不同角度荷载作用下椭圆形钢管混凝土桥墩压弯性能研究_李克森.pdf

公路 年月第期 基金项目：国家自然科学基金项目，项目编号 收稿日期：文章编号：（）中图分类号：文献标识码：不同角度荷载作用下椭圆形钢管混凝土桥墩压弯性能研究李克森，董玉英，杜颜胜（青岛市黄岛区市政公用事业发展中心青岛市 ；天津大学建筑工程学院天津市 ）摘要：椭圆形钢管混凝土桥墩的流线外形可以有效降低水流等的作用，但是其截面特性较为复杂，尤其是当荷载沿非对称轴方向作用时，容易发生扭曲而降低强度。为了研究不同角度荷载作用下椭圆形钢管混凝土桥墩的压弯性能，本研究采用数值分析软件，建立并通过试验验证了可以精确模拟圆形钢管混凝土桥墩力学性能的数值分析模型。进一步地，利用模型分析了 不同角度加载时椭圆形钢管混凝土桥墩的压弯性能，分析了不同荷载角度对承载性能的影响规律。结果表明，随着加载角度从 增加到 、，椭圆形钢管混凝土桥墩极限压弯承载力分别下降了 、；初始刚度随着荷载作用角度的增加而降低，屈服位移和极限位移随着水平荷载作用角度的增加而有所上升。本研究的结果可为椭圆形钢管混凝土桥墩的设计提供借鉴。关键词：桥梁工程；桥墩；椭圆形钢管混凝土；数值分析；不同角度荷载；压弯性能钢管混凝土是将混凝土填充于钢管内形成的构件或结构，可以充分发挥钢和混凝土的优势，起到“”的效果，其力学性能优良，施工便捷。近年来，钢管混凝土在高层建筑、桥梁工程、大跨度结构等方面得到了广泛地应用，。目前，最为常用的钢管混凝土是圆形和方矩形截面柱，其研究和计算方法也比较成熟。椭圆形柱的流线外形可以有效减小流体荷载，如风、水流冲击等，因此特别适合用于桥墩。厦门演武大桥采用了椭圆形桥墩，取得了良好的视觉和力学效果，如图所示。然而，针对椭圆形钢管混凝土桥墩的研究还比较少，尚未形成规范的计算方法。图厦门演武大桥已有一些学者针对椭圆形钢管混凝土进行了研究，等完成了椭圆形钢管混凝土短柱的试验和设计方法研究；等进行了椭圆形钢管混凝土柱试验和分析方法研究。进一步地，任庆新等进行了椭圆形钢管混凝土长柱轴压性能的研究；等进行了椭圆形钢管混凝土在偏压荷载下力学性能响应的研究；刘习超等对椭圆形钢管混凝土柱进行了轴压、纯弯和压弯设计方法的研究；任庆新等、於忠华等进行了椭圆形钢管混凝土长柱偏压受力性能的系列研究。由于椭圆形钢管混凝土的复杂性，王静峰等进行了在压弯扭复合受力下椭圆 形钢 管 混 凝 土 的力学性 能 和 设 计 方 法 研究；许友武、等 进行了椭圆形钢管混凝土柱抗震性能的研究。可以看出，目前针对椭圆形钢管混凝土的研究均是针对水平荷载沿对称轴加载下的力学性能，如图所示。研究表明，椭圆形钢管混凝土柱受到沿截面对称轴方向水平荷载作用时，一般发生弯曲破坏。然而在实际应用过程中，椭圆形钢管混凝土柱会受到沿非对称轴的水平荷载作用。在如图所示的曲线桥梁中，椭圆形钢管混凝土柱受到水平荷载的角度是较为随机的，此时椭圆形钢管混凝土桥墩的力学性能尚不清楚。当椭圆形钢管混凝土柱受 年第期李克森等：不同角度荷载作用下椭圆形钢管混凝土桥墩压弯性能研究到沿非截面对称轴方向的荷载作用时，会发生柱的扭转弯曲破坏，且相关研究较少。本研究 利用 软件，建立并验证了能够精确预测椭圆形钢管混凝土桥墩的数值分析模型，对恒定轴压和不同加载角度单调水平荷载作用下的椭圆形钢管混凝土柱压弯性能进行了数值分析，对比了不同角度下的破坏模态、荷载位移曲线等结果，得到了不同荷载角度对桥墩承载性能影响的规律。图椭圆形钢管混凝土截面特征数值模拟 材料本构关系模型 软件中，由于钢管屈曲发展较快，基本上不会利用到钢材的强化段，故采用钢材的理想弹塑性模型进行模拟，其应力应变关系如图所示。钢材屈服强度和弹性模量取试验实测值，分别为 和 ，钢材在弹性阶段的泊松比取 。图钢材的应力应变关系曲线关于混凝土本构关系，本研究采用 提供的塑性损伤模型。该模型通过引入损伤因子对混凝土的弹性刚度矩阵进行折减，是塑性模型和线性损伤模型的组合，其主要的破坏机理为混凝土的受压破碎和受拉开裂两种。目前，国内外尚缺乏椭圆钢管混凝土的核心混凝土本构关系模型。本研究将椭圆形核心混凝土等效为圆形核心混凝土，其中等效直径的计算公式如下。（）（）（）（）式中：、分别为椭圆钢管长半轴和短半轴长度；为椭圆钢管的厚度。应力应变关系采用刘威 修正的钢管混凝土核心混凝土等效应力应变关系模型，该本构的表达式如下。（）（）核心混凝土单轴受拉应力应变关系如下。（）（）对于圆钢管混凝土：（）（）（）（）约束效应系数为：（）式中：，角标分别代表混凝土受压和受拉状态；，分别为混凝土受压峰值应变与应力；为混凝土圆柱体抗压 强度；（）；（）；，。混凝土泊松比取 ，设置混凝土受拉开裂时的应变为。计算中的混凝土的弹性模量和轴心抗压强度 均取试验实测值（采用文献 中压弯构件混凝土材性试验结果，由立方体抗压强度换算），分别为 和 。单元选取和网格划分模型由混凝土和钢管两部分组成。混凝土采用节点缩减积分三维实体单元（）；钢管厚度方向尺寸远小于其他两个方向，故采用节点缩减积分壳单元（），厚度方向采用个积分点的 积分，其相比实体单元具有更高的计算效率，同时也能保证模拟准确性。在有限元分析中，所涉及的部件全局种子大小均为，椭圆钢管混凝土网格划分如图所示。接触和边界条件在有限元模拟中，钢管与混凝土的界面关系采用接触（）模拟，切向接触选择库伦摩擦模型图椭圆形钢管混凝土墩柱中的罚函数（），摩擦系数取 ；法向接触采用硬接触（），并允许接触面发生分离。钢管 端 部 与 上、下 端 板 的 连 接 均 采 用 绑 定（），钢管上端板顶面耦合至参考点，约束其除竖向位移、水平加载向位移以及面内转角外的所有自由度，且施加轴向压力；下端板底面耦合至参考点，采用固端约束，约束所有自由度；加载板耦合至参考点，水平向位移荷载作用在，如图所示。图有限元模型数值模型的验证许友武 对椭圆钢管混凝土柱压弯及滞回性能进 行 了 试 验 研 究 和 理 论 分 析。本 研 究 以 其 中 、等个试件为验证样例，对其试验的破坏形态及荷载位移曲线与有限元模型分析结果进行对比。试件编号中，表示椭圆钢管混凝土全截面的截面比（椭圆截面长轴与短轴之比）；表示所用混凝土强度等级；字母 前的数字 表示柱的轴压比；表示中等长度柱且水平加载方向沿柱截面长轴方向；表示中等长度柱且水平加载方向沿柱截面短轴方向；表示长柱且水平加载方向沿柱截面长轴方向。本研究数值模型验证部分的试验加载方案如图所示；试件几何参数见表。图验证模型试验加载装置平面表文献 中试件几何参数试件编号长轴长度短轴长度钢管壁厚试件高度 本研究建立了与验证试件相同参数的椭圆钢管混凝土柱模型，模拟试验加载制度，得到试件有限元分析的变形及破坏特征，如图所示，其中，（）表示钢管下端部变形特征，（）表示混凝土下端截面破坏特征。对于椭圆截面钢管混凝土中柱 、（），钢管表现为局部外鼓，核心混凝土在鼓曲位置处发展压缩损伤，最 终 被 压 碎；对于长柱试件 （），破坏特征与短柱基本一致。此外，将有限元分析结果与文献中试验得到的承载力与荷载位移曲线进行了对比，结果如图所示。可以发现，在承载力方面，有限元模拟结果与试验值的误差均较小。在荷载位移曲线方面，由于在实际加载时存在有缝隙或受力不均匀等情况，仪器输出的位移会由于接触压实等原因略微偏大，公路 年第期 年第期李克森等：不同角度荷载作用下椭圆形钢管混凝土桥墩压弯性能研究图试验与有限元试件变形和破坏特征对比所以有限元模型的初始刚度略大于试验值。值得注意的是，长柱 构件的试验值与有限元分析的承载力、荷载位移曲线差异较大，其主要原因是在浇筑混凝土时，由于钢管截面尺寸较小、高度较大，人工灌注和振捣过程会导致混凝土存在较多的空隙和不密实等情况，试件整体刚度要小于有限元模型中的理想密实状态，截面承载能力会受核心混凝土的密实程度的影响。图试验值与有限元分析的荷载位移曲线对比整体而言，有限元曲线在弹性段、弹塑性阶段与试验曲线吻合较好。由此可见，前述有限元方法能够有效反映椭圆形钢管混凝土柱的实际受力情况，采用有限元方法对椭圆形钢管混凝土柱压弯性能进行参数化分析是可行的。数值结果分析使用有限元模拟对椭圆形钢管混凝土柱的压弯性能进行参数化分析，对不同的水平荷载加载角度、（与椭圆截面长轴方向夹角），不同长细比（圆钢管混凝土柱的长细比在此处不能适用，因此本研究选择通过相同截面不同柱体高度来区分长细比）的椭圆钢管混凝土柱进行有限元模拟研究，得到了各参数对椭圆钢管混凝土压弯性能的影响。分析 中，表 示 截 面 比 为 、混凝土强度等级为 、轴压比为 的椭圆形钢管混凝土中柱，试件几何参数与验证模型 、保持一致；表示截面比为 、混凝土强度等级为 、轴压比为 的椭圆钢管混凝土长柱，几何参数与验证模型 保持一致。此外，钢管及混凝土的本构参数与前文保持一致。模型加载方案和验证部分一致，轴压力由荷载控制，、轴压荷载分别取 、；水平荷载由位移控制。变形及破坏模态通过有限元分析，可以得到不同水平荷载加载角度下椭圆形钢管混凝土柱的变形特征，如图、图 所示。可以发现，不同水平荷载加载角度下椭圆形钢管混凝土柱的变形特征存在一定差异，整体呈现随角度增大，柱体变形增大的趋势。其次，当椭圆钢管混凝土柱绕椭圆截面长轴或短轴发生弯曲时（即荷载角度为、时），钢管柱体呈现纯弯曲变形，钢管表面的屈曲沿长轴或短轴对称；当椭圆钢管混凝土柱绕非长短轴发生弯曲时，柱体发生弯曲的同时也伴随着扭转，此时柱体的变形和破坏特征也更加复杂。此外，当椭圆钢管混凝土柱长细比提高后，柱体的压弯变形也更加显著。图 不同加载角度钢管变形和破坏特征图 不同加载角度钢管变形和破坏特征椭圆钢管混凝土柱的破坏特征主要表现为柱体下端部钢管的屈服、混凝土的压溃。具体来看，不同加载角度和长细比情况下，柱体的破坏特征基本一致，表现为在荷载作用下，椭圆钢管混凝土柱受压侧钢管受压向外鼓曲、内部混凝土压溃，受拉侧钢管受拉屈服、内部混凝土受拉产生裂缝；不同荷载角度下，钢管的鼓曲变形基本一致，但当柱体长细比增加后，钢管端部的鼓曲现象明显得到改善。水平荷载位移曲线通过有限元分析，得到不同荷载角度、不同长细比下椭圆钢管混凝土的水平荷载位移曲线，如图 所示。整体而言，各模型荷载位移曲线特征基本一致，弹性阶段曲线呈线性变化；塑性阶段荷载位移曲线也符合模型本构特征，达到极限荷载后，曲线的下降趋势不够明显。图 不同角度水平荷载作用下椭圆钢管混凝土柱荷载位移曲线对于同一椭圆钢管混凝土柱模型，绕长轴弯曲破坏的模型，弹性阶段刚度和极限荷载相较于绕短轴弯曲破坏的模型都显著降低，其主要是因为椭圆截面绕长轴的截面惯性矩远低于绕短轴的截面惯性矩。正是由于上述规律的存在，对于同一模型，随着水平荷载加载角度的增大，模型的初始刚度显著下降，具体表现为荷载位移曲线线性阶段的斜率下降，但曲线斜率的突变点和荷载最大值点持续向后移动。钢管及混凝土应变分析通过有限元分析，得到椭圆钢管 、椭圆钢管混凝土柱极限状态下的塑性应变区，如图、图 所示。图 中，云图高度取 柱体高度的一半，即 ；图 中，取 柱体高度的，即 。视图均为平行于椭圆截面长轴方向。观察应变云图可以发现，不同模型钢管和混凝土塑性应变区与其变形和破坏特征相互对应，均发 公路 年第期 年第期李克森等：不同角度荷载作用下椭圆形钢管混凝土桥墩压弯性能研究图 钢管混凝土塑性应变区图 钢管混凝土塑性应变区生在柱体的下端部，且主要集中在受压侧。具体而言，个工况中，钢管下端部的塑性应变区均未扩展至靠近端板区域，这是由于该部分在数值模拟中采用绑定连接（实际采用焊接），使得靠近端板区域的钢管约束情况复杂，难以屈服。此外，的塑性应变区位置相对于 的塑性应变区，沿着柱体发生了向上的移动，这说明在柱截面不变的情况下，随着柱体高度的增加，钢管混凝土柱的塑性区将向上扩展。承载力分析利用有限元分析，得到不同模型极限承载力如图 所示。容易发现，不同模型极限承载力随着荷载角度的增大均显著下降；但在角度均匀增加的同时，承载力的下降却表现出规律性的差异。以 为例，承载力下降的差异性具体表现为，荷载角度从 变化为 时，模型极限