钢管混凝土格构柱抗震性能研究

钢管混凝土格构柱抗震性能研究

胡靖

（贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司, 贵州 贵阳 550001）

摘 要：钢管混凝土格构柱正成为一种新型的桥墩结构，由于其优异的力学性能，被应用于大跨连续刚构桥的高墩中，且所处地区位于地震的活动地带，研究钢管混凝土格构柱的抗震性能，以指导工程应用。以某大跨连续刚构桥为研究对象，采用MIDAS建立主桥模型，对主桥进行地震响应分析，其次对主墩进行非线性分析，计算墩顶最大容许位移、塑性铰区墩底截面的最大内力，最后根据规范《公路桥梁抗震设计细则》，评估钢管混凝土格构柱的抗震性能。结果表明：E1地震作用下，墩顶位移与墩高之比小于2/1000，E2地震作用下，墩顶位移与墩高之比均小于4/1000；墩高较低的主墩内力较大，且墩底截面尺寸较小，地震作用时更容易发生破坏，需引起重视；主墩在E1、E2地震作用下，验算结果均满足规范要求，钢管混凝土格构柱抗震性能良好。

关键词：大跨连续刚构桥；抗震性能；钢管混凝土；格构柱 中图分类号： 文献标识码：

55m+120m+200m+105m，主梁采用预应力混凝土

引言

钢管混凝土组合格构柱已作为新型高桥墩结构形式应用于四川雅泸高速公路上的大跨度连续刚构桥中，墩高在黑石沟特大桥上达到155m，在腊八斤特大桥上更是达到了182.5m[1]，且均处于地震高烈度区, 因此需要对该结构的抗震性能进行研究，推进其在桥梁结构中的发展应用。其主要设计思路是：钢管内核心混凝土采用高强混凝土减小墩身截面尺寸；利用紧箍效应提高承载力并改善高强混凝土的脆性；钢管外侧设计外包混凝土形成钢管混凝土组合柱，提高桥墩延性和钢管耐久性；钢管混凝土柱肢间设计连接剪力墙形成格构，使较小直径的柱肢得到较大的截面抗弯刚度。

对传统四肢格构柱主要开展了以压弯为主的常用偏心率和长细比的试验研究和计算方法研究

[2-7]

箱型截面，桥墩采用钢管混凝土组合格构柱，最高墩高为155m。

桥墩墩身的一般截面形式如图1所示。

图1 组合截面(单位：10cm)

柱肢由内到外为：内填高强混凝土、钢管、外包层钢筋混凝土。柱肢由剪力墙连接。钢管尺寸为 132×2.4cm，外包层钢筋混凝土厚度为20cm，腹板钢筋混凝土厚度为50cm，每隔12m设置一道100cm厚的钢筋混凝土隔板。钢管采用Q345钢材，内填采用C80混凝土，外包层及腹板采用C30混凝土。

。

1基本概况

黑石沟特大桥是位于雅泸路荥经县凰仪乡跨黑石沟的一座大跨连续刚构桥，主桥跨径组合为

2有限元模型

收稿日期：

基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金（SWJTU12CX064）。 作者简介：胡靖（1988-），男，贵州安顺人，硕士研究生，从事桥梁组合结构行为研究.（[email protected]）

采用有限元程序Midas建立黑石沟特大桥左右两幅桥的空间三维模型，主梁、桥墩、横向联系均采用梁单元进行模拟。

对于桥墩采用的钢管混凝土组合截面，采用换算为一种材料的方式进行等效处理，将内填混凝土、腹板混凝土均等效为钢材，等效原则是：截面换算前后单元面积承受的合力大小不变，而且其应变相等。截面等效示意图见图2。

图2 截面等效示意图

主桥有限元模型见图3，共划分梁单元689个，节点数为641个。

图3 有限元模型图

3动力特性分析结果

动力特性分析是进行地震反应分析的基础。

对建立的黑石沟特大桥主桥有限元模型进行动力特性分析，计算了前40阶振型。表1列出了该桥前10阶振型的自振周期及振型特点。

振型阶次

周期（s） 频率（Hz） 振型特点 1 5.654 0.177 主梁横弯 2 4.137 0.242 主梁横弯 3 3.787 0.264 体系纵漂 4 2.202 0.454 主梁横弯 5 1.532 0.653 主梁横弯 6

1.221

0.819

主梁扭转

7 1.161 0.861 主梁竖弯 8 1.142 0.876 主梁竖弯 9 1.04 0.961 主梁扭转 10

0.994

1.006

主梁扭转

结构第一阶振型自振周期为5.654秒，受到高墩的影响，整个结构体系较柔，第一、二阶振型均为主梁、主墩横向弯曲，说明结构横向刚度较弱。前40阶振型计算结果显示，在纵向（X方向）的振型参与质量为91.17%，在横向（Y方向）的振型参与质量为91.65%，满足规范要求。其中

第一阶振型在横向的振型参与质量为70.60%，其余阶次在横向的振型参与质量均在10%以内；第三阶振型在纵向的振型参与质量为76.12%，其余阶次在纵向的振型参与质量均在10%以内。

4反应谱分析结果

本章采用多振型反应谱法对黑石沟特大桥主桥进行了E1、E2地震作用下的反应分析，地震动输入采用三种方式：1) 纵向；2) 横向；3) 纵向+横向。地震作用效应与永久作用效应组合后，得到以下结果：

（1）桥墩最大位移发生在墩顶，且各墩横向位移均大于纵向位移，说明主墩横向刚度较纵向小，最大内力发生在墩底，分析时应取墩顶作为位移控制截面，取墩底作为内力控制截面。

（2）E1地震作用下，各主墩墩顶发生不足30cm的位移，位移与墩高之比均小于2/1000。

（3）E2地震作用下，各主墩墩顶发生不足50cm的位移，位移与墩高之比均小于4/1000。

（4）纵向地震作用下，墩底内力以面内弯矩、纵向剪力、轴力为主，而面外弯矩、横向剪力、扭矩较小。

（5）横向地震作用下，墩底内力以面外弯矩、横向剪力、轴力为主，而面内弯矩与纵向剪力相对较小，存在一定的扭转作用。

（6）纵向+横向地震作用下，墩底内力均较大，墩高较小的主墩墩底内力较大，且墩底截面较小，因此墩高较小的主墩更容易发生破坏。

5抗震性能评估

建立主墩的整墩模型，在墩顶施加最不利轴

向力，并考虑墩身自重，分别在墩顶施加纵向和横向的水平荷载，直至墩底产生塑性铰，构件失效。加载示意图见图4。

可判断，主墩未进入塑性工作阶段，且满足墩顶变形验算要求。

（3）主墩在E1、E2地震作用下，均满足规范验算要求，钢管混凝土格构柱抗震性能良好。

6结论

本文以黑石沟特大桥为工程实例，对全桥进行地震响应分析，根据规范《公路桥梁抗震设计细则》评估钢管混凝土格构柱高墩大跨连续刚构桥的抗震性能。研究过程中得出以下成果：

（1）E1地震作用下，墩顶位移与墩高之比小于2/1000。E2地震作用下，墩顶位移与墩高之比小于4/1000。

（2）墩高较低的主墩内力较大，且墩底截面尺寸较小，地震作用时更容易发生破坏，设计需重视。

（3）主墩在E1、E2地震作用下，均满足规范验算要求，钢管混凝土格构柱抗震性能良好。

图4 加载示意图

对黑石沟特大桥主桥的高墩进行弯压性能分析，并根据分析结果按规范对其地震响应结果进行验算，评估主桥的抗震性能。所得结论如下：

（1）E1地震作用下，主墩墩底的面内、面外弯矩效应值均小于其屈服弯矩值，且弯矩效应值基本为屈服弯矩值的1/2，由此可判断，主墩处于弹性工作阶段。

（2）E2地震作用下，主墩墩底的面内、面外弯矩效应值均小于其屈服弯矩值，且主墩墩顶的纵向、横向位移值均小于其容许位移值，由此

参考文献：

[1] 汪碧云,杨君,牟廷敏,等.钢管混凝土组合高墩在大跨径连续刚构桥梁中的应用[J] .公路交通科技(应用技术

版),2011,80(8):46-51.

[2] 陈宝春,欧智菁.四肢钢管混凝土格构柱极限承载力试验研究[J].土木工程学报,2007,40(6):32-41. [3] 陈宝春,欧智菁.钢管混凝土偏压格构柱长细比影响试验研究[J].建筑结构学报,2006,27(4):73-79. [4] 欧智菁,陈宝春.钢管混凝土格构柱偏心受压面内极限承载力分析[J].建筑结构学报,2006,27(4):80-83. [5] 欧智菁,陈宝春.钢管混凝土格构柱极限承载力计算方法研究[J].土木工程学报,2008,41(1):55-63.

[6] Ou Zhi-jing, Chen Bao-chun. Experimental Research on Concrete Filled Steel Tubular Laced Columns Compressed

Eccentrically[C] //Composite and Hybrid Structures. Harbin: Proceedings of the 8thASCCS International Conference, 2006. [7] Chen Bao-chun, Ou Zhi-jing. Analyses on Critical Load of Concrete Filled Steel Tubular Laced Columns Compressed

Eccentrically[C] //Composite and Hybrid Structures. Harbin: Proceedings of the 8thASCCS International Conference, 2006.

钢管混凝土格构柱抗震性能研究

胡靖

（贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司, 贵州 贵阳 550001）

摘 要：钢管混凝土格构柱正成为一种新型的桥墩结构，由于其优异的力学性能，被应用于大跨连续刚构桥的高墩中，且所处地区位于地震的活动地带，研究钢管混凝土格构柱的抗震性能，以指导工程应用。以某大跨连续刚构桥为研究对象，采用MIDAS建立主桥模型，对主桥进行地震响应分析，其次对主墩进行非线性分析，计算墩顶最大容许位移、塑性铰区墩底截面的最大内力，最后根据规范《公路桥梁抗震设计细则》，评估钢管混凝土格构柱的抗震性能。结果表明：E1地震作用下，墩顶位移与墩高之比小于2/1000，E2地震作用下，墩顶位移与墩高之比均小于4/1000；墩高较低的主墩内力较大，且墩底截面尺寸较小，地震作用时更容易发生破坏，需引起重视；主墩在E1、E2地震作用下，验算结果均满足规范要求，钢管混凝土格构柱抗震性能良好。

关键词：大跨连续刚构桥；抗震性能；钢管混凝土；格构柱 中图分类号： 文献标识码：

55m+120m+200m+105m，主梁采用预应力混凝土

引言

钢管混凝土组合格构柱已作为新型高桥墩结构形式应用于四川雅泸高速公路上的大跨度连续刚构桥中，墩高在黑石沟特大桥上达到155m，在腊八斤特大桥上更是达到了182.5m[1]，且均处于地震高烈度区, 因此需要对该结构的抗震性能进行研究，推进其在桥梁结构中的发展应用。其主要设计思路是：钢管内核心混凝土采用高强混凝土减小墩身截面尺寸；利用紧箍效应提高承载力并改善高强混凝土的脆性；钢管外侧设计外包混凝土形成钢管混凝土组合柱，提高桥墩延性和钢管耐久性；钢管混凝土柱肢间设计连接剪力墙形成格构，使较小直径的柱肢得到较大的截面抗弯刚度。

对传统四肢格构柱主要开展了以压弯为主的常用偏心率和长细比的试验研究和计算方法研究

[2-7]

箱型截面，桥墩采用钢管混凝土组合格构柱，最高墩高为155m。

桥墩墩身的一般截面形式如图1所示。

图1 组合截面(单位：10cm)

柱肢由内到外为：内填高强混凝土、钢管、外包层钢筋混凝土。柱肢由剪力墙连接。钢管尺寸为 132×2.4cm，外包层钢筋混凝土厚度为20cm，腹板钢筋混凝土厚度为50cm，每隔12m设置一道100cm厚的钢筋混凝土隔板。钢管采用Q345钢材，内填采用C80混凝土，外包层及腹板采用C30混凝土。

。

1基本概况

黑石沟特大桥是位于雅泸路荥经县凰仪乡跨黑石沟的一座大跨连续刚构桥，主桥跨径组合为

2有限元模型

收稿日期：

基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金（SWJTU12CX064）。 作者简介：胡靖（1988-），男，贵州安顺人，硕士研究生，从事桥梁组合结构行为研究.（[email protected]）

采用有限元程序Midas建立黑石沟特大桥左右两幅桥的空间三维模型，主梁、桥墩、横向联系均采用梁单元进行模拟。

对于桥墩采用的钢管混凝土组合截面，采用换算为一种材料的方式进行等效处理，将内填混凝土、腹板混凝土均等效为钢材，等效原则是：截面换算前后单元面积承受的合力大小不变，而且其应变相等。截面等效示意图见图2。

图2 截面等效示意图

主桥有限元模型见图3，共划分梁单元689个，节点数为641个。

图3 有限元模型图

3动力特性分析结果

动力特性分析是进行地震反应分析的基础。

对建立的黑石沟特大桥主桥有限元模型进行动力特性分析，计算了前40阶振型。表1列出了该桥前10阶振型的自振周期及振型特点。

振型阶次

周期（s） 频率（Hz） 振型特点 1 5.654 0.177 主梁横弯 2 4.137 0.242 主梁横弯 3 3.787 0.264 体系纵漂 4 2.202 0.454 主梁横弯 5 1.532 0.653 主梁横弯 6

1.221

0.819

主梁扭转

7 1.161 0.861 主梁竖弯 8 1.142 0.876 主梁竖弯 9 1.04 0.961 主梁扭转 10

0.994

1.006

主梁扭转

结构第一阶振型自振周期为5.654秒，受到高墩的影响，整个结构体系较柔，第一、二阶振型均为主梁、主墩横向弯曲，说明结构横向刚度较弱。前40阶振型计算结果显示，在纵向（X方向）的振型参与质量为91.17%，在横向（Y方向）的振型参与质量为91.65%，满足规范要求。其中

第一阶振型在横向的振型参与质量为70.60%，其余阶次在横向的振型参与质量均在10%以内；第三阶振型在纵向的振型参与质量为76.12%，其余阶次在纵向的振型参与质量均在10%以内。

4反应谱分析结果

本章采用多振型反应谱法对黑石沟特大桥主桥进行了E1、E2地震作用下的反应分析，地震动输入采用三种方式：1) 纵向；2) 横向；3) 纵向+横向。地震作用效应与永久作用效应组合后，得到以下结果：

（1）桥墩最大位移发生在墩顶，且各墩横向位移均大于纵向位移，说明主墩横向刚度较纵向小，最大内力发生在墩底，分析时应取墩顶作为位移控制截面，取墩底作为内力控制截面。

（2）E1地震作用下，各主墩墩顶发生不足30cm的位移，位移与墩高之比均小于2/1000。

（3）E2地震作用下，各主墩墩顶发生不足50cm的位移，位移与墩高之比均小于4/1000。

（4）纵向地震作用下，墩底内力以面内弯矩、纵向剪力、轴力为主，而面外弯矩、横向剪力、扭矩较小。

（5）横向地震作用下，墩底内力以面外弯矩、横向剪力、轴力为主，而面内弯矩与纵向剪力相对较小，存在一定的扭转作用。

（6）纵向+横向地震作用下，墩底内力均较大，墩高较小的主墩墩底内力较大，且墩底截面较小，因此墩高较小的主墩更容易发生破坏。

5抗震性能评估

建立主墩的整墩模型，在墩顶施加最不利轴

向力，并考虑墩身自重，分别在墩顶施加纵向和横向的水平荷载，直至墩底产生塑性铰，构件失效。加载示意图见图4。

可判断，主墩未进入塑性工作阶段，且满足墩顶变形验算要求。

（3）主墩在E1、E2地震作用下，均满足规范验算要求，钢管混凝土格构柱抗震性能良好。

6结论

本文以黑石沟特大桥为工程实例，对全桥进行地震响应分析，根据规范《公路桥梁抗震设计细则》评估钢管混凝土格构柱高墩大跨连续刚构桥的抗震性能。研究过程中得出以下成果：

（1）E1地震作用下，墩顶位移与墩高之比小于2/1000。E2地震作用下，墩顶位移与墩高之比小于4/1000。

（2）墩高较低的主墩内力较大，且墩底截面尺寸较小，地震作用时更容易发生破坏，设计需重视。

（3）主墩在E1、E2地震作用下，均满足规范验算要求，钢管混凝土格构柱抗震性能良好。

图4 加载示意图

对黑石沟特大桥主桥的高墩进行弯压性能分析，并根据分析结果按规范对其地震响应结果进行验算，评估主桥的抗震性能。所得结论如下：

（1）E1地震作用下，主墩墩底的面内、面外弯矩效应值均小于其屈服弯矩值，且弯矩效应值基本为屈服弯矩值的1/2，由此可判断，主墩处于弹性工作阶段。

（2）E2地震作用下，主墩墩底的面内、面外弯矩效应值均小于其屈服弯矩值，且主墩墩顶的纵向、横向位移值均小于其容许位移值，由此

参考文献：

[1] 汪碧云,杨君,牟廷敏,等.钢管混凝土组合高墩在大跨径连续刚构桥梁中的应用[J] .公路交通科技(应用技术

版),2011,80(8):46-51.

[2] 陈宝春,欧智菁.四肢钢管混凝土格构柱极限承载力试验研究[J].土木工程学报,2007,40(6):32-41. [3] 陈宝春,欧智菁.钢管混凝土偏压格构柱长细比影响试验研究[J].建筑结构学报,2006,27(4):73-79. [4] 欧智菁,陈宝春.钢管混凝土格构柱偏心受压面内极限承载力分析[J].建筑结构学报,2006,27(4):80-83. [5] 欧智菁,陈宝春.钢管混凝土格构柱极限承载力计算方法研究[J].土木工程学报,2008,41(1):55-63.

[6] Ou Zhi-jing, Chen Bao-chun. Experimental Research on Concrete Filled Steel Tubular Laced Columns Compressed

Eccentrically[C] //Composite and Hybrid Structures. Harbin: Proceedings of the 8thASCCS International Conference, 2006. [7] Chen Bao-chun, Ou Zhi-jing. Analyses on Critical Load of Concrete Filled Steel Tubular Laced Columns Compressed

Eccentrically[C] //Composite and Hybrid Structures. Harbin: Proceedings of the 8thASCCS International Conference, 2006.