节段装配式混凝土桥墩抗震性能分析

节段装配式混凝土桥墩抗震性能分析

预制混凝土桥墩具有施工速度快、质量好、节能环保等优点。伴随桥墩预制拼装技术在高地震危险区域的应用,装配式桥墩的抗震性能优劣成为其面临的一个关键技术难题,目前国内外已经开始着手进行节段装配式桥墩合理构造和抗震性能的研究,成为抗震性能的研究热点。新西兰的R.I.Skinner等研究了Stepping式隔振结构,并应用在Rangitikei铁路桥的5个拼装高桥墩中。台湾科技大学欧昱辰研究了采用普通钢筋作为耗能钢筋的高强钢筋连接的大比例尺单柱式装配式桥墩的滞回性能。研究结果表明:采用高强钢筋的装配式桥墩具有耗能能力强、强度高、残余位移小的特点。提出采用接缝钢筋滑移转动模型进行了推倒分析,分析结果与试验结果吻合良好。台湾交通大学周中哲进行了循环荷载下预制拼装钢管混凝土装配式桥墩的试验研究,提出了刚度退化的旗帜型模型。在此基础上进行非线性地震响应参数分析,得到了位移延性和耗能能力等的规律。内华达Reno分校地震研究中心的SariraMotaref和M.Saiid旨在增加装配式桥墩的耗能能力,提出了新型装配式桥墩,并采用振动台试验和纤维模型分析方法进行了分析研究。第一阶段是研究单柱式装配式桥墩,在塑性铰附近采用了特殊材料,比如水泥基复合材料、橡胶支座、碳纤维材料等,并与普通钢筋混凝土柱的性能进行了比较;第二阶段是研究双柱式装配式桥墩(包括预制基础、预制墩柱、预制盖梁),墩柱也是采用上述特殊材料;然后建立了上述试验模型的纤维分析模型,经过试验验证后进行了大量的参数分析,初步形成了装配式桥墩的设计方法。鉴于国内外有关装配式桥墩的研究比较薄弱,需要建立可靠的分析模型,提出准确的模拟分析方法。与整体现浇钢筋混凝土桥墩相比,采用装配式桥墩的分析难度大大增加,主要原因在于装配式桥墩中出现了接缝,有粘结预应力钢筋和无粘结预应力钢筋,耗能装置等。该文针对装配式桥墩的构造特点,对装配式桥墩涉及非线性因素,特别是接缝的力学行为进行分析,在此基础上给出了适宜的模拟方法,然后将纤维模型分析结果与试验结果进行比较。该文建议的分析方法可以对装配式桥墩的抗震分析提供有益的指导,促进装配式桥墩的应用。1混凝土桥墩试验研究以是否存在预应力钢筋、不同施工方法、预应力筋的布置位置和存在方式、附加耗能装置等参数设计了一组桥墩,包括3种装配式桥墩,1种现浇普通钢筋混凝土桥墩,1种无粘结预应力混凝土桥墩。每种桥墩设计2个试件,1个试件进行低周反复荷载试验研究,另外1个试件进行振动台试验研究。低周反复荷载试验在同济大学桥梁试验室进行,振动台试验在同济大学MTS公司生产的振动台上进行,位移测试采用溧阳仪表厂的YHD型位移传感器,试件的符号表示见表1,具体的试件设计和试验过程,见参考文献。2关键力学模型的建立综合目前关于装配式桥墩力学特性低周反复荷载试验的研究成果,在进行数值模拟时,应针对不同类型的桥墩损伤破坏的机理不同而建模。对于整体桥墩,建立数值模型时需要注意对墩底塑性铰区域的模拟,即要重点考虑塑性铰区域材料特性的模拟,选取合适的材料模型并正确定义材料参数是关键。对于装配式桥墩的数值模拟,因为墩底的破坏主要集中在接缝的张开闭合以及接缝处混凝土的局部压碎破坏,在正确模拟整体桥墩的基础上,节段桥墩模拟的重点还包括对接缝处的力学特性以及预应力筋力学行为的准确模拟,墩身节段的模拟可以与整体桥墩的模拟方法相同。理解了这些主要力学特性,便可据此建立装配式桥墩的数值分析模型,以期能正确描述这些关键力学特性。OpenSees程序是由美国太平洋地震研究中心(PEER)从1997年开始研发,近10所美国高校参与共同开发的面向学术界的科研平台。按照实际的试件几何信息,基于OpenSees程序建立的有限元模型如图1所示。关于拼装桥墩纤维模型的建立方法可参见文献,该文的建模方法是在该文献方法上的继续发展,预应力钢筋的模拟与原方法一致,该文只介绍不同之处。拼装桥墩中的混凝土本构关系采用Concrete02模型来模拟,关键参数根据Mander模型计算。所有的钢筋包括耗能钢筋采用ReinforcingSteel模型模拟,可反映钢筋的受压屈曲以及疲劳损伤等塑性力学行为。对装配式桥墩进行分析的关键是采用合适的方式来模拟接缝区域的力学特征。目前主要有3种方式:第一种是忽略没有贯穿接缝的钢筋等参与受力的因素,将实际接缝的集中变形处理为分散于整个构件受拉侧的变形;第二种是采用与接缝实际高度等长的素混凝土柱来模拟;第三种是并联弹簧模型。该文通过试验观察可知,预制拼装桥墩在水平地震荷载作用下会发生如图1(a)所示的“摇摆”现象,在墩顶位移为Δtop时,墩底接缝张开最大位移为δ,墩底界面与承台的接触长度为c。对于刚性块体,在摇摆时的振动规律可按Housner(1963)的刚性块理论分析。但是刚性块体接触长度c=0,而对于混凝土的节段,由于混凝土的弹性和非线性,使得c≠0。可以采用如图1(b)所示的模型来模拟这种现象,墩柱自身采用非线性梁柱单元模型。在水平荷载作用下,墩底接缝张开程度越来越大,在接缝张开的交点处设置零长度单元,只受压不受拉。这样的接缝分析模型可以模拟装配式桥墩的“摇摆”现象。其中c的取值是关键,该试验中cmin≈0.2d,且该文计算中采用各个试件的实际测量值。另外为了模拟距外边缘为c的范围内混凝土的局部压碎破坏,在此范围内设置弹簧单元,赋予相应的截面特性和本构关系,来模拟混凝土的局部压碎。3有限元分析通过对不同构造细节的装配式桥墩低周反复荷载试验和有限元数值分析,研究不同构造方式下装配式桥墩的滞回特征和预应力筋的变换规律等,探讨各种构造桥墩的抗震性能的特点,校正有限元数值分析模型,为抗震分析提供方法。3.1最大荷载后的强度退化RC试件和UBPC试件属于整体现浇试件,其纤维模型(图2)计算结果见图3、4,可见纤维模型分析得到的墩顶推力-位移滞回曲线与试验结果吻合较好,特别是该模型可以反映实际试件最大荷载后的强度退化现象。图4(b)为加载过程中的预应力筋随侧向位移的变化规律,可以看出随着位移荷载的增加,预应力一直增加,而且处于弹性阶段,没有出现预应力筋屈服的现象。虽然由于测试装置失效,无法进行计算与试验结果的比较,但是从国外其他研究者的试验研究成果可以看出,该文计算得到的预应力筋的预应力大小变化规律与实测是吻合的。3.2试验结果对比UBPC-S、UBPC-SD和BPC-S试件属于拼装桥墩试件,其纤维模型计算结果分别见图5~7。图5(a)、6(a)和7(a)为墩顶推力-位移曲线,与试验结果相比,两者存在一定差异。对于荷载-位移曲线而言,骨架曲线在最大荷载之前吻合较好,纤维模型计算虽能反映最大荷载后的强度退化现象,但是强度退化的程度和卸载路径上存在一定的差异。从试验结果和纤维模型滞回曲线的饱满程度可以看出,UBPC-S和BPC-S试件纤维模型计算得到的耗能能力与试验结果也比较接近;UBPC-SD纤维模型计算得到的耗能能力偏小,主要原因是纤维模型无法反映试验过程中试件柱角混凝土的压碎现象,同时与耗能钢筋的施工误差较大也有一定的关系。图5(b)和图6(b)为加载过程中的预应力筋随侧向位移的变化规律,可以看出随着位移荷载的增加,预应力一直增加,而且处于弹性阶段,没有出现预应力筋屈服的现象。虽然由于测试装置失效,无法进行计算与试验结果的比较,但是从国外其他研究者的试验研究成果可以看出:该文计算得到的预应力筋的预应力大小变化规律与实测是吻合的。图7(b)为加载过程中的预应力筋随侧向位移的变化规律,可以看出随着位移荷载的增加,预应力逐渐增加,而且由于预应力筋为有粘结预应力筋,预应力筋已经进入屈服阶段。这点与振动台试验中在PGA(加速度)较大时,BPC-S试件的位移响应增加趋势非常大的现象是一致的。虽然由于测试装置失效,无法进行计算与试验结果的比较,而且没有发现国外这方面研究成果的报道,需要通过进一步的试验研究来验证。4接触本结构的特性各个试件的构造同低周反复荷载分析模型,测试过程中输入EI-Centro波,但是通过比较频谱特征,发现实际得到的输入和期望输入存在一定差异,所以该文分析采用台面采集的实际加速度时程作为地震波输入。最大位移是桥墩设计的一个关键参数,对于损伤状态和性能指标的确定意义重大,所以该文首先关注墩顶最大位移响应随PGA增加的变化规律,计算结果见图8。总体而言,随PGA增加,计算得到的各个试件的最大位移响应趋势与试验结果较为一致,但是计算得到的位移误差会逐渐增大。各个试件在低PGA激励时,有限元计算与试验结果吻合良好,随着PGA的增加,计算位移时程响应的峰值和周期与试验结果偏离较大。主要原因是:有限元计算各个工况之间周期保持一定,无法反映损伤累积,而实际试件的周期会延长,有明显的损失累积过程。所以,应对上述方法进一步改进,以期增加模型的计算精度。图9为拼装试件的接缝张开时程曲线的比较,可以看出,UBPC-S和UBPC-SD试件的左侧接缝张开计算幅值与试验吻合较好,但是12s后的差异较大。可见该文的接缝模型对于无粘结拼装桥墩接缝损伤前的力学行为模拟精度较高,损伤发生后的幅值差异较大,主要原因是该文的接缝模型是接触面积恒定的,无法反映节段之间剩余接触面积的不断变化。但对于最大位移响应和动力特性的计算是满足工程设计需要的。对于BPC-S桥墩而言,计算结果稍差,主要的原因是对于接缝区域有粘结预应力钢筋的模拟存在误差,实际桥墩中有粘结预应力钢筋会在节段内发生应变渗透,而有限元模拟没有考虑到这一情况。5施工质量比较和施工模型分析在装配式桥墩该文主要是采用并联弹簧接缝模型建立装配式桥墩的抗震性能的分析模型,然后将低周反复荷载和非线性时程分析结果与试验结果进行了比较分析,验证了这种方法进行抗震性能分析的可行性和有效性。得到以下结论:(1)整体现浇的普通钢筋混凝土桥墩和无粘结预应力混凝土桥墩的骨架曲线和加卸载规律可以比较准确地模拟;装配式桥墩的骨架曲线计算和实测吻合较好,而加卸载刚度和残余位移相对而言误差较大一些,主要原因在于装配式桥墩中施工和测试误差、非线性和不确定因素太多的缘故。(2)纤维模型分析方法可以把握整体现浇和装配式桥墩的抗震性能,对于低周反复荷载性能中的达到最大荷载前的荷