CN107974953B - 一种提高y型桥墩抗震能力的方法 - Google Patents

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Abstract

一种提高Y型桥墩抗震能力的方法，属于城市高架桥桥墩工程技术领域。该提高Y型桥墩抗震能力的方法包括：在Y型桥墩的两肢臂中间设置横梁，将两肢臂连接，同时，Y型桥墩的横梁处布置预应力钢筋，在Y型桥墩的两肢臂处和U形槽处均设置加密箍筋；所述的Y型桥墩的两肢臂处的加密箍筋采用的标号同Y型桥墩非加密区箍筋标号，所述的Y型桥墩的U形槽处的加密箍筋采用的标号宜高于Y型桥墩非加密区箍筋标号。本方法采用横梁布置预应力钢筋，受力明确，定位方便；形成的近似于三角形结构，稳定性高；塑性铰墎身箍筋加密，有效的解决了两肢臂及U形槽附近抗震薄弱区域的加固问题，工程量少，维护方便。

Description

一种提高Y型桥墩抗震能力的方法
技术领域
本发明涉及城市高架桥桥墩工程技术领域，特别涉及一种提高Y型桥墩抗震能力的方法。
背景技术
Y型桥墩以美观大方的特点受到城市立交桥、高架桥设计者的青睐。但Y型桥墩的墩身因其结构的重要性和结构形式的特殊性，导致这些结构在地震灾害发生时尚存在许多薄弱环节。目前，国内外对于Y型桥墩的抗震设计没有相关的规范可循，对于其抗震性能的研究较少。交通部自2008年10月1日执行的《公路桥梁抗震设计细则》在抗震设计的理念和思路要领、地震作用取值、抗震设计的要领等方面均有很大程度的不同和改善，对于墩柱抗震增加了6.2节桥梁延性抗震设计和6.8节能力保护构件计算的有关规定，增加了8节延性构件细节设计的有关规定，但针对钢筋混凝土Y型桥墩并未提出相关设计理论和具体构造措施。
城市高架桥Y型桥墩作为异形桥墩的一种，其抗震能力的研究不同于一般的矩形桥墩，而更多的与自身的尺寸比例有关，即肢臂尺寸所占比例除了满足桥下足够的净空外，还考虑较小的占地面积承托较宽的桥面，保证桥墩在上述条件稳定的基础上还应具有一定的抗震能力，故此，Y型桥墩在设计起来极为复杂。以往的Y型桥墩普遍存在抗震性能不强的现象，随着国家对城市高架桥抗震性能的重视，保障突遇地震时“交通生命线”能为抗震救灾发挥有效的作用，迫切需要一种可以提高Y型桥墩抗震能力的加固方法。
导致桥墩结构倒塌破坏和结构使用功能降低的主要原因是地震动产生的损坏。地震下桥墩的倒塌破坏不单取决于桥墩最大能承受的变形，还取决于与桥墩受低周疲劳效应所产生的损伤累积。结构最大的变形和累积的损伤参数通常可用来描述结构的塑性性能，因此，在Y型桥墩的本构模型里加入损伤参量，开展强震作用下钢筋混凝土Y型桥墩弹塑性地震反应研究，并进行钢筋混凝土Y型桥墩破坏全过程模拟，系统分析强震作用下的结构整体性能退化规律和损伤破坏特性，对损伤破坏机理进行深入研究，如塑性铰的变化规律和耗能能力的分析，即可找出Y型桥墩的抗震薄弱点，并对Y型桥墩的安全性做出科学和实用性的评估，然后进行抗震性的加固，可有效提高钢筋混凝土Y型桥墩的抗震能力。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种提高Y型桥墩抗震能力的方法，该方法有效提高了Y型桥墩的抗震能力。
本发明的一种提高Y型桥墩抗震能力的方法，包括以下步骤：
步骤1、横梁加固
在Y型桥墩的两肢臂中间设置横梁，将两肢臂连接，同时，Y型桥墩的横梁处布置预应力钢筋，具体为，在横梁的上端布置一排预应力钢筋，在横梁的下端布置一排预应力钢筋；
步骤2、塑性铰墎身箍筋加密
在Y型桥墩的两肢臂处和U形槽处均设置加密箍筋；
其中，Y型桥墩的两肢臂处箍筋的加密范围为不小于3H，其中，H为桥墩截面高度，从墩肢顶面开始为箍筋加密范围起点；
Y型桥墩的U形槽处箍筋的加密箍筋范围为不小于3H，其中，H为桥墩截面高度，从墩肢底面开始为箍筋加密范围起点；
所述的Y型桥墩的两肢臂处的加密箍筋采用的标号同Y型桥墩非加密区箍筋标号，所述的Y型桥墩的U形槽处的加密箍筋采用的标号宜高于Y型桥墩非加密区箍筋标号。
所述的步骤1中，所述的预应力钢筋的张拉方式为一端张拉，为张拉端，另一端固定，为固定端；预应力钢筋的排列采用按交错单端张拉方式。
所述的步骤1中，所述的张拉端采用张拉端锚具，固定端采用固定端锚具。
所述的步骤1中，所述的横梁，其横梁截面刚度等于两肢臂刚度。
所述的步骤2中，所述的设置加密箍筋处，其加密箍筋的间距为普通箍筋间距的1/2～1/3。
与现有技术相比，本发明的一种提高Y型桥墩抗震能力的方法，其特点和有益效果是：
(1)本发明通过在Y型桥墩横梁处设置预应力钢筋，横梁截面刚度达到与两肢臂接近，在地震的反复推拉过程中可近似于三角形结构，稳定性高，可有效提高Y型桥墩上部区域的力学性能。
(2)横梁布置预应力钢筋的方法，受力明确，定位方便，适用于Y型桥墩施工。
(3)塑性铰墎身箍筋加密，有效的解决了两肢臂及U形槽附近抗震薄弱区域的加固问题，因加固而增加的工程量也不大，维护也很方便。
附图说明
图1为本发明Y型桥墩横梁处预应力钢筋布置图；
图2为Y型桥墩两肢臂处和U形槽处设置加密箍筋区域图；
图3混凝土Y型桥墩有限元模型图；
图4为5组加载制度图，其中，PC为试件组；
图5为5组试件墩底荷载与墩顶水平位移的滞回曲线，其中，PC为试件组。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
实施例
本实施例中的城市高架Y型桥墩，底截面尺寸为160cm×500cm，两肢臂截面尺寸为160cm×190cm，城市高架Y型桥墩的墩身材料为C40混凝土，城市高架Y型桥墩的墩身采用HRB335钢筋。
(一)一种提高Y型桥墩抗震能力的方法，包括以下步骤：
步骤1、横梁加固
在Y型桥墩的两肢臂中间设置横梁，将两肢臂连接，同时，Y型桥墩的横梁处布置预应力钢筋，Y型桥墩横梁处预应力钢筋布置见图1，具体为，在横梁的上端布置一排N1～N13预应力钢筋，在横梁的下端布置一排N14～N26预应力钢筋；
预应力钢筋组成预应力钢束，用预应力钢束产生的外力来平衡Y型桥墩顶配重对两肢臂作用而产生于横梁内的内力。
所述的预应力钢筋为Φ32冷拉精轧螺纹粗钢筋。所述的预应力钢筋张拉吨位为632KN；
所述的预应力钢筋的张拉方式为一端张拉，为张拉端，另一端固定，为固定端；预应力钢筋的排列采用按交错单端张拉方式，相邻钢筋不得同方向同时张拉。
张拉端采用张拉端锚具，固定端采用固定端锚具；
所述的固定端锚具和张拉端锚具均采用VSL15—9型锚具；
步骤2、塑性铰墎身箍筋加密
在Y型桥墩的两肢臂处和U形槽处均设置加密箍筋，其Y型桥墩两肢臂处和U形槽处设置加密箍筋区域图见图2，其中，两肢臂的加密箍筋范围为480cm，U形槽处加密箍筋范围为480cm。两肢臂的加密箍筋采用Φ12钢筋，U形槽处的加密箍筋采用Φ16钢筋。
(二)提高Y型桥墩抗震能力方法的效果验证方法如下：
根据相似理论建立Y型桥墩有限元模型，进行通过本实施例方法改进的Y型桥墩抗震性能的模型模拟研究。以现有的Y型桥墩设计尺寸作为参数，以某市二环路改造工程Y型桥墩为背景。选用ABAQUS有限元仿真软件进行理性弹塑性模型的模拟，假定混凝土和钢筋之间是理想粘结。弹塑性阶段之后，结构体系的阻尼耗能和塑性变形是消耗地震的总输入能量两大主要部分，根据能量平衡的原则，如果地震动作用于结构的能量能通过结构的塑性变形、阻尼和滞回的方式消耗掉，那么此结构可很好的抵御地震动荷载，不会倒塌破坏。而Y型桥墩的承载力在地震下会随着薄弱区域塑性铰的发展而逐步造成墩身的性能退化，耗能能力降低，其承载能力及延性的损失增大，导致其最终损伤破坏。
上述有限元模型的设计
1、计算参数的选取
桥墩混凝土：混凝土C40，泊松比：0.1667，弹性模量：3.25×104MPa，容重：26kN/m3。
墩身钢筋采用HRB335钢筋，两肢臂的主钢筋为Φ32钢筋和Φ28钢筋的组合，箍筋采用Φ12钢筋；横梁的主钢筋是JL32筋和Φ12钢筋的组合，箍筋采用Φ16；U形槽以下区域的主钢筋用两排Φ20钢筋顺桥向排列，箍筋采用Φ16钢筋。
横梁的预应力精轧螺纹钢筋张拉吨位：632kN，泊松比：0.3，弹性模量：1.95×105MPa，容重：82kN/m3，标准强度：930MPa。
引进塑性变形下损伤因子的概念来确定基于规范提供的混凝土本构关系的塑性本构关系参数，基于此确定C40混凝土的计算参数：
C40混凝土的计算参数
2、墩身模型的建立
混凝土构件取20节点六面体单元C3D20R，钢筋取用两节点三维桁架单元T3D2，使用ABAQUS/Standard进行求解模型如图3。其中，图3中，(a)为桥墩试件模型，(b)为桥梁钢筋模型。箍筋的间距为200mm，箍筋加密区的间距为100mm，箍筋的布置方式如图；主钢筋绑扎在箍筋上，间距为110mm；U形槽以下区域，在靠近U形槽的区域和墩底各布置4排长为2200mm的连接钢筋Φ16，每排4根间距为280mm的Φ16钢筋，每排间距为150mm；横梁的箍筋间距为150mm。
3、预应力横梁的施加
ABAQUS中预应力桁架单元最常用的实现方法是降温法，即建立温度与膨胀的关系式，根据结构降温收缩的原理使钢筋对混凝土产生张拉的效果。预应力钢筋张拉力为632kN，弹性模量为1.95×105MPa，钢筋的直径为32mm,横梁上下两端均是受拉区，预应力钢筋的总数为26根。其中，温度与膨胀的关系式为：
温度＝-力/(温度膨胀系数×弹性模量×钢绞线面积)。
(三)提高Y型桥墩抗震能力方法的效果验证方法中模型模拟测试内容及模拟结果，如下：
(1)控制荷载的选取
为了更贴合墩身的实际运动，依次在Y型桥墩的顺桥向和横桥向两个方向进行推覆，进而分析其地震下的损伤机理。位移加载的幅值与屈服位移的选定有关，屈服位移以内的混凝土构件可看作是弹性材料，而不做损伤研究。基于确定屈服位移和极限位移的方法，为了尽可能的模拟桥墩在强震下的破坏规律，最终采用的试验方法如下表：
试验组的加载方案
为了更好的研究塑性铰的变化规律，增一组PC-5试件的加载制度，PC-5组是对比试验组，目的是探究急速的大变形下对Y型桥墩损伤的影响。通过位移加载幅值、加载顺序对Y型桥墩破坏产生的影响，根据不同加载下Y型桥墩的耗能变化特点，研究预应力混凝土Y型桥墩的破坏机理，5组加载制度如图4。
(2)推覆作用下桥墩模型
数值模拟得到的5组试件墩底荷载与墩顶水平位移的滞回曲线如图5，PC-1试件的滞回曲线呈明显的“梭形”，滞回环面积较小；PC-2试件有一定的捏缩现象，滞回环较饱满；PC-3试件滞回包络面积较大，捏缩现象较为严重；PC-4试件滞回包络面积最小，水平反力下降的速度也慢；PC-5试件呈现较为饱满的“梭形”。模型的塑性铰发展会产生如下结果：地震下桥墩U形槽区域由于应力集中引起率先损伤，并导致墩柱内力的重分布，两肢臂承受过多的内力，底端塑性铰会因为持续的反复力作用而向上移动，直至形成贯通性损伤。
经过上述Y型桥墩经过有限元模型模拟分析后，可看出两肢臂的抗剪能力并不强，两肢臂在经过箍筋加密后可有效的抵抗地震的作用；U形槽区域是应力集中点，U形槽往下直到墩底是易发生贯通性损失的区域，在U形槽设置加密的箍筋，可避免因该区域的过早破坏而引起的结构失稳的情况；横梁采用了JT32的预应力钢筋，截面刚度与两肢臂接近，使其在反复推拉过程中可近似于三角形结构，稳定性提高。故此，通过两个步骤的加固可有效改善了混凝土Y型桥墩的抗震性能，达到预期效果。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实例模拟，可以理解的是，上述实例模拟是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实例进行变化、修改、替换和变型，这些修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (4)

1.一种提高Y型桥墩抗震能力的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、横梁加固
在Y型桥墩的两肢臂中间设置横梁，将两肢臂连接，同时，Y型桥墩的横梁处布置预应力钢筋，具体为，在横梁的上端布置一排预应力钢筋，在横梁的下端布置一排预应力钢筋；
步骤2、塑性铰墎身箍筋加密
在Y型桥墩的两肢臂处和U形槽处均设置加密箍筋；
其中，Y型桥墩的两肢臂处箍筋的加密范围为不小于3H，其中，H为桥墩截面高度，从墩肢顶面开始为箍筋加密范围起点；
Y型桥墩的U形槽处箍筋的加密箍筋范围为不小于3H，其中，H为桥墩截面高度，从墩肢底面开始为箍筋加密范围起点；
所述的Y型桥墩的两肢臂处的加密箍筋采用的标号同Y型桥墩非加密区箍筋标号，所述的Y型桥墩的U形槽处的加密箍筋采用的标号高于Y型桥墩非加密区箍筋标号。
2.如权利要求1所述的一种提高Y型桥墩抗震能力的方法，其特征在于，所述的预应力钢筋采用交错单端张拉方式。
3.如权利要求1所述的一种提高Y型桥墩抗震能力的方法，其特征在于，所述的步骤1中，所述的横梁，其横梁截面刚度等于两肢臂刚度。
4.如权利要求1所述的一种提高Y型桥墩抗震能力的方法，其特征在于，所述的步骤2中，所述的设置加密箍筋处，其加密箍筋的间距为普通箍筋间距的1/2~1/3。
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