自復(fù)位節(jié)段拼裝橋梁結(jié)構(gòu)有限元建模研究

朱松 高慧興 王曉飛 鄧森陽

【摘要】節(jié)段拼裝橋梁結(jié)構(gòu)采用工廠預(yù)制和現(xiàn)場(chǎng)安裝的工藝，施工現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)少、施工進(jìn)度快。但由于節(jié)段拼裝橋梁中接縫的模擬涉及幾何非線性、材料非線性，所有節(jié)段拼裝橋梁的有限元模擬一直是困擾工程師們的一個(gè)難題。同時(shí)，自復(fù)位橋梁結(jié)構(gòu)在地震作用下具有較好的自復(fù)位能力，能夠減小地震區(qū)橋梁震后殘余位移等優(yōu)點(diǎn)。本文主要闡述基于Kuruma模型和零長度單元模型自復(fù)位橋梁有限元模擬方法，通過介紹兩類模型的基本假定、建模方法、模型優(yōu)缺點(diǎn)等探討自復(fù)位橋梁數(shù)值模擬研究方法，并為相關(guān)工程設(shè)計(jì)師及科研工作者提供學(xué)術(shù)參考。

【關(guān)鍵詞】自復(fù)位橋梁 數(shù)值模型 建模方法 Kuruma模型 零長度單元

一、自復(fù)位節(jié)段拼裝橋梁結(jié)構(gòu)兩類數(shù)模型基本假定

（一）Kuruma模型基本假定

針對(duì)圖1所示的無粘結(jié)預(yù)制節(jié)段拼裝混凝土剪力墻，國外學(xué)者Kurama等人提出了一種節(jié)段拼裝結(jié)構(gòu)力學(xué)分析的有限元模型。從圖中可知，自復(fù)位節(jié)段拼裝剪力墻與自復(fù)位節(jié)段拼裝橋墩的基本概念類似，也是將傳統(tǒng)的剪力墻結(jié)構(gòu)分解成為多個(gè)不互相連接的節(jié)段，各節(jié)段之間采用無粘結(jié)后張預(yù)應(yīng)力筋將各節(jié)段墻體連接成一整體，以達(dá)到快速工業(yè)化建造和實(shí)現(xiàn)震后一定程度上的自復(fù)位能力。

對(duì)于節(jié)段拼裝混凝土橋墩，可建立基于Kurama模型的有限元模型。Kuruma模型是將相鄰接縫處的集中變形分散于整個(gè)混凝土剪力墻受拉邊上。在此基礎(chǔ)上提出如下假定：①非線性小變形假定；②節(jié)段拼裝混凝土剪力墻變形符合平截面假定；③混凝土在整個(gè)構(gòu)件中只承受壓力；④節(jié)段拼裝棍凝土剪力墻內(nèi)部縱向鋼筋在接縫處斷開，因而忽略混凝土內(nèi)部縱向鋼筋的受力作用。

綜上基本假定可知：節(jié)段拼裝棍凝土剪力墻截面受拉主要是由預(yù)應(yīng)力筋，受壓靠混凝土，受剪主要依靠自重及預(yù)應(yīng)力筋提供的摩擦力來承擔(dān)。

（二）基于零長度單元模型基本假定

考慮自復(fù)位橋墩的局部變形特征，采用零長度單元對(duì)接縫處進(jìn)行模擬建立有限元模型，該模型基本假定如下：①基于幾何線性小變形假定；②自復(fù)位橋墩的各節(jié)段變形符合平截面假定；③整個(gè)構(gòu)件中的混凝土都不發(fā)生損傷開裂；④自復(fù)位橋墩的縱向鋼筋始終保持為彈性，縱向鋼筋在整個(gè)構(gòu)件變形過程中沒有耗能。

二、自復(fù)位節(jié)段拼裝橋梁結(jié)構(gòu)兩類數(shù)值模型建模方法

（一）基于Kuruma模型節(jié)段拼裝橋梁結(jié)構(gòu)建模方法

基于該模型上述基本假定，本文詳細(xì)介紹采用OpenSees有限元軟件[4-5]對(duì)節(jié)段拼裝橋梁進(jìn)行建模介紹。對(duì)于節(jié)段拼裝混凝土橋墩采用非線性梁柱纖維單元進(jìn)行離散化模擬，通過施加預(yù)應(yīng)力的桿單元進(jìn)行模擬。由于預(yù)應(yīng)力孔道水平向約束預(yù)應(yīng)力筋，因而桿單元與非線性梁柱單元在相同位置節(jié)點(diǎn)處的水平變形通過主從節(jié)點(diǎn)進(jìn)行約束。對(duì)于橋墩頂部的桿單元節(jié)點(diǎn)的各自由度都通過主從節(jié)點(diǎn)與相應(yīng)的非線性梁柱纖維單元進(jìn)行約束。對(duì)于橋墩底部的桿單元，各自由度全部進(jìn)行固結(jié)。將節(jié)段拼裝橋梁上部結(jié)構(gòu)采用集中質(zhì)量模擬。根據(jù)Kuruma模型基本假定不需要獨(dú)立設(shè)置單元對(duì)接縫進(jìn)行模擬。該模型忽略了沒有貫穿接縫的混凝土內(nèi)普通縱向鋼筋的受力，并且混凝土在節(jié)段拼裝橋墩中都不考慮受拉作用。為了考慮上述因素，對(duì)于材料的本構(gòu)模型需要根據(jù)Kuruma模型的特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)置。

（二）基于零長度單元模型節(jié)自復(fù)位橋梁建模方法

為體現(xiàn)橋梁寬度的影響，在接縫處設(shè)置長度為橋墩寬度一半的剛性單元。剛性單元兩端節(jié)點(diǎn)通過零長度單元與相應(yīng)位置基礎(chǔ)上的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接。零長度單元采用只受壓不受拉的理想彈性材料，為防止橋墩節(jié)點(diǎn)侵入基礎(chǔ)，零長度單元的抗壓模量需設(shè)置足夠大。

三、結(jié)論

（1）Kuruma模型由于將接縫處變形進(jìn)行整體離散化，建模方法簡單，適用于該類構(gòu)件整體性能的建模分析。

（2）Kuruma模型不能精確模擬節(jié)段拼裝橋梁接縫的開合，對(duì)于該類橋梁的局部模擬不夠完善。

（3）基于零長度單元自復(fù)位橋梁數(shù)值模型基本假定，建立了自復(fù)位橋梁結(jié)構(gòu)有限元數(shù)值模型。

（4）對(duì)于在橋墩底部設(shè)置耗能裝置的橋梁，需要采用基于零長度單元方法模擬橋梁的局部變形能夠得到更為合理的結(jié)果。

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