朱松 高慧興 王曉飛 鄧森陽(yáng)

【摘要】基于OpenSees有限元分析軟件，針對(duì)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(zhǎng)度單元模型對(duì)自復(fù)位節(jié)段拼裝橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模分析和數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比分析，通過(guò)對(duì)比滯回曲線、預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)力、接縫開(kāi)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(zhǎng)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(jìn)行有限元建模和Kuruma模型，采用文獻(xiàn)4中自復(fù)位橋梁結(jié)構(gòu)試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)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(yàn)分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)兩類橋梁結(jié)構(gòu)的擬靜力分析結(jié)果驗(yàn)證Kuruma模型正確性。

文獻(xiàn)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(xiàn)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(tái)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(qiáng)軸方向進(jìn)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(shí)文獻(xiàn)4中試驗(yàn)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(jìn)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(qiáng)度不斷降低。在往復(fù)加載過(guò)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(qiáng)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(duì)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?cái)喽荒軌蚯哪埽沟米詮?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(dāng)自復(fù)位橋墩頂部側(cè)向水平位移達(dá)到最大值時(shí)，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(méi)有進(jìn)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(zhǎng)。

（二）基于零長(zhǎng)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(xiàn)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(jìn)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(zhǎng)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(zhǎng)度單元的接縫模擬有限元模型計(jì)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(zhǎng)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(dāng)節(jié)段拼裝橋墩達(dá)到最大水平位移時(shí)，采用基于零長(zhǎng)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(zhǎng)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(kāi)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(shí)裂縫閉合，當(dāng)出現(xiàn)較小受拉時(shí)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(kāi)始張開(kāi)，且自復(fù)位橋墩的開(kāi)合寬度隨側(cè)向水平位移呈線性增加，當(dāng)自復(fù)位橋墩墩頂側(cè)向水平位移達(dá)到最大值時(shí)，墩底接縫受拉一側(cè)所張開(kāi)寬度達(dá)到最大值為11.2mm。通過(guò)上述分析表明基于零長(zhǎng)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(jìn)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(duì)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(duì)Kuruma數(shù)值模型無(wú)法模擬接縫局部變形的問(wèn)題，采用零長(zhǎng)度單元模型實(shí)現(xiàn)接縫的模擬。通過(guò)兩類有限元模擬對(duì)比研究驗(yàn)證了本文中零長(zhǎng)度單元模型的正確性，并采用零長(zhǎng)度單元模型對(duì)接縫開(kāi)合寬度進(jìn)行了研究。

（3）對(duì)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(duì)于自復(fù)位橋梁的局部變形分析需要采用零長(zhǎng)度單元有限元模型可以得到更為合理的結(jié)果。

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