墩的智慧耗能特性。

1 双向拟静力试验

为了研究钢筋混凝土箱型墩柱在双向水平地震作用下的滞回耗能特性，课题组制作了不同长细比、轴压比和体积配箍率的试件14个，进行双向拟静力试验[1]。主要设计参数见表1，箱型墩截面尺寸见图1。

图1 典型试件截面尺寸（单位：mm）

采用对角线加载制度对14根构件进行加载，对角线加载拟静力试验采用X和Y双向同步加载，X方向与Y方向的位移幅值比为1∶1，每级加载循环2圈。初始阶段，加载2mm，并以2mm的幅值递增；钢筋屈服以后，以3mm为幅值递增加载；水平承载力开始出现下降后，以5mm递增直至试验结束。加载规则及其分解如图2所示。

2 箱型墩双向滞回特性

钢筋混凝土箱型墩柱在双向水平往复荷载作用下的荷载-位移滞回曲线和荷载-位移骨架线可参见文献[1]。双向加载耦合作用下X方向与Y方向的滞回曲线有较大不同，X方向的滞回曲线较为饱和，抗震性能好，Y方向捏缩现象明显，抗震性能较差；轴压比越小的试件，其滞回曲线越饱满，耗能越强；当桥墩的轴压比一定时，随着长细比的增大，荷载减小，同时，骨架曲线下降段斜率也越小，试件的变形能力大。根据试件的加载和破坏过程，14个试件的试验现象基本相似，均以弯曲破坏为主，并经历了相似的破坏过程：（1）混凝土开裂；（2）钢筋屈服；（3） 混凝土剥落；（4） 出现塑性铰；（5） 构件破坏。 最终破坏形态为墩角混凝土被压碎，纵筋屈曲。

表1 试验构件分组及试验参数

图2 对角线加载规则及其分解图

3 滞回耗能

3.1 累积耗散能量

结构构件耗能性能可以用来评价构件的抗震性能，耗能指标越大表示结构在地震过程中的能量消耗越多，对结构的抗震越有利。因此，用滞回曲线的滞回环面积和形状来衡量结构构件吸收能量能力的好坏。

利用累积耗散能量评价试验构件的耗能能力，每个加载循环过程中X方向、Y方向滞回耗能Ex和Ey分别由公式（1）和公式（2）进行计算，构件总的耗能能力为前两者之和，计算公式为：

图3 各试件的累积耗能

每个试验构件累积耗散能量的计算结果见图3。图中的每一级加载位移水平下的累积耗能对应的是该位移加载水平下第二圈结束时的累积耗散能量。

通过对比分析可以看出：

（1）双向加载作用下，在同一位移中，轴压比越大，试件的累积耗能越大；

（2）双向加载作用下，在同一位移中，长细比越大，试件的累积耗能越小；

（3）双向荷载作用下，在同一位移中，不同体积配箍率的试件累积耗能大体相同。

3.2 单圈累积耗能

为了研究每圈加载对试件的影响，分别计算了14个构件的单圈滞回耗能和对应圈数的累积耗能，见图4。

通过对比分析可以看出：

（1）双向加载作用下，在相同的位移加载中，每个试件的第一圈滞回曲线的累积耗能总体上大于第二圈的累积耗能，造成这个的原因可能是第一圈加载后使试件的刚度和强度下降；

（2）双向加载下，试件加载到破坏时，试件的累积耗能没有明显变化，总体上保持在一个水平。

图4 各试件的单圈耗能与累积耗能

3.3 构件破坏总耗能

构件在常规破坏（荷载下降到峰值荷载的85%时）时的总耗能能够更加明确的体现试验构件耗能能力，通过计算无量纲化能量耗能 （将某一个试件的总耗能确定为100%，其它试件的无量纲化耗能为各试件的总耗能与基准试件的总耗能的百分比）对比了相应构件在破坏前的总耗能，结果见图5。

通过对比分析可以看出：（1）双向加载作用下，在相同的墩高中，轴压比对试件的累积耗能影响规律呈“中间小，两边大”的趋势，其中轴压比（0.05和0.20）的试件的累积耗能较大，轴压比（0.10）相对较小；（2）双向加载作用下，相同轴压比下，长细比对试件的累积耗能影响不明显，总体上呈长细比越大，累积耗能越大的趋势；（3）双向加载作用下，体积配箍率对试件的累积耗能影响规律呈体积配箍越小，累积耗能越大的趋势。

3.4 正则化耗能与位移延性系数的关系

由于位移延性系数和能量耗散与构件的各种变量参数密切相关，因此研究钢筋混凝土箱型墩的位移延性系数与耗能能力之间的关系。对于每个试验构件，计算从屈服点到常规破坏点的能量耗散与总能量耗散的比值作为正则化的耗能即Ecum/Ey（Ey=pyΔy/2）。图6为构件位移延性系数与正则化耗能之间的回归关系图。

对于所有试验构件的X、Y方向的试验结果，位移延性系数与正则化耗能的最佳拟合曲线如图6所示，其表达式为：

图5 各试件的破坏总耗能

图6 正则化耗能与位移延性系数的关系

4 结论

对已有14个钢筋混凝土箱型墩的双向拟静力试验结果进行深入分析，研究双向低周往复荷载作用下的滞回特性，讨论了滞回耗能和位移延性之间的关系，可以得到以下结论：

（1）钢筋混凝土箱型墩在水平双向低周反复荷载作用下，强、弱轴由于双轴耦合效应的影响表现出不同的滞回特性，同时得到了不同参数影响下各构件的滞回特性。

（2）在钢筋混凝土箱型墩柱多维地震作用下，轴压比是影响其性能的一个重要因素。其它参数相同的情况下，轴压比越小，试件的滞回曲线越饱满，耗能能力越强，试件的抗震能力也就越强。

（3）建立了钢筋混凝土箱型墩在对角线加载规则下的正则化累积耗能（Ecum/Ey）与位移延性系数的关系，可供钢筋混凝土箱型墩弹塑性分析使用。

[1]夏樟华.钢筋混凝土箱型墩抗震性能研究[D].福州大学,2013.

[2]EomTS,Park H G.Evaluation of energy dissipation of slender reinforced concrete members and its applications[J].EngineeringStructures,2010,32（ 9）:2884-2893.

[3]Park Y J,Ang A H S.Mechanistic seismic damage model for reinforced concrete[J].Journal of Structural Engineering,ASCE,1985,111（4）:722-739.

[4]邱法维,杨卫东,欧进萍.钢管混凝土柱滞回耗能和累积损伤的实验研究[J].哈尔滨建筑大学学报,1996,29（3）:41-45.

[5]吴轶,黄照棉,LEE,等.基于刚度退化和滞回耗能的圆钢管混凝土柱损伤模型[J].地震工程与工程振动.2014,34（5）:172-179.

[6]夏坚,等.双层钢箱-混凝土组合组合墩耗能与等效粘滞阻尼分析[J].水利与建筑工程学报,2015,13（6）:8-15.

[7]Rodrigues H,Varum H，Arede A,et al.A comparative analysis of energy dissipation and equivalent viscousdamping of RC columns subjected to uniaxial and biaxialloading [J].Engineering Structures,2012,35 （ 1）:149-164.

[8]宋晓东.桥梁高墩延性抗震性能的理论与试验研究[D].同济大学,2004.

[9]崔海琴,贺拴海,宋一凡.空心矩形薄壁墩延性抗震性能试验[J].2010,27（6）:58-63.

[10]郝文秀,阎贵平，等.反复荷载作用下活性粉末混凝土空心桥墩力学性能的试验研究[J].土木工程学报,2010,31（5）:60-64.

[11]中华人民共和国行业推荐性标准.JTG/T B02-01-2008,公路桥梁抗震设计细则.北京:人民交通出版社,2008.

[12]中华人民共和国行业标准.CJJ 166-2011,城市桥梁抗震设计规范.北京:中国建筑工业出版社,2011.

[13]中华人民共和国国家标准.GB50111-2006,铁路工程抗震设计规范.北京:中国计划出版社,2006.

[14]California Department of Transportation.CALTRANS Seismic Design Criteria.V 1.6.USA.2010.

[15]American Association of State Highway and Transportation Official.Guide Specifications for LRFD Seismic Bridge Design.Washington,D.C.:American Association of State Highway and Transportation Officials,2011.