自復(fù)位橋梁結(jié)構(gòu)數(shù)值模型擬靜力分析研究

朱松 高慧興 王曉飛 鄧森陽

【摘要】基于OpenSees有限元分析軟件，針對自復(fù)位橋梁結(jié)構(gòu)的構(gòu)造特性，分別采用Kuruma模型[1-3]和零長度單元模型對自復(fù)位節(jié)段拼裝橋梁結(jié)構(gòu)進行建模分析和數(shù)值模擬結(jié)果對比分析，通過對比滯回曲線、預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)力、接縫開合寬度等探討自復(fù)位橋梁擬靜力分析結(jié)果，擬靜力分析結(jié)果表明節(jié)段拼裝橋梁具有明顯的自復(fù)位能力，可以為橋梁工程科學(xué)研究者提供一些參考。

【關(guān)鍵詞】自復(fù)位橋梁 Kuruma模型 零長度單元 擬靜力分析

一、橋梁結(jié)構(gòu)基本信息

基于Opensees軟件進行有限元建模和Kuruma模型，采用文獻4中自復(fù)位橋梁結(jié)構(gòu)試驗?zāi)Ｐ瓦M行擬靜力數(shù)值分析，并將普通鋼筋混凝土橋墩和自復(fù)位節(jié)段拼裝混凝土橋墩數(shù)值模擬分析結(jié)果與試驗分析結(jié)果進行對比，通過兩類橋梁結(jié)構(gòu)的擬靜力分析結(jié)果驗證Kuruma模型正確性。

文獻4中鋼筋混凝土橋墩和自復(fù)位節(jié)段拼裝混凝土橋墩兩類試件采用統(tǒng)一尺寸和相同配置的混凝土和鋼筋，文獻4中節(jié)段拼裝混凝土橋墩材料的屬性。墩頂加載端尺寸為600×600×360mm，加載中心至墩頂距離200mm，承臺尺寸為700×700×420mm，墩身尺寸為240×180×1240mm，自復(fù)位節(jié)段拼裝橋墩中采用Φj12.7鋼絞線作為預(yù)應(yīng)力鋼筋，采用直徑為10mm的HRB335熱軋鋼筋作為縱向鋼筋，采用直徑為6mm的8235光圓鋼筋作為箍筋。自復(fù)位橋梁結(jié)構(gòu)中采用C40混凝土，沿強軸方向進行模型加載，預(yù)應(yīng)力鋼筋產(chǎn)生的軸壓比為11.2%，上部結(jié)構(gòu)主梁恒載軸壓比為10%。

二、擬靜力反應(yīng)分析

（一）基于Kuruma模型自復(fù)位節(jié)段拼裝橋墩有限元分析

滯回曲線為普通鋼筋混凝土橋墩和自復(fù)位節(jié)段拼裝橋墩的滯回曲線，同時文獻4中試驗荷載一位移滯回曲線也繪制于圖2-1a）和b）中。隨側(cè)向位移的增大普通鋼筋混凝土橋梁進入非線性階段，結(jié)構(gòu)的剛度不斷退化，在往復(fù)荷載作用下強度不斷降低。在往復(fù)加載過程中滯回曲線滯回面積增大，表明普通鋼筋混凝土橋墩具有較強滯回耗能能力，但是存在較大殘余位移和缺乏自復(fù)位特性。對于自復(fù)位節(jié)段拼裝橋梁結(jié)構(gòu)，擬靜力分析模擬結(jié)果展示自復(fù)位橋墩殘余變形較小，具有顯著自復(fù)位能力。但是由于縱向鋼筋在接縫處截斷而不能夠屈服耗能，使得自復(fù)位橋墩的滯回曲線面積明顯縮小，這種情況是完全不利于自復(fù)位橋梁結(jié)構(gòu)抗震。自復(fù)位節(jié)段拼裝橋墩數(shù)值模型中預(yù)應(yīng)力筋采用的初始應(yīng)力為659MPa，節(jié)段拼裝橋墩由于初始預(yù)應(yīng)力作用而產(chǎn)生一定軸向壓縮，初始預(yù)應(yīng)力軸向壓縮導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力損失后的有效預(yù)應(yīng)力為610MPa。當自復(fù)位橋墩頂部側(cè)向水平位移達到最大值時，預(yù)應(yīng)力鋼筋中的拉應(yīng)力為1291MPa。自復(fù)位節(jié)段拼裝橋墩的預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)力值隨側(cè)向水平位移變化，預(yù)應(yīng)力鋼筋沒有進入屈服階段，并且預(yù)應(yīng)力與側(cè)向水平位移呈線性增長。

（二）基于零長度單元自復(fù)位節(jié)段拼裝橋墩有限元分析

采用上述有數(shù)值模擬方法，建立文獻4中的自復(fù)位節(jié)段拼裝橋墩的有限元數(shù)值模型，并進行自復(fù)位橋梁結(jié)構(gòu)擬靜力荷載一位移滯回分析。采用基于Kuruma模型和基于零長度單元模型得到的自復(fù)位節(jié)段拼裝橋墩荷載一位移滯回曲線。采用基于零長度單元的接縫模擬有限元模型計算得到的自復(fù)位橋墩的水平承載力最大值為17.3kN，與Kuruma模型模擬結(jié)果相比自復(fù)位橋墩水平承載力增加6.9%，兩種有限元模型模擬得到的自復(fù)位橋墩荷載一位移滯回曲線形狀基本吻合。采用基于Kuruma模型和基于零長度單元模型得到的自復(fù)位節(jié)段拼裝橋墩預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)力變化。當節(jié)段拼裝橋墩達到最大水平位移時，采用基于零長度單元有限元模型所得到的預(yù)應(yīng)力筋的最大預(yù)應(yīng)力為1498MPa，與Kuruma模型有限元模擬結(jié)果相比增加13.8%。采用基于零長度單元模型得到的自復(fù)位節(jié)段拼裝橋墩墩底一側(cè)接縫開合寬度。自復(fù)位節(jié)段拼裝橋墩墩底一側(cè)接縫在受壓時裂縫閉合，當出現(xiàn)較小受拉時由于預(yù)應(yīng)力的作用接縫仍然處于閉合狀態(tài)。但是隨著側(cè)向位移的增加，墩底一側(cè)接縫由于受到較大拉力開始張開，且自復(fù)位橋墩的開合寬度隨側(cè)向水平位移呈線性增加，當自復(fù)位橋墩墩頂側(cè)向水平位移達到最大值時，墩底接縫受拉一側(cè)所張開寬度達到最大值為11.2mm。通過上述分析表明基于零長度單元有限元模型可以有效模擬自復(fù)位橋墩的力學(xué)特性。

三、結(jié)論

（1）采用Kuruma模型進行了兩類橋梁結(jié)構(gòu)擬靜力滯回分析，得出自復(fù)位橋墩在水平往復(fù)荷載作用下產(chǎn)生微小的殘余變形，具有明顯的自復(fù)位能力，但和普通鋼筋混凝土橋墩相對比，其滯回耗能能力明顯減弱，水平承載力和抗側(cè)剛度明顯降低。

（2）針對Kuruma數(shù)值模型無法模擬接縫局部變形的問題，采用零長度單元模型實現(xiàn)接縫的模擬。通過兩類有限元模擬對比研究驗證了本文中零長度單元模型的正確性，并采用零長度單元模型對接縫開合寬度進行了研究。

（3）對于僅關(guān)注自復(fù)位橋梁的整體性能建模分析可采用Ku-ruma模型，對于自復(fù)位橋梁的局部變形分析需要采用零長度單元有限元模型可以得到更為合理的結(jié)果。

參考文獻：

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