钢管混凝土桥墩环梁式节点动力响应及结构优化研究

肖俊生,江 锁,卢春亭,李 杨,王建军

(1.中建七局安装工程有限公司，河南 郑州 450053；2.沈阳建筑大学，辽宁 沈阳 110168)

0 引言

随着我国基础设施建设的不断完善，一些偏远山区的交通能力得到了极大提升。桥墩高、跨度大是山区桥梁工程的主要特点[1]。钢管混凝土桥墩承压比大，在相同长细比条件下可大大提高上部桥梁的跨度，环梁节点是一种将桥墩与梁板连接的无支座新型桥梁体系，其连接处应力状态复杂，也是桥墩受力的薄弱环节，连接的可靠性关系到整个桥梁结构的稳定性和安全性，必须引起高度重视[2-3]。桥梁上部结构承受行车荷载通过支座直接传递给桥墩立柱，节点在车辆等动荷载下的响应及破坏机理与静荷载有很大不同，一些学者也对此进行了大量研究。王静峰[4]等通过ANSYS有限元分析软件，采用三维接触单元的网格划分方法得到了节点在动荷载作用下的滞回曲线；陈娟[5]等利用试验的方法分析了构件破坏形态及裂缝发展情况，得到了节点动力荷载下滞回曲线及钢筋内力变化曲线；闻洋[6]等在大量试验基础上提出了一种新的有限元本构模型，充分考虑了材料、结构几何关系的非线性。

从现阶段的研究中可以发现，针对节点的试验和有限元模拟动力特性分析可以发现，对节点的计算方法尚未统一，相关理论尚未成熟，因此本文采用有限元分析软件ABAQUS分析了节点在动力荷载作用下的时程效应，并为节点设计进行了优化分析，为节点受力分析和结构设计提供了一种新的思路。

1 节点内力传递机理分析

混凝土环梁节点的破坏与梁截面尺寸、钢管混凝土强度等级、截面积、节点配筋等有密切关系。按照“强节点、弱构件”的设计理念[7-9]，钢管混凝土的设计强度高于节点强度，构件破坏时塑性铰由节点逐步发展，其破坏模式如图1所示，节点将横隔板及T梁直接与立柱连接，省略上部支座结构，节点破坏是由于横梁内塑性区发展并最终扩展至节点内部，使混凝土开裂，截面承载力降低。

图1 节点设计破坏模式

节点在各种工况下主要承担上部荷载传递的弯矩和剪力[10]。节点梁所受上部荷载传递至节点处形成负弯矩，形成节点上部受拉、下部受压的状态，其内力由内部箍筋、环向钢筋、腰筋及混凝土共同承担[11-14]。上部荷载在环梁间传递会在节点处形成剪力，节点与钢管混凝土间通过抗剪环连接，防止节点受剪后与钢管混凝土脱落。

相关文献认为[15-16]，钢管混凝土与横梁节点是一个受力整体，以节点内钢材及混凝土的共同受力为分析基础。其受剪及受弯整体分析验算表达式如式(1)、式(2)所示。

(1)

(2)

式中:M、N、V为外部作用的弯矩、轴力及剪力；M0、N0、V0为相同尺寸及截面构造条件下钢管混凝土截面极限抗弯、抗压、抗剪承载力；ASC为钢管混凝土总截面面积；fSC为总截面极限抗压承载力。

结构在动力荷载下的响应，按照动力放大系数对相应的外力进行放大后，通过式(1)和式(2)进行设计验算。

2 结构动力分析

本文选取有限元分析软件ABAQUS采用多种单元模式对钢管混凝土桥墩环梁节点进行了建模分析，其中钢管选用壳体单元，钢管内混凝土采用实体单元，钢管与混凝土间通过Tie 命令连接，使钢管和混凝土间没有相对位移，共同受力，钢筋采用线性桁架单元模拟。节点尺寸及配筋如图2所示，钢管壳体厚度为30 mm，模拟长度为3 m，内部为C50混凝土，环梁截面尺寸为500 mm×800 mm，混凝土等级为C40，受力钢筋等级为HRB400，箍筋等级为HPB300。

图2 普通节点构造(单位：mm)

本文的动力荷载采用低周期反复荷载形式，其加载以位移控制为主，即以几点位移量为荷载施加控制条件。

节点应力云图如3所示，从图3中可以发现，环形梁节点端部应力较大，且出现了明显的塑性变形，随着循环荷载的增加，环形梁与水平梁连接处拉应力超过了混凝土抗拉强度，混凝土出现拉裂缝，裂缝逐步发展至环形梁内部。

图3 节点应力云图

取混凝土环形节点内应力最大点为研究对象，其应力与时间关系曲线如图4所示，从图4中可以发现，在低周期反复荷载作用下节点应力呈阶梯型增长，并具有较大的变化范围，这是因为周期荷载的施加是以结构位移发展为基础，因此结构内力的增长也是根据位移增长呈阶梯形增长。

图4 节点应力变化

结构的滞回曲线是结构在循环荷载下位移及荷载关系变化曲线，是结构对动荷载的位移响应。环形梁端部滞回曲线如图5所示，从图5中可以发现，节点整体处于弹塑性变形范围内，加载初始阶段，正向荷载和负向荷载加载曲线重合，节点残余变形较小，随着荷载的增加，滞回曲线不再饱满，循环荷载不再重合，节点残余变形明显，滞回曲线呈现梭形，从节点破坏分析，当正向荷载达到380 kN时，节点正向位移量达到27.3 mm，节点残余变形量达到12.5 mm。

图5 环形梁端部滞回曲线

每一级循环荷载加载到最大时对应构件最大位移连接形成的曲线称为节点荷载-位移骨架曲线。环形梁节点骨架曲线如图6所示，从图6中可以发现，曲线下降段较陡，且下降段过原点，呈现直线形状，直线斜率等于节点的变形模量，曲线斜率较大因为混凝土及钢筋等级较高，因此弹性模量较大，随着节点变形量的增加，节点塑性区范围扩大，节点变形能力减弱，从图6中可发现节点最大位移21.3 mm，最大荷载380 kN，与滞回曲线一致。

图6 荷载-位移骨架曲线

节点刚度变化曲线是节点对动荷载的另一种响应。节点刚度变化曲线如图7所示，从图7中可以发现，随着位移量的增加，节点刚度降低，这是因为塑性变形减小了节点的受力面积，因此刚度逐渐降低，从图7中可以发现，节点刚度早期下降速率较快，因此前段较后段倾斜。

图7 节点刚度变化

3 节点优化

从以上的结构动力特性分析中可以发现，节点破坏从环形梁端部开始并逐渐发展至梁内部，节点梭形滞回曲线及荷载-位移表明节点应力分布复杂，且在环形梁端部塑性区发展迅速，与梁正交方向梁体变形较小，因此必须对节点钢筋重新配置，使节点端部内力传至中部共同受力。

为了增强截面间内力传递效率，充分发挥环梁的整体效应，对环梁设置了HRB400直径8 mm的斜向拉筋，拉筋距离150 mm，以将局部应力扩散至全梁，斜向拉筋布置如图8所示。

图8 斜向拉筋布置示意

优化后环形梁端部滞回曲线如图9所示，从图9中的滞回曲线可以发现优化后端部塑性区域扩大，节点位移增大，相比较于图5可以发现滞回环相对扁平，结构周期荷载最大增加到475 kN。

图9 环形梁端部滞回曲线

根据环形梁端部滞回曲线，得到了如图10所示的荷载-位移骨架曲线，从曲线中可发现，优化后环形梁的极限荷载及最大位移均比之前大，其中最大荷载增加到475kN，最大位移增大到27.5 mm。

图10 荷载-位移骨架曲线

从环形梁端部滞回曲线及荷载-位移骨架曲线中可以发现，优化后环形梁在低周期反复荷载作用下力学性能提升，极限承载力及位移均增加。

4 结语

钢管混凝土桥墩通过对混凝土的约束增强承载力，桥墩通过环梁式节点与横系梁等横向结构物连接，是整个桥梁下部结构中的薄弱环节，本文用数值分析软件ABAQUS对节点的动力特性进行了模拟分析，得到了薄弱节点处在反复周期荷载下的滞回曲线及荷载-位移骨架曲线，在对节点的动力特性分析基础上对节点配筋进行了优化分析，通过增设斜向拉筋增强节点承载能力，优化后的滞回曲线及荷载-位移骨架曲线均优于普通环形节点。