基于mcf理論的鋼筋混凝土橋墩彎剪性能分析

基于mcf理論的鋼筋混凝土橋墩彎剪性能分析

1結構體系模型的構造在分析鋼筋混凝土橋梁的抗彎能力的數(shù)值方面，纖維單元模型、集中塑料薄膜模型和基于實體單元的有限模型得到了廣泛應用。但值得關注的是纖維模型忽略了構件的剪切變形成分,對于彎剪或剪切破壞控制的橋墩無法進行準確的模擬,集中塑性鉸模型雖然考慮橋墩彎曲、剪切和縱筋拔出對墩頂變形的影響,但由于從彎曲破壞的橋墩試件統(tǒng)計得來,僅適用于剪跨比較大、以彎曲破壞為主的橋墩試件。基于實體單元的有限元模型在強非線性情況下,計算收斂的困難是實體模型面臨的主要挑戰(zhàn),且計算效率也不能滿足工程結構抗震分析的需求。結合汶川大地震中回瀾立交橋、百花大橋橋墩發(fā)生的嚴重彎剪破壞,對這類橋墩構件的抗震能力進行準確的模擬分析,是實現(xiàn)全橋破壞過程和破壞機理認識的重要前提。在纖維模型的基礎上進一步考慮橋墩的剪切力-剪切位移關系,建立橋墩的彎剪數(shù)值分析模型,是近年來橋梁抗震研究的重要課題?；谛拚龎毫隼碚揗CFT(TheModifiedCompressionFieldTheory)計算鋼筋混凝土結構的剪切力-剪切位移關系,由于其準確性而得到重視。本文通過MCFT理論計算了橋墩的剪切力-剪切位移關系,并通過與試驗結果對比分析進行了合理改進,在此基礎上通過與纖維分析模型耦合,建立了鋼筋混凝土橋墩的彎剪數(shù)值分析模型,最后結合已有試驗結果對模型的準確性進行了驗證。2彎曲鉗分析模型的構建2.1剪數(shù)值分析模型確定鋼筋混凝土橋墩的剪切力-剪切位移關系,并通過彈簧單元與纖維單元模型串聯(lián),建立鋼筋混凝土橋墩的彎剪數(shù)值分析模型,如圖1所示。模型中,橋墩的彎曲變形通過纖維模型進行模擬,剪切變形通過MCFT理論考慮,通過兩者耦合共同考慮橋墩的彎剪作用。纖維模型中,混凝土單軸受壓應力-應變關系采用改進的Mander模型,采用Menegotto-Pinto模型描述縱筋的本構關系,可考慮反復荷載下縱筋的包興格效應。2.2修正壓力場理論MCFT的基本理論框架是1986年Vecchio和Collins在加拿大多倫多大學建立起來的,他們基于鋼筋混凝土平板加載試驗,提出了描述開裂混凝土受壓和受拉的本構關系,在考慮開裂混凝土中拉應力的基礎上,假定混凝土的主應力和主應變同向,并忽略鋼筋與混凝土之間的滑移,根據(jù)平衡方程、變形協(xié)調關系、鋼筋的應力-應變關系和受壓、受拉開裂混凝土的應力-應變關系,提出了鋼筋混凝土截面抗剪分析的修正壓力場理論(MCFT)?；贛CFT基本理論和平截面假定,將截面劃分為若干層,每層作為一個雙軸應力單元按MCFT進行分析,各層的縱向應變由平截面假定保證了協(xié)調性,并忽略了各層之間的夾持力,可用來完成鋼筋混凝土梁、柱構件在彎、剪、軸力組合作用下的荷載-位移全過程分析。同時,可方便地獲得構件直至破壞階段各個截面的剪應變分布情況,則橋墩剪切變形Δv可按下式計算。式中γ為沿橋墩x高度處柱截面的平均剪切應變,L為橋墩高度。通過計算橋墩各個荷載下的剪切變形,便可獲得構件受力全過程的剪切力-剪切變形關系。2.3mcft試驗結果建立橋墩的剪切力-剪切位移滯回關系是實現(xiàn)彎剪數(shù)值分析的關鍵,本文基于MCFT理論計算橋墩的剪切力-剪切位移骨架曲線,并通過與試驗結果的對比驗證進行合理改進。滯回規(guī)則采用Ozcebe和Saatcioglu建議的剪切滯回模型。以司炳君等進行的六個彎剪破壞鋼筋混凝土橋墩擬靜力試驗結果為依據(jù),對MCFT理論的計算精度進行驗證。首先基于MCFT計算了各橋墩試件的剪切力V與剪切位移Δv的關系及試件的彎曲開裂、剪切開裂、縱筋屈服和極限承載力狀態(tài),如圖2所示(限于篇幅,僅列出A1~A3試件結果)。同時,將計算的縱筋屈服荷載、極限荷載與試驗結果進行對比列入表1。從圖2可以看出,由于MCFT計算至橋墩極限荷載后便停止,得到的各橋墩試件剪切力-剪切位移關系呈雙折線形式,且剪切開裂荷載對應橋墩剪切力-剪切位移曲線中剛度的突變,而彎曲開裂和縱筋屈服并未引起橋墩剪切剛度的顯著變化。同時,由表1可知,基于MCFT理論計算的橋墩縱筋屈服荷載和極限荷載與試驗結果吻合良好。根據(jù)彈性理論,混凝土結構開裂前剪切剛度的估計可按下式計算:式中A為墩柱的截面積,L為柱高度,G為混凝土的剪切模量,可定義為式中μ為混凝土泊松比,本文取0.2,Ec為混凝土彈性模量。由于MCFT計算的墩柱剪切力-剪切位移關系在混凝土剪切開裂前基本為直線,本文將MCFT計算的剪切開裂前剛度與經(jīng)驗公式(2)計算的剛度值進行對比,如表1所示,可以看出,MCFT計算的橋墩彈性階段剪切剛度與經(jīng)驗公式吻合良好。2.4提高混凝土抗壓強度的方法基于纖維模型計算了各橋墩試件的極限荷載,并與試驗結果對比列入表2?？梢钥闯?與試驗結果相比,無論是MCFT還是纖維模型,對彎剪破壞橋墩極限承載力的計算都達到了很好精度。但值得關注的是,無論與纖維模型還是試驗結果相比,MCFT計算的極限荷載值均略偏低。這主要是由于MCFT理論采用開裂混凝土受壓和受壓的本構關系,未考慮箍筋約束效應引起的混凝土抗壓強度的提高,而纖維模型則考慮了箍筋約束效應?？紤]到MCFT理論計算的橋墩極限承載力略低于試驗結果,當利用MCFT理論計算的剪切力-剪切位移關系定義橋墩的抗剪骨架曲線并建立彎剪分析模型后,由于MCFT計算的橋墩極限承載力偏低,未達到橋墩實際承載能力,會使得纖維模型計算的橋墩彎曲變形成分大大減小,高估橋墩的剪切變形,導致計算結果產(chǎn)生較大誤差,如圖3所示。橋墩彎剪破壞的本質是塑性鉸形成后由于抗剪強度不足發(fā)生的剪切破壞,此時橋墩已經(jīng)達到極限抗彎能力,考慮到MCFT理論計算的橋墩極限承載力可能低于橋墩實際的抗彎能力,從而,在數(shù)值模型中低估橋墩的彎曲變形成分,本文建立剪切力-剪切位移骨架關系時進行了如下考慮。(1)剪切力-剪切位移骨架曲線采用圖4的折線形式,(Δcr、Vcr)點對應的是橋墩剪切開裂時的剪切位移與荷載,即圖2中剪切力-剪切位移曲線的拐點,(Δy、Vy)點則對應MCFT理論計算的極限位移與極限荷載,Vm則對應纖維模型計算的極限荷載。(2)自初始加載至(Δy、Vy)點的剪切力-剪切位移關系仍按照MCFT理論計算。(3)自(Δy、Vy)點至(Δm、Vm)點的剛度值取初始剛度的1/100。3關于試驗結果的模擬利用所建立的彎剪數(shù)值分析模型模擬了司炳君等進行的六個彎剪破壞橋墩試件的滯回曲線,并獲得了各試件的彎曲及剪切變形成分;同時,利用纖維單元模型對各橋墩試件進行了滯回性能的模擬,限于篇幅,僅給出了A1與A3試件的模擬結果,如圖5和圖6所示?？梢钥闯?彎剪分析模型模擬的滯回曲線與試驗結果吻合較好,與纖維模型模擬結果相比,彎剪分析模型的最大優(yōu)點在于更好的模擬了滯回曲線的捏攏效應。從彎曲與剪切變形成分進行分析,A1試件中,試件剪切變形占總變形的比重約為10%;對A3試件,剪切變形所占比重較大,嚴重破壞前剪切變形占總變形的比重約在30%左右,最終破壞時可達總變形的50%以上,即試件最終的變形由剪切破壞引起,這與鋼筋混凝土橋墩的彎剪破壞機理與破壞過程都很好的吻合。4試驗結果與分析本文基于MCFT理論建立了鋼筋混凝土橋墩的剪切力-剪切位移關系,并以纖維模型確定剪切力的極限荷載,進而與考慮橋墩彎曲變形的纖維單元模型耦合,建立了鋼筋混凝土橋墩的彎剪數(shù)值分析模型。并通過與六個圓形截面鋼筋混凝土橋墩的擬靜力試驗結果對比,驗證了模型的準確性,本文主要研究結論如下。(1)MCFT理論計算的彎剪破壞鋼筋混凝土橋墩的屈服荷載、極限荷載均與試驗結果吻合很好,計算的彈性階段剪切剛度與經(jīng)驗模型基本一致,實現(xiàn)了鋼筋混凝土橋墩在承載力意義上的準確預測。(2)剪切開裂是