自復位消能橋墩抗震性能研究（建筑）
自復位消能橋墩抗震性能研究（建筑）
林 青，張興璞，趙園園
（邢臺職業技術學院，河北邢臺054035）
[摘要]介紹自復位消能橋墩的基本概念及研究意義，基于SAP2000平臺建立自復位消能橋墩的多彈簧模型，提出用多線性彈性彈簧代替預應力筋，用彈塑性彈簧代替阻尼器的簡化數值模擬方法，并對該模型進行Pushover分析，研究自復位組件及耗能組件對橋墩滯回性能的影響。同時對自復位消能橋墩和傳統橋墩進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。結果表明自復位消能橋墩多彈簧模型地震作用下性能穩定，地震作用下自復位消能橋墩的柱頂最大位移大于傳統橋墩，殘余位移明顯小于傳統橋墩結構，橋墩震后性能良好。
[關鍵詞]自復位消能橋墩；橋墩組件參數；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
按照延性設計方法的傳統橋梁在地震過后將引起永久殘余變形，破壞損壞嚴重的橋梁需重建；而隔震設計采用的隔震元件造價比較昂貴，且施工安裝不太方便。和自復位剪力墻加入軟鋼阻尼器等結構相似，自復位消能橋墩可以確保地震后自行消除結構自身的永久變形，又可以使結構在遭遇大震后仍可以繼續使用，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，使橋墩在地震下發生搖擺，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，橋墩在經歷強烈地震后僅僅需要更換耗能裝置即可恢復使用。本文研究的自復位消能橋墩由橋墩本身承重，由后張拉無粘結預應力筋自復位組件提供恢復力，采用位移相關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。
由于自復位消能橋墩中混凝土與預應力無粘結，其應力應變不協調，傳統的模擬設計技術不再實用。1999年，EI-Sheikh等提出了纖維模型和集中塑性模型，國內黨像梁、呂西林等對自復位預應力剪力墻利用ABAQUS建立了結構的實體單元、平面單元和薄殼單元的有限元模型，為進一步給自復位組件和消能組件的設計提供依據。本文基于有限元軟件SAP2000建立自復位消能橋墩多彈簧模型，并對其進行非線性靜力和非線性動力時程分析，驗證模型的適用性，揭示自復位組件參數和耗能組件參數等對橋墩抗震性能的影響，并通過與傳統橋墩對比，驗證自復位消能橋墩具有控制結構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。
自復位組件使用多線性彈性連接單元( Multilinear Elastic)模擬提供自復位能力的后張無粘結預應力筋。此多線性彈性連接單元的應力應變關系是非線性的，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。為保證橋墩的復位，要求彈簧始終保持在彈性范圍。預應力筋與混凝土柱之間的無粘結效應模擬主要做到了：①兩者分離構建，忽略無粘結預應力筋與混凝土之間的摩擦效應和預應力損失；②結構加載后，兩者之間的變形協調，所以橋墩頂部區域與預應力共享節點（通過指定柱墩節點和連接彈簧節點為剛體束縛）。
耗能單元采用Multilinear plastic塑形連接單元模擬。采用兩節點連接繪制Multilinear plastic單元，一端用節點約束固接于大地，另一端是通過指定其上端點與柱相同高度處的節點為剛體束縛（連接單元和柱相應位置相當于剛體一起變形）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單元來模擬自復位消能橋墩基礎和柱子是分離連接形式（基礎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單元的一端指定節點約束限制Gap單元的水平位移，這在實際橋墩設計中可在橋墩柱底設置摩擦系數很大的材料或者設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系，設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點，然后指定節點剛體( body)束縛來限制剛臂上出現彎曲變形、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調變形。
2 自復位消能橋墩基于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，研究預應力筋初始張拉力F P0、預應力筋的剛度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距離）對橋墩抗震性能的影響，模型中預應力筋的初始預應力用附加于柱頂的豎向荷載代替，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，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。模擬結果見圖3～圖8。
由圖3所得結果基底剪力由0增大到173kN時柱頂開始出現水平位移，定義此時對應的基底剪力為自復位消能橋墩柱開始轉動的臨界力?；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，柱頂的水平位移越小，即橋墩柱的強度越大，所以在設計橋墩柱時可以適當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位橋墩柱的強度影響不大。圖6表明，預應力筋的剛度越大，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計中可以適當提高預應力筋的剛度，即控制預應力的剛度可以控制柱頂的位移。圖7表明，預應力筋的初始張拉力越大，橋墩柱的臨界荷載越大，但從理論上分析預應力筋的初始張拉力不易過大，否則柱底相當于固接，自復位橋墩和傳統橋墩將無實質區別。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，設計時把橋墩柱看作剛體是合理的。
3 自復位消能橋墩基于SAP2000的動力時程分析
為驗證自復位消能橋墩在地震后的殘余變形很小這一優于傳統橋墩的性能，本節將對傳統橋墩和自復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構體系的動力特性相關指標的殘余變形和最大柱頂水平位移，觀察自復位消能橋墩模型的地震響應。
傳統橋墩的模型直接采用和自復位消能橋墩相同配筋的橋墩，并指定柱底節點固接約束。自復位消能橋墩采用上節所建多彈簧有限元模型，未施加預應力荷載，只考慮上部結構的荷載，通過選擇SAP2000中定義質量源中來自對象、附加質量以及荷載選項考慮結構重量和荷載。
按照《鐵路工程抗震設計規范》( GB 50111-2006)，本文選擇3條天然地震波（圖9～圖11）對結構進行分析。在對自復位消能橋墩進行非線性動力分析時，需要在選擇對應合適的地震波之后，把地震波的峰值加速度參考抗震規范表5.1.2-2調成對應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△結果如圖12~圖17。
由圖可知采用多彈簧模型模擬自復位消能橋墩是合理的。在基于性能的抗震設計中，殘余變形是結構在地震作用下基本的性能指標，通過對比分析結果可知：同一條地震波下無論是多遇地震還是罕遇地震，自復位消能橋墩的最大柱頂水平位移大于傳統橋墩，這是因為傳統橋墩固接于大地上，其抵抗水平作用能力更大。但是自復位消能橋墩殘余變形是很小的，遠小于傳統橋墩的殘余變形，這正是自復位消能橋墩優于傳統橋墩性能所在。
4 小結
本文基于SAP2000有限元軟件建立自復位消能橋墩的多彈簧模型，其中用多線性彈簧模擬自復位組件后張拉預應力筋，用多線性塑形連接單元模擬軟鋼阻尼器，橋墩采用和傳統橋墩相同配筋的鋼筋混凝土框架柱構件，用Gap單元模擬自復位消能橋墩中橋墩與基礎的只受壓無受拉的關系。通過本文給出的簡化數值模型，可以把握各組成組件對自復位橋梁的影響，揭示新型自復位橋梁受力機理，所得結果可為實際混凝土橋梁結構工程中橋墩的設計
提供有效參考?；谒Ｐ偷贸鋈缦戮唧w結論：
1)對建模型進行Pushover分析，得出自復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位橋墩柱的強度影響不大；預應力筋的剛度越大，橋墩柱在搖擺過程中的剛度也越大；預應力筋的初始張拉力越大，橋墩柱的臨界荷載越大；當阻尼器采用位移相關型的金屬阻尼器時，阻尼器采用外置時橋墩耗能大。
2)選擇3條地震波對自復位消能橋墩和傳統橋墩數值模型分別進行多遇地震和罕遇地震下的非線性動力分析，結果表明自復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位消能橋墩在地震作用后無殘余變形或有很小殘余變形。
