自复位消能桥墩抗震性能研究（建筑）

林  青，张兴璞，赵园园

（邢台职业技术学院，河北邢台054035）

[摘要]介绍自复位消能桥墩的基本概念及研究意义，基于SAP2000平台建立自复位消能桥墩的多弹簧模型，提出用多线性弹性弹簧代替预应力筋，用弹塑性弹簧代替阻尼器的简化数值模拟方法，并对该模型进行Pushover分析，研究自复位组件及耗能组件对桥墩滞回性能的影响。同时对自复位消能桥墩和传统桥墩进行非线性动力时程分析，研究两种桥墩在地震波下的抗震性能。结果表明自复位消能桥墩多弹簧模型地震作用下性能稳定，地震作用下自复位消能桥墩的柱顶最大位移大于传统桥墩，残余位移明显小于传统桥墩结构，桥墩震后性能良好。

 [关键词]自复位消能桥墩；桥墩组件参数；多弹簧模型；拟静力分析；动力时程分析

 [中图分类号]TU352   

0  引言

    按照延性设计方法的传统桥梁在地震过后将引起永久残余变形，破坏损坏严重的桥梁需重建；而隔震设计采用的隔震元件造价比较昂贵，且施工安装不太方便。和自复位剪力墙加入软钢阻尼器等结构相似，自复位消能桥墩可以确保地震后自行消除结构自身的永久变形，又可以使结构在遭遇大震后仍可以继续使用，保证地震中桥梁的安全运输功能，其原理是通过分离桥墩柱和基础，使桥墩在地震下发生摇摆，再在最易破坏的柱底安装消能装置提高桥墩的耗能能力，即耗能专门集中于耗能装置中，从而减小地震的响应，桥墩在经历强烈地震后仅仅需要更换耗能装置即可恢复使用。本文研究的自复位消能桥墩由桥墩本身承重，由后张拉无粘结预应力筋自复位组件提供恢复力，采用位移相关型的金属阻尼器消耗地震能量，采用类似于滚轴水平放置的滑动铰支座方式处理桥墩和墩台的接头。

    由于自复位消能桥墩中混凝土与预应力无粘结，其应力应变不协调，传统的模拟设计技术不再实用。1999年，EI-Sheikh等提出了纤维模型和集中塑性模型，国内党像梁、吕西林等对自复位预应力剪力墙利用ABAQUS建立了结构的实体单元、平面单元和薄壳单元的有限元模型，为进一步给自复位组件和消能组件的设计提供依据。本文基于有限元软件SAP2000建立自复位消能桥墩多弹簧模型，并对其进行非线性静力和非线性动力时程分析，验证模型的适用性，揭示自复位组件参数和耗能组件参数等对桥墩抗震性能的影响，并通过与传统桥墩对比，验证自复位消能桥墩具有控制结构残余变形的良好性能。

1  桥墩多弹簧模型

    本文基于SAP2000有限元软件建立自复位消能桥墩多弹簧有限元模型。承重组件采用普通钢筋混凝土框架柱单元，混凝土采用C40。截面是400mm×400mm，柱高1700mm，纵筋采用16根HRB33512，箍筋6@60，保护层为40mm。为简化计算，本文只考虑桥面恒载，其等效为作用在桥柱墩的顶面中心的集中荷载，分析中未考虑桥墩的P-△效应。

    自复位组件使用多线性弹性连接单元( Multilinear  Elastic)模拟提供自复位能力的后张无粘结预应力筋。此多线性弹性连接单元的应力应变关系是非线性的，且弹性连接单元在加载和卸载过程中路线一致，没有能量耗散。为保证桥墩的复位，要求弹簧始终保持在弹性范围。预应力筋与混凝土柱之间的无粘结效应模拟主要做到了：①两者分离构建，忽略无粘结预应力筋与混凝土之间的摩擦效应和预应力损失；②结构加载后，两者之间的变形协调，所以桥墩顶部区域与预应力共享节点（通过指定柱墩节点和连接弹簧节点为刚体束缚）。

    耗能单元采用Multilinear plastic塑形连接单元模拟。采用两节点连接绘制Multilinear plastic单元，一端用节点约束固接于大地，另一端是通过指定其上端点与柱相同高度处的节点为刚体束缚（连接单元和柱相应位置相当于刚体一起变形）固定在桥墩柱上，Multilinear plastic单元只定义其Ul方向有非线性属性。

    采用SAP2000提供的只受压不受拉的Gap单元来模拟自复位消能桥墩基础和柱子是分离连接形式（基础只直接承受柱子的压力而不受拉）。桥墩柱在水平荷载下，一端抬起承受阻尼器的拉力，另一端受压，绕受压点摇摆，同时为简化计算模型，不考虑桥墩柱在柱底的受剪，通过在Gap单元的一端指定节点约束限制Gap单元的水平位移，这在实际桥墩设计中可在桥墩柱底设置摩擦系数很大的材料或者设置嵌合接头来限制柱子的剪切破坏基本等效。

    为了保证Gap单元、阻尼器消能单元和桥墩柱的连接固定关系，设置一个刚臂单元来连接这些组件。本文的刚臂用框架单元型钢梁代替，在SAP2000中先选中刚臂上的节点，然后指定节点刚体( body)束缚来限制刚臂上出现弯曲变形、轴力变形和剪切变形，用以保证Gap单元和桥墩柱以及桥墩柱和阻尼器耗能单元的协调变形。

2  自复位消能桥墩基于SAP2000的静力弹 塑性分析

  采用X向的均布加载模式对模型进行静力弹塑性分析，选择柱顶水平位移X为柱高的1%(17mm)作为控制目标，研究预应力筋初始张拉力F _P0、预应力筋的刚度k _p、阻尼器的刚度k _d、屈服力f、布置位置（b₁，b₂分别为阻尼器距离柱右边侧距离）对桥墩抗震性能的影响，模型中预应力筋的初始预应力用附加于柱顶的竖向荷载代替，基底剪力为P。以FP0=320kN、k _p=333kN/m m_f=60kN、k _d：300kN/mm、b₁=350mm、b₂=50mm为基准，分别

对比不同  F_p0(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)的地震反应。模拟结果见图3～图8。

    由图3所得结果基底剪力由0增大到173kN时柱顶开始出现水平位移，定义此时对应的基底剪力为自复位消能桥墩柱开始转动的临界力。基底剪力大于临界力后曲线的斜率表示柱墩的刚度。图4表明相同水平力作用下，阻尼器的屈服力越大，柱顶的水平位移越小，即桥墩柱的强度越大，所以在设计桥墩柱时可以适当提高阻尼器的屈服力，这样可以增加耗能。图5表明，阻尼器的初始刚度对自复位桥墩柱的强度影响不大。图6表明，预应力筋的刚度越大，桥墩柱在摇摆过程中的刚度也越大，所以在确定基于位移的设计中可以适当提高预应力筋的刚度，即控制预应力的刚度可以控制柱顶的位移。图7表明，预应力筋的初始张拉力越大，桥墩柱的临界荷载越大，但从理论上分析预应力筋的初始张拉力不易过大，否则柱底相当于固接，自复位桥墩和传统桥墩将无实质区别。图8表明，阻尼器的位置对摇摆桥墩柱的性能也有影响，因为阻尼器是位移相关型的金属阻尼器，其变形越大耗能越大，阻尼器采用外置，即b₁= 400mm时，桥墩在相同水平力下柱顶位移最小，即阻尼器采用外置时桥墩耗能大。

    由图可知，在水平力达到临界荷载前，曲线的斜率是接近无穷的，故在桥墩柱摇摆前其接近刚体，设计时把桥墩柱看作刚体是合理的。

3  自复位消能桥墩基于SAP2000的动力时程分析

  为验证自复位消能桥墩在地震后的残余变形很小这一优于传统桥墩的性能，本节将对传统桥墩和自复位消能桥墩的两个有限元模型输入地震动，并通过对比两种模型中可以代表结构体系的动力特性相关指标的残余变形和最大柱顶水平位移，观察自复位消能桥墩模型的地震响应。

    传统桥墩的模型直接采用和自复位消能桥墩相同配筋的桥墩，并指定柱底节点固接约束。自复位消能桥墩采用上节所建多弹簧有限元模型，未施加预应力荷载，只考虑上部结构的荷载，通过选择SAP2000中定义质量源中来自对象、附加质量以及荷载选项考虑结构重量和荷载。

    按照《铁路工程抗震设计规范》( GB 50111-2006)，本文选择3条天然地震波（图9～图11）对结构进行分析。在对自复位消能桥墩进行非线性动力分析时，需要在选择对应合适的地震波之后，把地震波的峰值加速度参考抗震规范表5.1.2-2调成对应的地震大小峰值加速度，见表1。地震波作用下柱顶水平位移△结果如图12~图17。

    由图可知采用多弹簧模型模拟自复位消能桥墩是合理的。在基于性能的抗震设计中，残余变形是结构在地震作用下基本的性能指标，通过对比分析结果可知：同一条地震波下无论是多遇地震还是罕遇地震，自复位消能桥墩的最大柱顶水平位移大于传统桥墩，这是因为传统桥墩固接于大地上，其抵抗水平作用能力更大。但是自复位消能桥墩残余变形是很小的，远小于传统桥墩的残余变形，这正是自复位消能桥墩优于传统桥墩性能所在。

4  小结

    本文基于SAP2000有限元软件建立自复位消能桥墩的多弹簧模型，其中用多线性弹簧模拟自复位组件后张拉预应力筋，用多线性塑形连接单元模拟软钢阻尼器，桥墩采用和传统桥墩相同配筋的钢筋混凝土框架柱构件，用Gap单元模拟自复位消能桥墩中桥墩与基础的只受压无受拉的关系。通过本文给出的简化数值模型，可以把握各组成组件对自复位桥梁的影响，揭示新型自复位桥梁受力机理，所得结果可为实际混凝土桥梁结构工程中桥墩的设计

提供有效参考。基于所建模型得出如下具体结论：

    1)对建模型进行Pushover分析，得出自复位及耗能组件对桥墩性能均有影响，影响大小不同，阻尼器的屈服力越大，桥墩柱的强度越大；阻尼器的初始刚度对自复位桥墩柱的强度影响不大；预应力筋的刚度越大，桥墩柱在摇摆过程中的刚度也越大；预应力筋的初始张拉力越大，桥墩柱的临界荷载越大；当阻尼器采用位移相关型的金属阻尼器时，阻尼器采用外置时桥墩耗能大。

    2)选择3条地震波对自复位消能桥墩和传统桥墩数值模型分别进行多遇地震和罕遇地震下的非线性动力分析，结果表明自复位消能桥墩采用多弹簧模型是合理的，并通过对比柱顶最大水平位移和残余位移得出自复位消能桥墩在地震作用后无残余变形或有很小残余变形。