楊宇峰

（中國(guó)市政工程西南設(shè)計(jì)研究總院有限公司四川成都610000）

鋼管混凝土橋墩非線性地震反應(yīng)研究

楊宇峰

（中國(guó)市政工程西南設(shè)計(jì)研究總院有限公司四川成都610000）

本文主要分析鋼管混凝土橋墩非線性地震的反應(yīng)問題，闡述研究鋼管混凝土橋墩抗震問題的重要性，針對(duì)實(shí)際使用情況，提出相關(guān)建議，以供參考。以期通過本文的分析能全面提高鋼管混凝土橋墩的抗震性能。

鋼管；地震；非線性

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，我國(guó)的交通事業(yè)也進(jìn)入飛速發(fā)展時(shí)期，鋼管混凝土的使用也十分普遍，但隨著橋梁跨徑的增大，鋼管混凝土橋墩的抗震能力也引起我們的高度重視。結(jié)合以往關(guān)于鋼管混凝土結(jié)構(gòu)抗震性的研究，大多數(shù)研究集中于基本結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能兩個(gè)方面，一些文獻(xiàn)的分析存在相應(yīng)的局限性，對(duì)此，本文從多個(gè)角度，在原有文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上展開分析。

研究發(fā)現(xiàn)，鋼管混凝土橋墩本身具有非常好的抗震能力，鋼管混凝土優(yōu)化結(jié)構(gòu)以及力學(xué)性能，成為橋墩非線性抗震的理想選擇。如何在保證設(shè)計(jì)的安全性和經(jīng)濟(jì)性的情況下，又提高橋墩的抗震性能，是我國(guó)橋墩建設(shè)面臨的一大重要課題。

1　鋼管混凝土橋墩概述

鋼管混凝土是屬于混凝土的組合材料，即在材料中加入混凝土，提高鋼管壁受壓的穩(wěn)定性，提高鋼管的耐久度和抗腐蝕能力，高強(qiáng)度的抗壓力和延展性，使其成為最佳的塑性材料。有機(jī)的將鋼材和混凝土進(jìn)行結(jié)合，材料間的優(yōu)劣互補(bǔ)，使其成為最佳抗震施工結(jié)構(gòu)，正是因?yàn)檫@種優(yōu)越性，所以，在實(shí)踐中的運(yùn)用十分廣泛。

1.1鋼管混凝土橋墩研究現(xiàn)狀

在日本，橋梁墩柱施工均采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，應(yīng)用十分普遍，主要是因?yàn)樗?dú)特的優(yōu)越性，鋼管混凝土高度的抗壓性，結(jié)構(gòu)施工簡(jiǎn)單、快捷，較好的延展性，創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)效益顯著，使得其深受人來的青睞。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)良的力學(xué)性能、綜合性和經(jīng)濟(jì)性，使得其國(guó)內(nèi)外得到了廣泛運(yùn)用，目前，我國(guó)對(duì)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的研究也開始逐漸深入探索，并在實(shí)踐施工中推廣應(yīng)用。

1.2研究?jī)?nèi)容以及研究意義

探討框架式鋼管混凝土橋墩的抗震性能具有重要的研究意義。人們主要研究單肢立柱內(nèi)力的響應(yīng)特點(diǎn)以及內(nèi)力分布特點(diǎn)，對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行分析，從而探索在地震內(nèi)力下對(duì)立柱的影響，并與傳統(tǒng)的地震響應(yīng)進(jìn)行比對(duì)。目前我國(guó)對(duì)于鋼管混凝土結(jié)構(gòu)體系理論方面的研究甚少，而以往的研究都是集中在基本構(gòu)件方面。本文通過對(duì)鋼管混凝土橋墩非線性地震影響的研究，對(duì)該種類型橋墩的抗震性能進(jìn)行探索，為實(shí)際工程作業(yè)提供相應(yīng)的理論支持與一定的幫助。

1.3模擬鋼管混凝土橋墩的抗震性能

目前我國(guó)大多數(shù)的橋梁工程中，多數(shù)都會(huì)預(yù)制安裝中小跨徑梁橋，跨徑大約在24～40m之間。大多數(shù)情況下，高速公路的上單幅橋的主梁重量約為200kN/m，跨徑則為40m，上部結(jié)構(gòu)總重量約為8000kN，根據(jù)國(guó)內(nèi)橋梁的常規(guī)設(shè)計(jì)，參考實(shí)際的橋梁工程，擬定出一套鋼管混凝土橋墩基本形式及主要參數(shù)。

橋墩由4肢鋼管混凝土立柱組成，水平連接橫梁及4肢立柱，每個(gè)立柱間距沿橫橋向6m，順橋2.5m，橫梁間距保持在5m之間，橋墩高度為50m。墩頂?shù)馁|(zhì)量為800t，需要注意的是根據(jù)結(jié)構(gòu)需要，肢立柱頂點(diǎn)共設(shè)計(jì)4個(gè)，結(jié)構(gòu)承載負(fù)荷控制在200t；橫梁主要使用空心圓形鋼管，規(guī)格為1000mm×10mm，鋼管使用混凝土進(jìn)行灌注，灌注面積為1200mm×24mm。施工采用C30混凝土即可，結(jié)構(gòu)抗壓強(qiáng)度達(dá)到基本標(biāo)準(zhǔn)要求，即抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)為20.1N/mm2，鋼管及橫梁均采用Q235，屈服強(qiáng)度為235N/mm2。以保證鋼管混凝土的抗震性能能滿足實(shí)際要求。而一般實(shí)際施工中，人們還會(huì)采用空心壁墩工藝，兩者具有相似性，但是也差異，具有可比性。

2　透過參數(shù)對(duì)橋墩自振頻率的影響分析

2.1纖維截面的劃分

在選擇平截面假定的纖維單位時(shí)，對(duì)整個(gè)橋墩動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行分析，由于在鋼棍混凝土橋墩立柱中，軸力會(huì)發(fā)生較大的變化，如果對(duì)纖維進(jìn)行細(xì)分，對(duì)在桿件壓彎情況下，中性軸移動(dòng)進(jìn)行模擬，隨著軸力的變化，構(gòu)建力出現(xiàn)明顯位移，此時(shí)，需要進(jìn)行一個(gè)計(jì)算模型，并采取纖維單元的方式進(jìn)行模擬，開展有效分析。

圖1　鋼管和混凝土截面纖維劃分

2.2框架結(jié)果自振頻率分析

透過研究我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，影響自振頻率的原因是立柱間距和尺寸大小以及各個(gè)衡梁的間距、衡量的直徑、壁的厚度等等。其中對(duì)于框架式高墩剛度整體影響較大的則是橫梁的堅(jiān)硬程度。經(jīng)過一系列的合理設(shè)計(jì)，進(jìn)行地震頻率的檢驗(yàn)測(cè)試，在整個(gè)大結(jié)構(gòu)框架中，各個(gè)構(gòu)件的彎矩保持在一個(gè)較低的值。為了更好的分析橫梁結(jié)構(gòu)的剛度以及其對(duì)框架結(jié)構(gòu)自振頻率的影響，我們對(duì)鋼管混凝土橋墩框架結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力進(jìn)行研究，得出結(jié)果，并進(jìn)行分析討論。

分析參數(shù)的選擇為：墩高按50m，墩頂?shù)馁|(zhì)量為800t，立柱直徑選擇為1.2m。通過基礎(chǔ)參數(shù)，來計(jì)算相應(yīng)的自振頻率。通過改變相關(guān)的參數(shù)來進(jìn)行不同比較分析，為分析結(jié)果的準(zhǔn)確性做參考。圖2中和圖3是部分計(jì)算算結(jié)果。

圖2　橋墩橫梁截面慣性距-頻率曲線（不帶斜撐）

圖3　橋墩橫梁截面慣性距-頻率曲線（帶斜撐）

3　橋墩地震響應(yīng)特點(diǎn)

為了解框架式橋墩在地震作用下內(nèi)力是否會(huì)沿著墩高而發(fā)生變化，我們采用反應(yīng)譜法的方式對(duì)框架式鋼管混凝土橋墩進(jìn)行了計(jì)算，也對(duì)空心薄壁墩進(jìn)行計(jì)算，通過對(duì)比，如圖4，是通過對(duì)采用反應(yīng)步伐來計(jì)算橋墩各內(nèi)力值的響應(yīng)值。

圖4　橋墩各內(nèi)力值的響應(yīng)值

圖5　對(duì)比橋墩軸力的響應(yīng)值

通過對(duì)比可以看出，框架式橋墩和空心薄壁墩的建立以線線形式分布，比對(duì)結(jié)果可以看出，兩中橋墩的墩頂剪力相差不大，因?yàn)?，墩頂剪力一般是由墩頂質(zhì)量在地震作用下產(chǎn)生了水平力引起的。在地震動(dòng)作用下空心薄壁墩產(chǎn)生的軸力非常小，而通過比對(duì)，我們發(fā)現(xiàn)框架式橋墩墩頂軸力小，但不是0的絕對(duì)值，墩底軸力最大，墩頂?shù)蕉盏蜁r(shí)呈階梯狀增大的特點(diǎn)，由于在輸入地震波的頻率是水平輸出，空心薄壁墩的軸力是恒載軸力，水平地震波動(dòng)沒有在空心薄壁墩引起軸力。

線性與非線性響應(yīng)比較：

為了研究框架式橋墩在線性與非線性時(shí)程的響應(yīng)特點(diǎn)，所以對(duì)兩種型式的橋墩進(jìn)行了實(shí)際監(jiān)測(cè)比對(duì)，如表1～2。

表1　監(jiān)測(cè)結(jié)果

表2　監(jiān)測(cè)結(jié)果

從表1～2的數(shù)據(jù)可以看出，在不同地震波作用情況下，線性與非線性時(shí)程響應(yīng)的對(duì)比也分別不同，在編號(hào)為W1的地震波頻下，框架式橋墩線性時(shí)程和非線性時(shí)程之間的響應(yīng)好像沒有多大變化，然而在通過編號(hào)為W2和W3地震波頻的作用下，線性時(shí)程和非線性時(shí)程的響應(yīng)就有明顯的差異，在非線性狀態(tài)下，橋墩內(nèi)力的反應(yīng)情況以不是線性時(shí)程所能代表，在非線性狀態(tài)，整個(gè)橋墩的剛度會(huì)有很強(qiáng)烈的反差，下降明顯，自振周期也會(huì)增大。由于隨著周期的增加，在地震波反應(yīng)下，相對(duì)應(yīng)的譜值會(huì)隨著時(shí)間的變化減小，內(nèi)部結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)程度的也會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的下架。相比較而言，框架式橋墩的結(jié)構(gòu)比空心薄壁墩更有優(yōu)越性，而且它良好的抗壓性能，能使其發(fā)揮更好的抗震性能。

4　結(jié)論

通過對(duì)鋼管混凝土橋墩非線性地震反應(yīng)的研究，采取比對(duì)方法，使結(jié)果更有針對(duì)性。通過以上研究我們可以看出，當(dāng)橫梁剛度非常小時(shí)，如果增加橫梁的剛度，頻率的波動(dòng)也會(huì)隨之增加；但橫梁的剛度在增加到對(duì)橋墩水平剛度的影響較小的情況下，影響橫梁聯(lián)結(jié)立柱效果，橫梁的整體抗彎的能力是關(guān)鍵的影響因素。在以線性分布立柱剪力的情況下，在橋墩較高的兩處橫梁跨度之間的橋墩立柱接點(diǎn)，彎矩的數(shù)值會(huì)出現(xiàn)為零，這種情況下會(huì)出現(xiàn)反彎點(diǎn)，軸力的分布將不會(huì)以墩頂?shù)蕉盏统示€性分布，階梯狀增大的特點(diǎn)與其對(duì)應(yīng)的軸力進(jìn)行變化。在橋墩沒有斜撐時(shí)，增加橫梁的剛度，可以適當(dāng)?shù)臏p小立柱的彎矩，但橫梁剛度程度到了一定值時(shí)，立柱彎度將不會(huì)在減??；而在有斜撐時(shí)橫梁剛度對(duì)立柱彎矩的影響程度也會(huì)減小，立柱的彎度基本上不會(huì)隨著橫梁剛度的增加或減小而產(chǎn)生變化。

5　結(jié)束語(yǔ)

本文在結(jié)合大量相關(guān)研究的基礎(chǔ)之上，對(duì)鋼管混凝土橋墩非線性地震反應(yīng)進(jìn)行探索，但在此研究上仍有不足，展望未來，期待相關(guān)人員能對(duì)鋼管混凝土橋墩非線性地震反應(yīng)能有更深、更全面的研究，為實(shí)際操作提供理論支持。

[1]常山，朱東生，何發(fā)禮，等.框架式鋼管混凝土橋墩非線性地震反應(yīng)分析[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，32（3）：389～395.

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U443.22

A

1673-0038（2015）14-0231-03

2015-3-23

楊宇峰（1985-），男，工程師，碩士，從事橋梁設(shè)計(jì)工作。