外置扇形鉛黏彈性阻尼器的自復(fù)位橋墩抗震性能分析與研究

王中強(qiáng) 賀琪

摘 要：【目的】為了提高自復(fù)位橋墩的抗震性能，本研究在傳統(tǒng)自復(fù)位橋墩的基礎(chǔ)上，更改接頭組件的連接方式，并在橋墩外部設(shè)置可更換的扇形鉛黏彈性阻尼器，提出外置扇形鉛黏彈性阻尼器的自復(fù)位橋墩?！痉椒ā坎捎脭?shù)值模擬方法，分別建立傳統(tǒng)自復(fù)位橋墩、嵌入式自復(fù)位橋墩和外置扇形鉛黏彈性阻尼器的自復(fù)位橋墩。在驗(yàn)證傳統(tǒng)自復(fù)位橋墩模擬方法可行性的基礎(chǔ)上，分別對嵌入式自復(fù)位橋墩和外置扇形鉛黏彈性阻尼器的自復(fù)位橋墩進(jìn)行低周循環(huán)加載，研究二者的抗震性能?！窘Y(jié)果】結(jié)果表明：將平齊接頭更改為嵌入式接頭有利于提高自復(fù)位橋墩的承載力和耗能能力，提供更為可靠的傳剪機(jī)制。【結(jié)論】將扇形鉛黏彈性阻尼器設(shè)置在嵌入式自復(fù)位橋墩兩側(cè)，累計(jì)耗能較傳統(tǒng)自復(fù)位橋墩有顯著提高，抗震性能優(yōu)越，對自復(fù)位橋墩實(shí)現(xiàn)“韌性抗震”設(shè)計(jì)具有一定借鑒意義。

關(guān)鍵詞：自復(fù)位橋墩；扇形鉛黏彈性阻尼器；數(shù)值模擬；抗震性能

中圖分類號：TU311.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1003-5168（2023）06-0058-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.06.011

Seismic Performance Analysis and Research of Self-Resetting Pier with External Sector Lead Viscoelastic Dampers

WANG Zhongqiang HE Qi

（School of Civil Engineering， Changsha University of Science and Technology， Changsha 410114， China）

Abstract： [Purposes] In order to improve the seismic performance of self-resetting piers， this study based on the traditional self-resetting piers， changes the connection method of the joint assembly， installs replaceable sector lead viscoelastic dampers on the outside of the piers， and proposed external sector lead viscoelastic dampers for self-resetting piers. [Methods] Using numerical simulation methods， conventional self-resetting piers， embedded self-resetting piers and self-resetting piers with external sector lead viscoelastic dampers were established.On the basis of verifying the feasibility of the conventional self-resetting piers simulation method， the seismic performance of both were studied by low circumferential cyclic loading respectively. [Findings] The results show that：changing flush joints to embedded joints is conducive to improving the load carrying capacity and energy dissipation capacity of self-resetting piers and providing a more reliable shear transfer mechanism. [Conclusions] After setting the sector lead viscoelastic dampers outside the embedded self-resetting piers， the cumulative energy dissipation is significantly improved compared with the traditional self-resetting piers， which gives superior seismic performance and has some reference value to the design of self-resetting piers to achieve "toughness and seismic resistance".

Keywords： self-resetting pier; sector lead viscoelastic damper; numerical simulation; seismic performance

0 引言

自復(fù)位橋墩結(jié)構(gòu)通過預(yù)制拼裝技術(shù)，將無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋與耗能鋼筋有效結(jié)合成整體受力構(gòu)件，其中耗能鋼筋作為耗能裝置耗散地震能量，通過無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)自復(fù)位的目的，大幅度提升了結(jié)構(gòu)的抗震性能。

彭放［1］介紹了新型預(yù)應(yīng)力裝配式橋墩在實(shí)際工程中的應(yīng)用，該技術(shù)對縮短工期、加快施工進(jìn)度有著較大促進(jìn)作用。葉列平［2］總結(jié)了自復(fù)位結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀，通過算例證明只要增大預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土的耗能能力，合理利用自復(fù)位結(jié)構(gòu)，其抗震性能就有可能優(yōu)于普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。王軍文等［3］通過對預(yù)制拼裝橋墩的試驗(yàn)證明，無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋可有效降低結(jié)構(gòu)的殘余位移。

受上述研究的啟發(fā)，在“多種耗能機(jī)制共同作用”理念的指導(dǎo)下，提出了一種新型的自復(fù)位橋墩，采用了外置扇形鉛黏彈性阻尼器的形式。

1 新型自復(fù)位橋墩構(gòu)造與工作原理

1.1 外置扇形鉛黏彈性阻尼器的自復(fù)位橋墩構(gòu)造

本研究提出的外置扇形鉛黏彈性阻尼器的新型自復(fù)位橋墩主要由承重組件、自復(fù)位組件、耗能組件和接頭組件組成，如圖1所示。

1.2 嵌入式接頭構(gòu)造與工作原理

傳統(tǒng)自復(fù)位橋墩常采用平齊式接頭通過放松墩柱和承臺間的約束使得接縫處發(fā)生“閉合、提離”來搖擺耗散地震能量。外置扇形鉛黏彈性阻尼器的自復(fù)位橋墩則采用嵌入式接頭，墩柱凸起部分與承臺凹陷部分緊密嵌合成一個(gè)整體，凸起部分可有效傳遞剪力，減小墩柱和承臺之間的滑移，從而保護(hù)無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋在受力搖擺狀態(tài)下不被破壞。

1.3 扇形鉛黏彈性阻尼器基本構(gòu)造與工作原理

對稱布置于橋墩柱腳處的扇形鉛黏彈性阻尼器，其構(gòu)造形式如圖2所示。

當(dāng)阻尼器受力時(shí)，黏彈性材料發(fā)生剪切變形以及預(yù)留孔洞內(nèi)的鉛芯受到擠壓發(fā)生屈服而起到耗散能量的作用。外置的耗能阻尼器與內(nèi)置的耗能鋼筋形成了雙重耗能機(jī)制。

2 新型自復(fù)位橋墩有限元數(shù)值模型

2.1 模型參數(shù)與單元類型

首先建立傳統(tǒng)自復(fù)位橋墩（M1），將其數(shù)值模擬結(jié)果與文獻(xiàn)［5］中的試驗(yàn)結(jié)果作對比，驗(yàn)證數(shù)值模型的可靠性；其次建立嵌入式自復(fù)位橋墩（M2），研究接頭組件對自復(fù)位橋墩抗震性能的影響；最后將扇形鉛黏彈性阻尼器設(shè)置在嵌入式自復(fù)位橋墩兩側(cè)，形成外置扇形鉛黏彈性阻尼器的自復(fù)位橋墩（M3），并研究其抗震性能。

嵌入式自復(fù)位橋墩配筋如圖3所示。預(yù)應(yīng)力筋采用1860級鋼絞線，每根預(yù)應(yīng)力筋采用降溫法施加80 kN的初始預(yù)應(yīng)力，膨脹系數(shù)設(shè)為1.2×10-5 ℃-1。扇形鉛黏彈性阻尼器主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示，約束鋼板和剪切鋼板定義為解析鋼體，而薄壁鋼板為線彈性材料；黏彈性材料為天然橡膠，采用C3D8H六面體雜交單元，定義為超彈性材料，橡膠力學(xué)性能常數(shù)，具體參數(shù)如表2所示［6］。彈性模量為1.24 MPa，泊松比為0.499 7；鉛芯為理想彈塑性本構(gòu)模型，屈服應(yīng)力為10.5 MPa，彈性模量為1.646×104 MPa，泊松比為0.642。

2.2 邊界條件與加載制度

墩柱底部與承臺接觸表面設(shè)置為表面與表面接觸，切向方向的罰摩擦系數(shù)為0.1，法向方向采用硬接觸，且區(qū)域制定容差均為0.01；采用降溫法對預(yù)應(yīng)力鋼筋施加預(yù)應(yīng)力，每根預(yù)應(yīng)力鋼筋的初始張拉力設(shè)置為80 kN；耗能鋼筋的無黏結(jié)段為100 mm，其余部分內(nèi)置于結(jié)構(gòu)中。

扇形鉛黏彈性阻尼器中的鉛芯與復(fù)合材料接觸部位均設(shè)置為表面與表面接觸，切向方向的罰摩擦系數(shù)為0.5，在此法向采用硬接觸。通過對橋墩進(jìn)行分級加載，第一級為5 mm，第二級為10 mm，第三級為15 mm，以此類推，每級增幅為5 mm，最大加載為50 mm，每級循環(huán)往復(fù)3次，觀察其變化情況。

2.3 ABAQUS數(shù)值模型驗(yàn)證

參照文獻(xiàn)［5］建立傳統(tǒng)自復(fù)位橋墩數(shù)值模型，通過同等條件的循環(huán)往復(fù)加載，得到傳統(tǒng)自復(fù)位橋墩M1的滯回曲線如圖4所示，通過對比文獻(xiàn)［5］中試驗(yàn)數(shù)據(jù)，M1的滯回曲線與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 滯回曲線對比

由圖5可知：①相較于傳統(tǒng)自復(fù)位橋墩M1，更改接頭組件的嵌入式自復(fù)位橋墩M2的滯回曲線大致呈弓形，預(yù)應(yīng)力筋效果良好，具有捏縮效應(yīng)。②外置扇形鉛黏彈性阻尼器的自復(fù)位橋墩M3相較于M2，其滯回曲線呈飽滿梭形，說明外置扇形鉛黏彈性阻尼器提高了自復(fù)位橋墩整體的塑性變形能力。③對比M1，自復(fù)位橋墩M2與M3的殘余位移呈遞增趨勢，其中M3受外置扇形鉛黏彈性阻尼器的影響尤為明顯，但仍滿足規(guī)定［7］。

3.2 骨架曲線對比

根據(jù)模擬結(jié)果，將各級位移加載下的荷載極值點(diǎn)依次相連可獲得其對應(yīng)的骨架曲線，如圖6所示?？梢?，傳統(tǒng)自復(fù)位橋墩M1與嵌入式自復(fù)位橋墩M2的骨架曲線較為接近，而M3的骨架曲線斜率較大；當(dāng)位移加載到5 mm時(shí)，骨架出現(xiàn)拐點(diǎn)，隨著加載位移繼續(xù)增加，M3提升幅度最為明顯，表明扇形鉛黏彈性阻尼器可有效提升自復(fù)位橋墩的承載能力。

3.3 耗能能力分析

自復(fù)位橋墩M1～M3在各級幅值加載下的累積耗能對比情況如圖8所示，嵌入式自復(fù)位橋墩M2的最大累計(jì)耗能值為238.22 kJ，而傳統(tǒng)自復(fù)位橋墩M1的最大累計(jì)耗能值為155.97 kJ；外置扇形鉛黏彈性阻尼器的自復(fù)位橋墩M3的最大累計(jì)耗能值426.22 kJ，相較M2提升78.9%。說明嵌入式自復(fù)位橋墩M2的耗能能力強(qiáng)于傳統(tǒng)自復(fù)位橋墩M1，而外置扇形鉛黏彈性阻尼器的自復(fù)位橋墩M3的耗能性能優(yōu)于嵌入式自復(fù)位橋墩M2。

4 結(jié) 論

通過數(shù)值模擬得到滯回曲線、骨架曲線及耗能曲線并進(jìn)行研究，可以得到以下結(jié)論。

①嵌入式自復(fù)位橋墩的滯回曲線相較于傳統(tǒng)自復(fù)位橋墩更為飽滿，骨架曲線斜率也更大，說明嵌入式自復(fù)位橋墩的自復(fù)位能力、承載力和耗能能力優(yōu)于傳統(tǒng)自復(fù)位橋墩，在地震作用下表現(xiàn)出良好的抗震性能，且提供了更為可靠的傳剪機(jī)制。

②在自復(fù)位橋墩外側(cè)設(shè)置扇形鉛黏彈性阻尼器，可以提高自復(fù)位橋墩的自復(fù)位能力、承載力和耗能能力，在地震作用下通過扇形鉛黏彈性阻尼器的復(fù)合黏彈性耗散地震能量，從而減小地震對自復(fù)位橋墩本身結(jié)構(gòu)的破壞，使橋墩整體表現(xiàn)出更好的抗震能力。

③將扇形鉛黏彈性阻尼器設(shè)置在橋墩外部，損壞后易更換，對自復(fù)位橋墩實(shí)現(xiàn)“韌性抗震”設(shè)計(jì)具有一定借鑒意義。

參考文獻(xiàn)：

［1］彭放.新型預(yù)應(yīng)力裝配式橋墩在新澳氹大橋中的應(yīng)用［C］//高效預(yù)應(yīng)力混凝土工程實(shí)踐.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1993：5.

［2］葉列平，林旭川，汪訓(xùn)流.預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的自復(fù)位性能與抗震性能［C］//中國土木工程學(xué)會混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土分會.“發(fā)展綠色技術(shù)，建設(shè)節(jié)約結(jié)構(gòu)”：第十四屆全國混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土學(xué)術(shù)會議論文集.［出版者不詳］，2007：353-358.

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