第27卷　第4期2010年4月 公　路　交　通　科　技Journal of Highway and T ransportation Research and DevelopmentV ol 127　N o 14 Apr 12010文章编号:1002Ο0268(2010)04Ο0039Ο05收稿日期:2009Ο09Ο05作者简介:宋国森(1973-),男,江苏扬州人,博士研究生,研究方向为交通工程1(sssgggsss @sina 1com )单柱墩拟静力试验仿真计算案例宋国森1,李贵乾2,3(11东南大学　土木工程学院,江苏　南京　210096;21招商局重庆交通科研设计有限公司　桥梁结构动力学国家重点实验室,重庆　400067;31重庆交通大学　土木建筑学院,重庆　400074)摘要:在地震荷载作用下,钢筋混凝土桥墩是最易破坏的桥梁构件,如何较可靠地模拟钢筋混凝土桥墩在循环荷载作用下的非线性滞回反应是桥梁结构抗震研究的重要内容。

以呈弯曲破坏形态的钢筋混凝土桥墩的拟静力试验结果为依据,基于OpenSees 中的Beam withHingesE lement 单元,分别建立了圆形墩和矩形墩的滞回分析纤维单元模型。

由计算结果与试验结果对比可知,所建立的纤维单元模型对桥墩的骨架曲线及滞回曲线都有良好的模拟效果,且能体现桥墩在反复加载过程中刚度、强度退化现象。

关键词:桥梁工程;钢筋混凝土桥墩;拟静力试验;OpenSees ;纤维单元模型;仿真计算中图分类号:U443122 文献标识码:ASimulation Calculation for Pseudo Οstatic Te st of Reinforced ConcreteSingle Οcolumn Bridge PiersS ONG G uosen 1,LI G uiqian 2,3(11School of Civil Engineering ,S outheast University ,Nanjing Jiangsu 210096,China ;21S tate K ey Laboratory of Bridge S tructural Dynamics ,China Merchants Chongqing C ommunicationsResearch &Design Institute C o 1,Ltd 1,Chongqing 400067,China ;31School of Civil Engineering ,Chongqing Jiaotong University ,Chongqing 400074,China )Abstract :Rein forced concrete bridge pier is the m ost easily destroyed bridge member under seismic loading ,how to reliably simulate nonlinear hysteretic response of rein forced concrete bridge pier under cyclic loading is an im portant content in seismic resistance of bridge structure research field 1Based on the pseudo Οstatic test of RC bridge piers which have flexural failures ,the Beam withHingesE lement in OpenSees program was used to m odel the hysteretic behaviors of circular sectional and rectangular sectional bridge piers subjected to cyclic loading 1The com paris on between the com putation result and the experiment result shows that the established fiber element m odel can accurately simulate the backbone curves ,hysteretic curves of the piers and can als o reflect the degradation of stiffness and strength in the process of cyclic loading 1K ey words :bridge engineering ;RC bridge pier ;pseudo Οstatic test ;OpenSees ;fiber element m odel ;simula 2tion calculation 0　引言在2008年的“5112”汶川地震中,极震区以内的受震桥梁共有2000多座,绝大部分均出现不同程度的震害现象,100余座桥梁因震害使其承载能力严重下降,其中20多座桥梁坍塌,给震后的抢险救灾工作带来巨大的困难,造成了惨重的生命财产损失[1]。

包括汶川地震在内的几次大地震导致的桥梁工程的严重破坏,反映出桥梁结构的地震易损性,同时也显示了桥梁工程抗震研究的必要性与重要性。

图1　汶川地震中倒塌的桥梁Fig 11　The collapsed bridge in Wenchu an earthqu ake地震荷载作用下,钢筋混凝土桥墩通常是最易破坏的桥梁构件,桥墩作为承接桥梁上部结构和下部基础的中间构件,其滞回耗能性能的优劣在一定程度上决定了桥梁的整体抗震能力。

因此,如何较可靠地模拟钢筋混凝土桥墩在循环荷载作用下的非线性滞回反应是桥梁结构抗震研究的重要内容。

本文采用OpenSees 程序分别对一个圆形钢筋混凝土桥墩和一个矩形钢筋混凝土桥墩的拟静力试验结果进行了仿真计算。

计算结果与试验结果的比较表明所建立的钢筋混凝土桥墩仿真计算模型能较好的模拟桥墩在大变形时的骨架曲线及滞回曲线。

1　汶川地震中桥墩的弯曲破坏现象在汶川地震中,桥梁墩柱受到了较为严重的破坏,其破坏形态与20世纪90年代的几次破坏性地震(1994年美国LosAngeles 地震、1994年美国N orthRidge 地震、1995年日本K obe 地震)的桥墩破坏形态一致,主要表现为弯曲破坏、剪切破坏及弯剪破坏。

弯曲破坏主要发生在墩底塑性区以及固结墩墩顶。

墩底塑性区的破坏主要表现为弯曲延性不足,当位移水平较大时,墩底塑性区内的混凝土压应力超过无侧限抗压能力,造成保护层混凝土的剥落,并伴有纵筋的屈曲(见图2);而固结墩墩顶的破坏则主要表现为配筋不足、过早断裂,导致弯曲强度不足,配筋不足导致箍筋未能给核心混凝土提供足够的横向约束,压碎区很快开展到核心区域。

同时,箍筋的过早断裂导致塑性区核心混凝土的压溃以及纵筋的严重屈曲,使得桥墩的强度迅速降低,最后因不能承受上部结构重力荷载而破坏(见图2)。

进一步借助计算机,按照合理的材料本构关系和恰当的计算模型,对桥墩进行非线性全过程仿真计算分析,有助于获得对桥墩从受荷、开裂直至破坏过程的全面认识。

图2　汶川地震中桥墩破坏形态Fig 12　F ailure modes of piers in Wenchu an earthqu ake2　钢筋混凝土桥墩OpenSees 仿真计算模型211　OpenSees 程序简介OpenSees 全称为Open System F or Earthquake Engi 2neering Simulation [2],是由美国国家自然科学基金(NSF )资助、太平洋地震工程研究中心(PEER )主导、加州大学伯克利分校为主研发而成的,用于结构和岩土方面地震响应模拟的一个较为全面且不断发展的开放程序体系。

其程序代码是公开的,用户可以通过编程手段在程序中增加新的材料本构和单元类型。

该程序具有丰富的材料模型、单元模型、分析选项和强大的求解功能,集中反映了当今结构工程前沿领域许多崭新的研究成果,适用于结构在地震作用下的响应分析。

OpenSees 自1999年正式推出以来,已广泛用于太平洋地震工程研究中心和美国的一些大学和科研机构的科研项目中,较好地模拟了钢筋混凝土结构、桥梁、岩土工程等众多的实际工程、拟静力试验研究和振动台试验项目[3-4],已证明其具有较好的地震非线性响应数值模拟精度。

故本文亦采用OpenSees 作为4 公　路　交　通　科　技 第27卷钢筋混凝土桥墩拟静力试验仿真计算的分析软件。

212　纤维单元模型本文利用OpenSees 中基于柔度法的Beam with 2HingesE lement [2](以下简称为BHE )纤维单元模型对钢筋混凝土桥墩的非线性滞回性能进行分析。

模型由端部的塑性铰单元和上部的线弹性杆单元构成。

其中,塑性铰单元模拟桥墩的非线性性态(包括剪切效应、钢筋混凝土粘结Ο滑移效应),线弹性杆单元模拟桥墩的弹性反应;而混凝土和钢筋的应力Ο应变关系则反映在各纤维束中,纤维单元模型如图3所示(以圆形墩为例)。

BHE 纤维单元的主要参数为塑性铰单元长度L p 和线弹性杆单元的等效刚度EI eff。

图3　桥墩滞回分析纤维单元模型Fig 13　Fiber element model of pier for hysteretic analysis3　单柱墩拟静力试验仿真计算案例以下采用OpenSees 中的BHE 纤维模型分别对一个圆形钢筋混凝土桥墩和一个矩形钢筋混凝土桥墩的拟静力试验结果进行仿真计算,并与试验结果作对比。

311　单柱墩拟静力试验模型本文圆形墩的试验数据取自美国太平洋地震工程研究中心(Pacific Earthquake Engineering Research Cen 2ter ),试验由Lehman 等[5-6]在加州大学伯克利分校结构实验室完成;矩形墩的试验数据取自招商局重庆交通科研设计有限公司,试验由牛松山[7]等在桥梁结构动力学国家重点实验室完成。

试验桥墩均为弯曲破坏形态,桥墩的主要设计参数见表1。

表1　桥墩主要设计参数T ab 11　Main design p arameters of piers桥墩形状混凝土强度/MPa 纵筋强度屈服极限纵筋率/%配箍率/%截面尺寸/mm 测试墩高/mm 轴压比圆形314626301149017610487701072矩形354246101106016550×325270001225 BHE 纤维单元的塑性铰单元长度L p 和线弹性杆单元的等效刚度EI eff 分别按文献[8]相关规定计算,结果如表2所示。