钢筋混凝土桥墩抗震加固性能研究.pdf

张常 明等 ： 钢筋混凝土桥墩抗震加 固性能研究 6 3 D OI ： 1 0 1 3 9 0 5 j c n k i d w j z 2 0 1 5 0 6 0 2 3 钢筋混凝土桥 墩抗震加 固性能研 究 张常明 ， 李晓彤 ( 黑龙江 建筑职 业技术学院 。 哈尔滨1 5 0 0 0 1 ) 【 摘要】 基于 O p e n S e e s 有限元分析软件进行了桥墩 P u s h o v e r 分析和滞回性能分析， 并采用三种不同加固 方式对塑性铰进行加固。发现利用 C F R P对桥墩进行加固后， 构件的抗震延性性能得到了大幅提升， 塑性铰范围 增大， 滞回耗能水平提高， 大大提高了桥墩的抗震性能； 特别是改进后的加 固方式对于力学特性不同的桥墩有 良 好的加固效果。 【 关键词】 桥墩； C F R P 加固； 抗震性能； 塑性铰 【 中图分类号】 T U 3 1 1 3 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 5 ) 0 6- 0 0 6 3 0 3 对桥墩贴碳纤维 布加 固是较为流行 的一种 加固方 式I 4 J ， 但对桥墩的应采用哪种加固方式， 规范并没有给出 明确的说明。本文利用 O p e n S e e s 有限元分析软件， 对钢筋 混凝土桥墩进行了三种方式的 C F R P布抗震加固， 并分析了 加固效果。 1 有 限元模 型分析 本文原桥为4 2 0 m的钢筋混凝土连续梁桥， 下部结构 为双柱式钢筋混凝土桥墩。选取 中部固定墩， 分别按照顺 桥向和横桥向进行静力分析。单柱为圆形截面柱， 直径 l m， 柱高6 m， 柱顶与盖梁刚性连接 ， 桥墩尺寸如图 1所示。为简 化计算 ， 将桥墩在顺桥向简化为悬臂柱， 在横桥向简化为双 曲率弯曲柱。这样单柱的力学模型与原桥墩是一致的。简 化模型如图2所示。 顺桥向 图1桥墩尺寸( m m) 图2桥墩简化模型( mm) 2加固方案的选择 目前国内外的 C F R P加固混凝土墩柱方式主要有塑性 铰加固、 条带加固和全高加固三种方式 。但对全高加 固 和条带加固两种加 固方式如何选取加 固参数， 如加 固高度 和加固层数， 却没有统一认识。 本文选取的双柱式钢筋混凝土桥墩在纵桥和横桥两个 方向都是长柱， 其破坏模式为弯曲破坏。鉴于前人 的研究 发现， 本文对钢筋混凝土长柱桥墩采用了三种加固方案 ： 塑 性铰加固、 条带加固和全高加固， 并通过 P u s h o v e r 分析和静 力滞回分析研究其抗震性能。 方案一： 塑性铰加 固方案。连续梁桥顺桥向的潜在塑 性铰区是在柱底， 横桥 向的潜在塑性铰 区是在柱顶和柱 底 。本文将加固部分分为主约束区和次约束区， 次约束 区加固厚度为主约束区加固的一半， C F R P的厚度及层数模 型计算确定。具体加固方式如图3 ( a )所示。 方案 二： 条 带 加 固 方 案。加 固条 带 高 1 2 0 0 m m， 空 1 2 0 0 m m， 如图 3 ( b )所示 。 方案三： 全高加固方案。加固方式如图 3 ( C )所示。 德藤藏 ( a )塑性铰加 固 ( b )条带加固 ( c )全高加固 图3 三种加固方式 r a m 3 材料及本构关 系 桥墩混凝土本构关系采用 Ma n d e r 本构模型L I ， 该 本构模型能较好地反映圆形箍筋或者螺旋箍筋对混凝土的 约束作用 ； 保护层混凝土采用修正后 的 K e n t P a r k本构模 型 ； 钢筋采用考虑钢筋强化的 G i u ff r 一Me n e g o t t oP i n t o 本构模型 ； C F R P加固混凝土本构关系采用 L a m a n d T e n g ( 2 0 0 3 ) 模型 ， 加固层数为 l 0层， 本构关系 结果见表 1 。 表 1 混凝土受压本构参数 箍筋约束混凝土、 保护层混凝土和 C F R P约束混凝土的 受压本构关系如图4所示 ， 钢筋本构关系如图5所示。 4 建立钢筋混凝土桥墩有限元模型及模拟分析 在建立 O p e n S e e s有 限元模型时， 核心区混凝土采用 C o n c r e t e 0 4材料 ， 保护层混凝土采用 C o n c r e t e 0 2材料， C F R P 约束混凝土采用 C o n c r e t e 0 2材料 ， 钢筋采用 S t e e l 0 2材料。 低温建筑技术 2 0 1 5 年第6 期( 总第 2 0 4期) 4 o 0 3 0 0 Z 誉 2 O O 1 o 0 0 8 1 2 l 6 E xl O -a 混凝土本构关系 剧琏 一 极限状态 裂 f O 5 0 1 0 0 1 5 0 2 o 0 25 0 3 0 0 3 5 0 mm 1 0D 0 8 0 0 6 0 0 Z 毒4 0 0 2 0 o O 厂 厂 】 7 f | f f f f J f | | | i | I j 应变 图5 钢筋本构关系 霉 霪 毒 毒 蔓 暑 O 2 0 4 0 6 O 8 O 1 0 o 1 2 0 1 4o 1 6 o 1 8 0 r a m ( a )顺桥向 ( b ) 横桥 向 注 ：图中，一 未加固 - 塑性铰加固 条带加固 一一 全高加固 图6 P u s h o v e r 曲线 本文采用基于 D i s p l a c e m e n t - B a s e d B e a m C o l u mn单元建 立钢筋混凝土桥墩的有限元模型。并加密潜在塑性铰区的 单元数 ， 以保证计精确性。截面采用纤维单元。 4 1 P u s h o v e r 分析 表 2 顺桥向力一位移计算结果 ， 屈服位移 极限 位移 位移延性系数 位移 延性 抗剪承载力 抗剪承载力 顺 桥 向A A d A A P I l 【N 。 屈服 位移 极限 位移 位移延性系数 位 移延性 抗剪承载力 抗剪承载力 横 桥 向A u A A P d k N 本文以轴压比为 0 1对柱顶施加竖向轴力， 基于位移控 制对柱顶施加水平力， 直至构件达到极限状态。屈服点为 受拉钢筋屈服， 此时产生的位移为屈服位移。极限状态为 受压区混凝土达到极限压应变， 或受拉钢筋达到极限拉应 变， 此时的位移为极限位移。通过 P u s h o v e r 分析可以得到 计算结果如图 6 、 表 2表 3 所示。 从图 6中可以看出， 无论采用哪种 C F R P加固方式加固 桥墩， 都能显著提高桥墩的延性， 顺桥向加位移延性系数由 原来的3 1 提高到 6 9 7 8 ， 横桥向位移延性系数由4提高 到 7 8 8 。 4 2 低周往复滞回性能分析 构件的滞回性能可以反映构件的刚度退化及耗能能力。 本文首先施加轴压比为 0 1 竖向轴力， 以位移为控制量， 以屈 服位移的整数倍进行加载， 每个幅值循环三次， 直至计算不收 敛计算结果如图7一图9所示。 由图7图9可知， 未进行 C F R P加 固的桥墩有一定延 性， 但是耗能能力有限。C F R P加固后的桥墩则有更好的延 性耗能能力 ， 其变形能力大幅提升 ， 刚度退化缓慢 ， 抗震性 能得到 了提升 。 5结语 ( 1 ) 加固后桥墩的延性大幅提高， 位移延性系数提高 到了原来的2倍， 曲率延性系数提高到了原来的 1 5倍。滞 回耗能能力得到了大幅提升 ， 刚度下降更加缓慢， 塑性铰范 围增大， 变形能力提高， 说明抗震性能得到了提高。 ( 2 ) 三种加固方式的加固效果相似， 但是对于长柱， 考虑材料成本和施工等方面的问题， 采用塑性铰加固的方 式更为合理 。 瑚胁 o 珈舶 坷鼋 ； 冒邑R倒 4 4 图 0