装配式波纹钢管-橡胶混凝土组合桥墩抗震性能研究.pdf
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1、Earthquake Resistant EngineerinandRetrofittingVol.45,No.32023D0I:10.162261002-8412.2023.03.018SSn1002-8412(2023)03-0143-07文章编号EarthquakeResistantEngineeringandRetrofittingJun.20232023年6 月Vol.45,No.3工程抗震与加固改造第45卷第3期装配式波纹钢管-橡胶混凝土组合桥墩抗震性能研究刘保东,刘宇,冯明扬,孙海波(1.北京交通大学土木与建筑工程学院,北京10 0 0 44;2.山东省交通规划设计院集团有限公司
2、,山东济南2 50 10 1)【提要以研究承插式预制波纹钢管-橡胶混凝土墩的应用为出发点,对某座48 m跨度的三跨连续梁桥进行了替代桥墩的力学及细部构造设计,在ABAQUS中建立了多尺度有限元模型,并进行了新型桥墩和几种常规桥墩在动力特性和地震响应方面的对比。结果表明:采用波纹钢管-橡胶混凝土组合桥墩替代后,结构自振频率显著降低,地震响应减小。波纹钢管的截面形式和橡胶混凝土对减小结构响应起到了积极作用。因此,将采用承插式的预制波纹钢管-橡胶混凝土组合桥墩应用于桥梁建造时,可加快建造速度,同时结构地震响应减小。关键词 氵波纹钢管-橡胶混凝土桥墩;桥梁快速建造;抗震性能;阻尼耗能中图分类号U442
3、.5*5【文献标识码ASeismic performance of rubber concrete-filled corrugated steel tubes coositebridgepiersLiu Bao-dong,Liu Yu,Feng Ming-yang,Sun Hai-bo(1.School of Civil Engineering,Beijing Jiaotong University,Beijing100044,China;2.Shandong Provincial Communication Planning and Design Institute Group Co.Ltd
4、,Jinan 250101,China)Abstract:Starting from the research on the application of socket-type prefabricated corrugated steel pipe-rubber concrete piers,a 48mspan three-span continuous girder bridge is designed to replace the mechanics and detailed structure of the piers,and a multi-scalefinite element m
5、odel is established in ABAQUS.The dynamic characteristics and seismic response of the new bridge pier and severalconventional bridge piers are compared.The results show that after replacing the corrugated steel pipe-rubber concrete composite pier,the natural vibration frequency of the structure is s
6、ignificantly reduced,and the seismic response is reduced.The cross-sectional formof the corrugated steel pipe and the rubberized concrete play a positive role in reducing the structural response.Therefore,when thesocket-type prefabricated corrugated steel pipe-rubber concrete composite pier is appli
7、ed to bridge construction,the construction speedcan be accelerated,and the seismic response of the structure can be reduced at the same time.Keywords:Rubber concrete-flled corrugated steel tubes piers;accelerated bridge construction;seismic performance;damping energy-dissipationE-mail:桥墩作为桥梁结构中的主要抗侧
8、力构件,其地震安全性直接影响到整座桥梁的抗震性能,直接决定震后是否具备通行能力,使得桥墩的抗震问题成为桥梁抗震研究领域的核心问题1。相比钢筋混凝土桥墩,钢管混凝土具有承载力高、延性好、施工方便及综合效益显著等优势,但钢管混凝土桥墩也有一定的缺点,比如钢管内混凝土与钢管存在脱粘、收稿日期2022-05-19基金项目国家自然科学基金项目(5147 8 0 30);齐鲁交通发展集团有限公司科技项目(KJ-2019-QLJTJT-01)收缩、徐变等问题,以及其在水平荷载下,塑性铰区域可能发生屈曲、撕裂等问题2 ,也在一定程度上限制了其应用。橡胶混凝土(CrumbRubberConcrete,简称“CR
9、C”)利用橡胶骨料部分取代普通混凝土中的砂(石)制备而成,具有低弹性模量、大变形、能量耗散多及良好的抗裂性等特点3。已经有相关研究表明橡胶混凝土在结构抗震性能改善【4 等方面相对传统混凝土所具有的巨大优势。然而,加人橡胶颗粒后,橡胶混凝土的抗压强度、抗拉强度和抗弯强度明显降低,工作性能下降5,6 ,因此将其与波纹钢管Jun.Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting2023144.2023年6 月工程抗震与加固改造组合使用,充分利用波纹钢管的约束作用和波纹间的机械咬合作用,可以提高橡胶混凝土的抗压强度,并有效解决钢管与混凝土存在的脱粘、收
10、缩、徐变等问题,且其独特的波纹形式对地震耗能具有一定的积极作用7 桥梁快速施工技术(AcceleratedBridgeConstruction,简称“ABC”)是一种采用预制装配构件,对桥梁进行快速组装、减少现场交通环境干扰、确保施工质量、提高施工安全、降低全寿命费用的集成技术 。但目前的工程应用大多处于低烈度地震区,在中高烈度地震区的工程实例非常有限。面对快速建造并可用于高烈度区的使用需求,本文提出一种采用承插式连接的波纹钢管-橡胶混凝土组合墩,并与传统的钢筋混凝土桥墩、平钢管混凝土桥墩进行对比,分析对比了3种桥墩形式地震响应的特点,证明了采用快速建造的波纹钢管-橡胶混凝土组合桥墩的可行性。
11、1工程概况及桥墩替代设计以某跨径组合为(316)m连续梁桥为工程背景9 ,原桥上部结构采用预应力混凝土连续T梁,桥墩采用钢筋混凝土柱式墩,每根桥墩连接一个独立的承台。该桥抗震设防为7 度(地震动峰值加速度为0.1g),桥梁抗震设防分类为乙类,场地类型为II类,按照城市桥梁抗震设计规范(CJ166-2011)【10 选取地震响应分析参数。结构的阻尼比取0.05。桥台及桥墩2 上设置双向支座,桥墩1上设置固定支座。考虑采用波纹钢管-橡胶混凝土桥墩进行替代。并同时设计一平钢管混凝土桥墩,进行对比。背景工程立面图及桥墩1处立面图如图1、图2 所示。艺1600400图1桥梁的立面图(单位:cm)Fig.
12、1Elevation diagram of bridge(unit:cm)根据原设计方案,考虑作用在桥墩上的恒载和活载,进行波纹钢管-橡胶混凝土墩的尺寸设计、承插式节点设计和考虑地震作用组合工况的计算。替代桥墩设计恒载为2 2 57.7 kN,作用在墩顶的恒载和13508527027027027085八10009L40040图2桥墩1的立面图(单位:cm)Fig.2Elevation diagram of bridge pier 1(unit:cm)活载组合平均值为30 7 6.6 kN。橡胶混凝土中橡胶掺量对于其力学性能有着较大的影响,相关研究发现:随橡胶颗粒体积掺量的增大,橡胶混凝土强度立
13、方体抗压强度和轴心抗压强度均呈现减小的趋势 。因此,橡胶混凝土的制备应综合考量橡胶掺量对于混凝土强度和耗能能力的影响。橡胶混凝土的配合比参考窦康健12 研究中的采用同体积取代2 0%细骨料的橡胶混凝土。依据此配合比,试验得橡胶混凝土立方体抗压强度为feu=33.2MPa,棱柱体抗压强度为f。=2 8.9 M Pa。波纹钢管-橡胶混凝土组合桥墩和承台采用承插式连接,承插式连接节点的后填充材料采用设计强度为C50的高强砂浆。按照墩顶设计荷载,并结合国内波纹钢产品规格,选用波形为2 0 0 mm55mm,内径为550 mm,钢材标号为Q345,厚度为7 mm的波纹钢管-橡胶混凝土墩,同时,为了加强其
14、抵抗水平荷载的能力,配置2 4根直径32 mm的HRB400钢筋。其轴压承载力可根据基于叠加原理的方法计算7 ,如式(1)所示。同时,为了对比,根据等轴压比的原则,设计一平钢管混凝土墩,设计填充混凝土为C40,钢材标号Q345,厚度为10 mm,外径为6 2 0 mm,内径为6 0 0 mm,其轴压承载力依据钢管混凝土结构技术设计规范(GB50936-2014)13计算,如式(2)所示。N.=1.25f.A。+f,A,(1)N.=P.P,N。(2)式中:f。是混凝土棱柱体抗压强度;A。是换算为体积圆柱截面面积;f,是钢材屈服强度;A。换算为相Earthquake Resistant Engin
15、eering and Retrofitting2023Vol.45,No.3145.刘保东,等:装配式波纹钢管一橡胶混凝土组合桥墩抗震性能研究第45卷第3期同用钢量圆钢管截面面积;?。是考虑偏心率影响的承载力折减系数;1是考虑长细比影响的承载力折减系数;N。是钢管混凝土轴心受压短柱的强度承载力设计值。经计算得波纹钢管-橡胶混凝土墩轴压承载力为12 459 kN,平钢管混凝土墩轴压承载力为12057kN,原桥墩承载力为12 9 9 9 kN,3种类型桥墩轴压承载力相当。对于本文拟采用的承插式的装配式桥墩节点设计,主要的设计参数包括最小埋人深度、最小端承混凝土厚度,参数选取参考窦康健12 的研究。
16、(1)最小埋入深度为:DDtfD00(3)40.5/F.FT2式中:D。是波纹钢管接口的外径;D、t 和f.是组合墩的内径、钢管厚度和极限抗拉强度;f。FT 是基础混凝土的抗压强度。(2)最小端承混凝土厚度为:C=C。+C.(4)maxD2CDmaxd(5)40.332式中:d,为最小端承混凝土厚度;C。和C。分别为波纹钢组合墩受压侧混凝土和波纹钢管各自的压力;Cmx=C。+C,=f,A s。+0.9 5f。A c e oC计算得最小埋入深度为410 mm,最小端承混凝土厚度为46 5mm。背景工程中的承台厚度为1.2 m,在不扩大原承台尺寸的基础上,替代桥墩的埋人深度取为1.0 D(6 0
17、0 m m),端承混凝土厚度则为 6 0 0 mm。2不同桥墩结构地震响应对比分析2.1有限元模型的建立采用ABAQUS建立多尺度有限元模型,模型主要由梁单元、壳单元和实体单元组成,其中原设计桥墩、桩体、上部主梁采用B31梁单元,承台采用C3D8R实体单元,替代设计桥墩中混凝土采用C3D8R实体单元,波纹钢管及普通钢管采用S4R壳单元模拟。承台一桩基础之间采用“绑定”连接,桩的模拟方法与背景工程9 中的模拟方法一致,均采用等效桩长法。主梁同桥墩之间的平动特性通过笛卡尔连接类型来模拟,转动特性通过旋转连接类型来模拟。承插式桥墩和承台之间及钢管与核心混凝土的连接,通过相关文献调研,采用“接触”定义
18、,定义法向方向的接触属性为“硬”接触,切向方向的接触属性定义为“罚”摩擦,摩擦系数为0.6 7 。建立好的承插式波纹钢管-橡胶混凝土桥墩如图3所示。主梁、桩、盖染B31梁单元核心混凝土相互作用C3D8R实体单元“硬 接触+摩擦波纹钢S4R壳单元相互作用“硬接触+摩擦放大后填高强砂浆C3D8R实体单元承台C3D8R实体单元图3有限元模型Fig.3Finiteelementmodel为了对比承插式波纹钢管一橡胶混凝土桥墩(Rubber Concrete-Filled Corrugated Steel TubesPiers,以下简称“RCFCSTP”)与钢筋混凝土桥墩(R e i n f o r c
19、 e d C o n c r e t e Pi e r s,以下简称“RCP”)、平钢管混凝土桥墩(Concrete-FilledSteelTubesPiers,以下简称“CFSTP”)、波纹钢管-混凝土桥墩(Concrete-Filled Corrugated Steel Tubes Piers,以下简称“CFCSTP”)在同一地震作用下的响应,共建立了4个有限元模型,桥墩参数如表1所示。表1各桥墩参数Tab.1Parameters of each pier桥墩外径钢管壁厚内部节点混凝土弹性混凝土密度桥墩截面形式配筋(mm)(mm)填料连接模量(MPa)(kg/m)钢筋混凝土墩(RCP)10
20、0032032C40现浇325002500平钢管混凝土组合墩(CFSTP)62010C40现浇325002500波纹钢管-混凝土组合墩(CFCSTP)61972432C40承插325002500波纹钢管-橡胶混凝土组合墩(RCFCSTP)619724032C40-20%承插243972200注:C40-20%为同体积取代2 0%细骨料的橡胶混凝土。Jun.Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting2023146.2023年6 月工程抗震与加固改造2.2不同桥墩结构自振特性分析首先进行结构自振特性分析,模态分析采用Lanczos向量法,振型
21、阶数的选取保证计算方向的有效质量系数大于9 0%。桥梁模型自振特性分析结果如表2 所示,采用RCFCSTP的桥梁前两阶振型图如图4、图5所示。表2#有限元模型自振特性分析结果Tab.2Analysis results of natural vibration characteristics of finite element model自振频率基于RCP相对桥墩截面形式模态振型特性(Hz)百分比(%)1主梁横向扭转振动0.2420RCP2主墩顺桥向弯曲振动0.54103主墩横桥向弯曲振动1.33501主梁横向扭转振动0.205-15.289CFSTP2主墩顺桥向弯曲振动0.349-35.489
22、3主墩横桥向弯曲振动0.755-43.4461主梁横向扭转振动0.171-29.339CFCSTP2主墩顺桥向弯曲振动0.283-47.6893主墩横桥向弯曲振动0.829-37.9021主梁横向扭转振动0.160-33.884RCFCSTP2主墩顺桥向弯曲振动0.254-53.0493主墩横桥向弯曲振动0.749-43.895注:表中基于RCP的相对百分比计算定义如下,例:(CFSTP-RCP)/R C Px 10 0%。Step:FrequencyMode1:Value=1.0104Freq=0.15998(cycles/time)图4第一阶振型图(俯视角度)Fig.4First-orde
23、r vibration shape diagram(top view)Step:FrequencyMode2:Value=2.5384Freq=0.25357(cycles/time)图5第第二阶振型图Fig.5First-order vibration shape diagram通过提取各计算模型的前三阶模态分析结果可知,桥梁第一模态均是主梁发生横向扭转振动,第二模态为主墩发生顺桥向弯曲振动,第三模态为主墩发生横桥向弯曲振动。比较不同桥墩桥梁的自振频率可以发现,由于CFSTP、C FC ST P和RCFCSTP采用了比原方案相对较小的桥墩截面,桥梁的自振频率均有不同程度的减小。与CFSCTP
24、P相比,RCFSCTP的自振频率减小得更多,这是由于橡胶混凝土的弹性模量和密度均小于普通混凝土,两种混凝土的详细参数对比如表1所示。CFSTP和CFCSTP虽然外径接近,但两者之间的自振频率有着较大的差别。在CFSTP中,钢管既起到约束核心混凝土的作用,也起到承担纵向荷载的作用,因此会提升桥墩的抗弯刚度;而在CFCSTP中,虽然波纹钢管未在墩柱的顶和底断开,但是由于其沿高度方向的变截面形式,波纹钢管主要承担对核心混凝土的约束作用,其对于桥墩的抗弯刚度贡献不如平钢管,力学本质类似于约束混凝土142.3地震反应谱参数分析对钢筋混凝土墩、平钢管混凝土墩和波纹钢管-混凝土组合墩分析时,均按城市桥梁抗震
25、设计规范(CJ166-2011)【10 中规定,采用阻尼比为0.05的反应谱,波纹钢管-橡胶混凝土组合墩管内填料为橡胶混凝土,混凝土中加人一定量的橡胶颗粒后,混凝土耗能能力增加,通过反应谱法分析桥墩的地震响应时,需要考虑其对整个结构阻尼比($.)的影响。由橡胶混凝土带来的附加阻尼比($.),可用模态应变能(MSE)方法计算15,如式(6)所示:2(6)22siEarthquake Resistant Engineering and Retrofitting2023Vol.45,No.3.147.刘保东,等:装配式波纹钢管-橡胶混凝土组个桥墩抗震性能研究第45卷第3期式中:n:是材料损失因子;是
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