基于多彈簧模型的自復(fù)位耗能橋墩抗震性能研究

馬騰飛 張雯雯

（嘉興學(xué)院南湖學(xué)院，浙江 嘉興 314000）

0 引言

由于地震發(fā)生的不確定性以及預(yù)測手段的局限性，雖然結(jié)構(gòu)抗震措施及國家抗震救災(zāi)政策日益完善，地震造成的人員傷亡已顯著降低，但造成的經(jīng)濟(jì)損失依然是巨大的?；趥鹘y(tǒng)延性抗震設(shè)計(jì)理念雖然可以較好的保證橋墩結(jié)構(gòu)安全，但地震導(dǎo)致橋墩產(chǎn)生較大的殘余位移乃至無法修復(fù)不得不推倒重建，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。傳統(tǒng)采用的橋墩隔震技術(shù)不僅隔震元件價(jià)格昂貴且施工難度較大，適應(yīng)性不強(qiáng)。和自復(fù)位預(yù)應(yīng)力框架等結(jié)構(gòu)[1]相似，自復(fù)位耗能橋墩可以確保在地震作用下產(chǎn)生較小的殘余位移，從而大大降低橋墩自身的損傷，保證整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)的安全及正常使用。自復(fù)位耗能橋墩采用橋墩和承臺(tái)分離，使橋墩在地震作用下發(fā)生擺動(dòng)，并通過預(yù)應(yīng)力筋的作用產(chǎn)生自回復(fù)力從而達(dá)到自復(fù)位的目的，再在橋墩底部安裝耗能裝置以吸收地震產(chǎn)生的能量，從而大大降低橋墩本身的地震響應(yīng)。橋墩在地震作用下僅可更換耗能裝置即可恢復(fù)使用，大大提高橋墩的周期使用性，對延長橋梁的使用壽命有重大益處。本文所研究的自復(fù)位耗能橋墩承重單元為鋼筋混凝土橋墩本身，自復(fù)位裝置由后張無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋提供自回復(fù)力，采用滯回性能穩(wěn)定的位移型軟鋼金屬阻尼器[2]為耗能裝置吸收地震能量，橋墩和承臺(tái)采用嵌合式[3]接頭處理方法以保證結(jié)構(gòu)連接的穩(wěn)定性。

1 自復(fù)位耗能橋墩模型建立

本文基于SAP2000 有限元模擬分析平臺(tái)建立自復(fù)位耗能橋墩有限元模型。為了使橋墩模型建立的更合理，使計(jì)算的更精確，此模型選取的數(shù)據(jù)在參考了相關(guān)文獻(xiàn)的[4]基礎(chǔ)上并做了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。本文建立的自復(fù)位耗能橋墩模型如圖1所示。

圖1 自復(fù)位耗能橋墩有限元模型Fig.1 Finite element model of self-reset energy-dissipating pier

該模型由五部分組成：單元1：橋墩自承重組件：橋墩柱混凝土采用C45混凝土，柱截面尺寸選取400mm×400mm，高度為1.7m，縱筋與箍筋均采用HRB400 鋼筋，其中縱筋16 根，箍筋Φ8@80，混凝土保護(hù)層厚度取45mm（上部橋梁荷載僅考慮恒載，并等效為集中荷載，未考慮P-△二階效應(yīng)）。

單元2：自復(fù)位組件：本文選取的橋墩柱為框架柱單元模型，固選取了多線性彈性連接單元[5]（Multilinear Elastic）作為自復(fù)位組件，且假定在模擬地震情況下均保持彈性階段，忽略摩擦和損失，在加載階段無能量消散。

單元3：耗能組件：選?。∕ultiliner Plastic）多段線性塑性連接單元中的隨動(dòng)硬化模型模擬金屬動(dòng)態(tài)硬化行為，符合本文選取的軟鋼金屬阻尼器。其中一端固定于大地，另一端則用剛體約束固定在同等高度的橋墩上。

單元4：縫單元：由于橋墩和承臺(tái)是分離的，可認(rèn)為連接處只受 壓不受拉，固選擇GAP 單元模擬基礎(chǔ)與地面接觸問題。由于承臺(tái)初始剛度很大，因此GAP 單元的剛度可以設(shè)置很大，且初始狀態(tài)下承臺(tái)和橋墩是緊密結(jié)合，既認(rèn)為兩者是無縫連接的。

單元5：剛臂單元：為保證各組件連接的穩(wěn)定及協(xié)調(diào)變形，本文選取了型鋼梁模擬剛臂單元，通過剛體束縛命令約束選取節(jié)點(diǎn)的變形，保證GAP單元和其他單元的協(xié)調(diào)變形。

2 動(dòng)力時(shí)程分析

為驗(yàn)證自復(fù)位耗能抗震性能的優(yōu)越性，本文還建立了一座傳統(tǒng)固接橋墩進(jìn)行對比分析，該橋墩僅在底部連接處采用固端連接，其他參數(shù)相同。同時(shí)選擇合適的地震動(dòng)對結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)也是十分重要的，本文在參考文獻(xiàn)[6]的基礎(chǔ)上選取3 條地震波進(jìn)行分析，如表1所示。

表1 不同地震波在8 度設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)下的調(diào)幅

圖2 Lacc1 波下柱頂水平位移Fig.2 Horizontal displacement of column top under LACC1 wave

圖3 Laccz 波下柱頂水平位移Fig.3 Horizontal displacement of column top under LACCZ wave

圖4 TREASURE 90 波下墩頂水平位移Fig.4 Horizontal displacement of pier top under Treasure 90 wave

地震波作用下橋墩反應(yīng)結(jié)果分析如圖2-圖4所示。通過對兩座橋墩的非線性時(shí)程分析比較可知，在地震波的作用下，自復(fù)位耗能橋墩墩頂最大位移大于傳統(tǒng)延性橋墩，但在震后自復(fù)位耗能橋墩的殘余位移也比傳統(tǒng)橋墩的小。因此可以得到結(jié)論：無論在多遇還是罕遇地震作用下，在同一地震波的作用下，自復(fù)位耗能橋墩的墩頂最大位移都大于傳統(tǒng)延性橋墩，殘余位移小于傳統(tǒng)橋墩。

3 結(jié)論

本文在SAP2000 有限元模擬軟件的基礎(chǔ)上，建立了基于多彈簧自復(fù)位耗能橋墩的有限元模型，并對該橋墩模型進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，驗(yàn)證了模型的合理性以及通過和傳統(tǒng)固結(jié)橋墩的動(dòng)力時(shí)程分析，得出自復(fù)位耗能橋墩抗震性能的優(yōu)越性，可以為實(shí)際工程提供一定的設(shè)計(jì)參考。基于上述模型分析得出了如下結(jié)論：通過選取的3 條地震波對自復(fù)位耗能橋墩和傳統(tǒng)固結(jié)橋墩進(jìn)行的動(dòng)力時(shí)程響應(yīng)分析中發(fā)現(xiàn)，在地震作用下自復(fù)位耗能橋墩墩頂?shù)淖畲笪灰拼笥趥鹘y(tǒng)固接橋墩，但震后的殘余位移卻明顯小于傳統(tǒng)延性橋墩。