自復(fù)位消能橋墩抗震性能研究（建筑）
相關(guān)鏈接： 中國安全網(wǎng) 中國質(zhì)量網(wǎng) 中國論文網(wǎng) 中國資訊網(wǎng)
自復(fù)位消能橋墩抗震性能研究（建筑）
林 青，張興璞，趙園園
（邢臺職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北邢臺054035）
[摘要]介紹自復(fù)位消能橋墩的基本概念及研究意義，基于SAP2000平臺建立自復(fù)位消能橋墩的多彈簧模型，提出用多線性彈性彈簧代替預(yù)應(yīng)力筋，用彈塑性彈簧代替阻尼器的簡化數(shù)值模擬方法，并對該模型進(jìn)行Pushover分析，研究自復(fù)位組件及耗能組件對橋墩滯回性能的影響。同時對自復(fù)位消能橋墩和傳統(tǒng)橋墩進(jìn)行非線性動力時程分析，研究兩種橋墩在地震波下的抗震性能。結(jié)果表明自復(fù)位消能橋墩多彈簧模型地震作用下性能穩(wěn)定，地震作用下自復(fù)位消能橋墩的柱頂最大位移大于傳統(tǒng)橋墩，殘余位移明顯小于傳統(tǒng)橋墩結(jié)構(gòu)，橋墩震后性能良好。
[關(guān)鍵詞]自復(fù)位消能橋墩；橋墩組件參數(shù)；多彈簧模型；擬靜力分析；動力時程分析
[中圖分類號]TU352
0 引言
按照延性設(shè)計方法的傳統(tǒng)橋梁在地震過后將引起永久殘余變形，破壞損壞嚴(yán)重的橋梁需重建；而隔震設(shè)計采用的隔震元件造價比較昂貴，且施工安裝不太方便。和自復(fù)位剪力墻加入軟鋼阻尼器等結(jié)構(gòu)相似，自復(fù)位消能橋墩可以確保地震后自行消除結(jié)構(gòu)自身的永久變形，又可以使結(jié)構(gòu)在遭遇大震后仍可以繼續(xù)使用，保證地震中橋梁的安全運輸功能，其原理是通過分離橋墩柱和基礎(chǔ)，使橋墩在地震下發(fā)生搖擺，再在最易破壞的柱底安裝消能裝置提高橋墩的耗能能力，即耗能專門集中于耗能裝置中，從而減小地震的響應(yīng)，橋墩在經(jīng)歷強烈地震后僅僅需要更換耗能裝置即可恢復(fù)使用。本文研究的自復(fù)位消能橋墩由橋墩本身承重，由后張拉無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋自復(fù)位組件提供恢復(fù)力，采用位移相關(guān)型的金屬阻尼器消耗地震能量，采用類似于滾軸水平放置的滑動鉸支座方式處理橋墩和墩臺的接頭。
由于自復(fù)位消能橋墩中混凝土與預(yù)應(yīng)力無粘結(jié)，其應(yīng)力應(yīng)變不協(xié)調(diào)，傳統(tǒng)的模擬設(shè)計技術(shù)不再實用。1999年，EI-Sheikh等提出了纖維模型和集中塑性模型，國內(nèi)黨像梁、呂西林等對自復(fù)位預(yù)應(yīng)力剪力墻利用ABAQUS建立了結(jié)構(gòu)的實體單元、平面單元和薄殼單元的有限元模型，為進(jìn)一步給自復(fù)位組件和消能組件的設(shè)計提供依據(jù)。本文基于有限元軟件SAP2000建立自復(fù)位消能橋墩多彈簧模型，并對其進(jìn)行非線性靜力和非線性動力時程分析，驗證模型的適用性，揭示自復(fù)位組件參數(shù)和耗能組件參數(shù)等對橋墩抗震性能的影響，并通過與傳統(tǒng)橋墩對比，驗證自復(fù)位消能橋墩具有控制結(jié)構(gòu)殘余變形的良好性能。
1 橋墩多彈簧模型
本文基于SAP2000有限元軟件建立自復(fù)位消能橋墩多彈簧有限元模型。承重組件采用普通鋼筋混凝土框架柱單元，混凝土采用C40。截面是400mm×400mm，柱高1700mm，縱筋采用16根HRB335
12，箍筋
6@60，保護(hù)層為40mm。為簡化計算，本文只考慮橋面恒載，其等效為作用在橋柱墩的頂面中心的集中荷載，分析中未考慮橋墩的P-△效應(yīng)。
自復(fù)位組件使用多線性彈性連接單元( Multilinear Elastic)模擬提供自復(fù)位能力的后張無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋。此多線性彈性連接單元的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系是非線性的，且彈性連接單元在加載和卸載過程中路線一致，沒有能量耗散。為保證橋墩的復(fù)位，要求彈簧始終保持在彈性范圍。預(yù)應(yīng)力筋與混凝土柱之間的無粘結(jié)效應(yīng)模擬主要做到了：①兩者分離構(gòu)建，忽略無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋與混凝土之間的摩擦效應(yīng)和預(yù)應(yīng)力損失；②結(jié)構(gòu)加載后，兩者之間的變形協(xié)調(diào)，所以橋墩頂部區(qū)域與預(yù)應(yīng)力共享節(jié)點（通過指定柱墩節(jié)點和連接彈簧節(jié)點為剛體束縛）。
耗能單元采用Multilinear plastic塑形連接單元模擬。采用兩節(jié)點連接繪制Multilinear plastic單元，一端用節(jié)點約束固接于大地，另一端是通過指定其上端點與柱相同高度處的節(jié)點為剛體束縛（連接單元和柱相應(yīng)位置相當(dāng)于剛體一起變形）固定在橋墩柱上，Multilinear plastic單元只定義其Ul方向有非線性屬性。
采用SAP2000提供的只受壓不受拉的Gap單元來模擬自復(fù)位消能橋墩基礎(chǔ)和柱子是分離連接形式（基礎(chǔ)只直接承受柱子的壓力而不受拉）。橋墩柱在水平荷載下，一端抬起承受阻尼器的拉力，另一端受壓，繞受壓點搖擺，同時為簡化計算模型，不考慮橋墩柱在柱底的受剪，通過在Gap單元的一端指定節(jié)點約束限制Gap單元的水平位移，這在實際橋墩設(shè)計中可在橋墩柱底設(shè)置摩擦系數(shù)很大的材料或者設(shè)置嵌合接頭來限制柱子的剪切破壞基本等效。
為了保證Gap單元、阻尼器消能單元和橋墩柱的連接固定關(guān)系，設(shè)置一個剛臂單元來連接這些組件。本文的剛臂用框架單元型鋼梁代替，在SAP2000中先選中剛臂上的節(jié)點，然后指定節(jié)點剛體( body)束縛來限制剛臂上出現(xiàn)彎曲變形、軸力變形和剪切變形，用以保證Gap單元和橋墩柱以及橋墩柱和阻尼器耗能單元的協(xié)調(diào)變形。
2 自復(fù)位消能橋墩基于SAP2000的靜力彈 塑性分析
采用X向的均布加載模式對模型進(jìn)行靜力彈塑性分析，選擇柱頂水平位移X為柱高的1%(17mm)作為控制目標(biāo)，研究預(yù)應(yīng)力筋初始張拉力F P0、預(yù)應(yīng)力筋的剛度k p、阻尼器的剛度k d、屈服力f、布置位置（b1，b2分別為阻尼器距離柱右邊側(cè)距離）對橋墩抗震性能的影響，模型中預(yù)應(yīng)力筋的初始預(yù)應(yīng)力用附加于柱頂?shù)呢Q向荷載代替，基底剪力為P。以FP0=320kN、k p=333kN/m mf=60kN、k d：300kN/mm、b1=350mm、b2=50mm為基準(zhǔn)，分別
對比不同 Fp0(320kN，200kN，100kN)、k p(333kN/mm, 250kN/mm, 166kN/mm)、f y(60kN,40kN, 50kN)、k d(300 k N/mm, 250 k N/mm,350 k N/mm)、b1,b2(350mm,50mm;300mm,100mm;400mm，0)的地震反應(yīng)。模擬結(jié)果見圖3～圖8。
由圖3所得結(jié)果基底剪力由0增大到173kN時柱頂開始出現(xiàn)水平位移，定義此時對應(yīng)的基底剪力為自復(fù)位消能橋墩柱開始轉(zhuǎn)動的臨界力�；准袅Υ笥谂R界力后曲線的斜率表示柱墩的剛度。圖4表明相同水平力作用下，阻尼器的屈服力越大，柱頂?shù)乃轿灰圃叫。礃蚨罩膹姸仍酱�，所以在設(shè)計橋墩柱時可以適當(dāng)提高阻尼器的屈服力，這樣可以增加耗能。圖5表明，阻尼器的初始剛度對自復(fù)位橋墩柱的強度影響不大。圖6表明，預(yù)應(yīng)力筋的剛度越大，橋墩柱在搖擺過程中的剛度也越大，所以在確定基于位移的設(shè)計中可以適當(dāng)提高預(yù)應(yīng)力筋的剛度，即控制預(yù)應(yīng)力的剛度可以控制柱頂?shù)奈灰啤D7表明，預(yù)應(yīng)力筋的初始張拉力越大，橋墩柱的臨界荷載越大，但從理論上分析預(yù)應(yīng)力筋的初始張拉力不易過大，否則柱底相當(dāng)于固接，自復(fù)位橋墩和傳統(tǒng)橋墩將無實質(zhì)區(qū)別。圖8表明，阻尼器的位置對搖擺橋墩柱的性能也有影響，因為阻尼器是位移相關(guān)型的金屬阻尼器，其變形越大耗能越大，阻尼器采用外置，即b1= 400mm時，橋墩在相同水平力下柱頂位移最小，即阻尼器采用外置時橋墩耗能大。
由圖可知，在水平力達(dá)到臨界荷載前，曲線的斜率是接近無窮的，故在橋墩柱搖擺前其接近剛體，設(shè)計時把橋墩柱看作剛體是合理的。
3 自復(fù)位消能橋墩基于SAP2000的動力時程分析
為驗證自復(fù)位消能橋墩在地震后的殘余變形很小這一優(yōu)于傳統(tǒng)橋墩的性能，本節(jié)將對傳統(tǒng)橋墩和自復(fù)位消能橋墩的兩個有限元模型輸入地震動，并通過對比兩種模型中可以代表結(jié)構(gòu)體系的動力特性相關(guān)指標(biāo)的殘余變形和最大柱頂水平位移，觀察自復(fù)位消能橋墩模型的地震響應(yīng)。
傳統(tǒng)橋墩的模型直接采用和自復(fù)位消能橋墩相同配筋的橋墩，并指定柱底節(jié)點固接約束。自復(fù)位消能橋墩采用上節(jié)所建多彈簧有限元模型，未施加預(yù)應(yīng)力荷載，只考慮上部結(jié)構(gòu)的荷載，通過選擇SAP2000中定義質(zhì)量源中來自對象、附加質(zhì)量以及荷載選項考慮結(jié)構(gòu)重量和荷載。
按照《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》( GB 50111-2006)，本文選擇3條天然地震波（圖9～圖11）對結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。在對自復(fù)位消能橋墩進(jìn)行非線性動力分析時，需要在選擇對應(yīng)合適的地震波之后，把地震波的峰值加速度參考抗震規(guī)范表5.1.2-2調(diào)成對應(yīng)的地震大小峰值加速度，見表1。地震波作用下柱頂水平位移△結(jié)果如圖12~圖17。
由圖可知采用多彈簧模型模擬自復(fù)位消能橋墩是合理的。在基于性能的抗震設(shè)計中，殘余變形是結(jié)構(gòu)在地震作用下基本的性能指標(biāo)，通過對比分析結(jié)果可知：同一條地震波下無論是多遇地震還是罕遇地震，自復(fù)位消能橋墩的最大柱頂水平位移大于傳統(tǒng)橋墩，這是因為傳統(tǒng)橋墩固接于大地上，其抵抗水平作用能力更大。但是自復(fù)位消能橋墩殘余變形是很小的，遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)橋墩的殘余變形，這正是自復(fù)位消能橋墩優(yōu)于傳統(tǒng)橋墩性能所在。
4 小結(jié)
本文基于SAP2000有限元軟件建立自復(fù)位消能橋墩的多彈簧模型，其中用多線性彈簧模擬自復(fù)位組件后張拉預(yù)應(yīng)力筋，用多線性塑形連接單元模擬軟鋼阻尼器，橋墩采用和傳統(tǒng)橋墩相同配筋的鋼筋混凝土框架柱構(gòu)件，用Gap單元模擬自復(fù)位消能橋墩中橋墩與基礎(chǔ)的只受壓無受拉的關(guān)系。通過本文給出的簡化數(shù)值模型，可以把握各組成組件對自復(fù)位橋梁的影響，揭示新型自復(fù)位橋梁受力機理，所得結(jié)果可為實際混凝土橋梁結(jié)構(gòu)工程中橋墩的設(shè)計
提供有效參考�；谒Ｐ偷贸鋈缦戮唧w結(jié)論：
1)對建模型進(jìn)行Pushover分析，得出自復(fù)位及耗能組件對橋墩性能均有影響，影響大小不同，阻尼器的屈服力越大，橋墩柱的強度越大；阻尼器的初始剛度對自復(fù)位橋墩柱的強度影響不大；預(yù)應(yīng)力筋的剛度越大，橋墩柱在搖擺過程中的剛度也越大；預(yù)應(yīng)力筋的初始張拉力越大，橋墩柱的臨界荷載越大；當(dāng)阻尼器采用位移相關(guān)型的金屬阻尼器時，阻尼器采用外置時橋墩耗能大。
2)選擇3條地震波對自復(fù)位消能橋墩和傳統(tǒng)橋墩數(shù)值模型分別進(jìn)行多遇地震和罕遇地震下的非線性動力分析，結(jié)果表明自復(fù)位消能橋墩采用多彈簧模型是合理的，并通過對比柱頂最大水平位移和殘余位移得出自復(fù)位消能橋墩在地震作用后無殘余變形或有很小殘余變形。
