無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土橋墩抗震性能研究

信 坤，鐘鐵毅，韓 東

(北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100044)

無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土橋墩抗震性能研究

信 坤，鐘鐵毅，韓 東

(北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100044)

本文利用有限元軟件OpenSees對(duì)同濟(jì)大學(xué)的一項(xiàng)試驗(yàn)低周反復(fù)荷載作用下的2根鋼筋混凝土橋墩和2根無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土橋墩進(jìn)行數(shù)值模擬，并與已有試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明：所建模型對(duì)普通橋墩和無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土橋墩的模擬效果均良好，采用初應(yīng)力法能夠合理模擬無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋的預(yù)加力和自復(fù)位能力;預(yù)應(yīng)力束如果被放置在截面中心處主要體現(xiàn)其提供軸壓的作用，預(yù)應(yīng)力束如果沿截面的邊緣布置不僅能夠體現(xiàn)其提供軸壓的效果，還能更好地發(fā)揮其高彈性回復(fù)能力，墩柱的最大殘余位移也會(huì)進(jìn)一步減小。

無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力 纖維模型 滯回分析 殘余位移

為了增強(qiáng)橋梁的耐久性，減小橋墩在溫度等因素影響下的開裂程度，預(yù)應(yīng)力技術(shù)越來越受到設(shè)計(jì)人員的關(guān)注。Zatar等［1］采用部分預(yù)應(yīng)力配筋的方式，對(duì)混凝土墩柱進(jìn)行擬靜力試驗(yàn)和擬動(dòng)力試驗(yàn)研究，認(rèn)為由于預(yù)應(yīng)力筋提供豎向預(yù)壓力和自復(fù)位能力，可有效減少橋墩的殘余位移，減少橋墩的裂縫寬度，同時(shí)增大橋墩抗剪強(qiáng)度。Kwan和 Billington［2-3］利用有限元分析方法，對(duì)無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土墩柱的滯回特性和動(dòng)力反應(yīng)進(jìn)行研究，推演了一系列使用狀態(tài)和倒塌狀態(tài)下的位移能力準(zhǔn)則。分析結(jié)果表明:由于采用后張法的施工工藝，墩柱的能量耗散能力下降，位移需求可增大20% ～30%。王志強(qiáng)等［4］利用有限元分析方法，證明了在矩形墩的截面中心合理布置無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線，能夠提高墩柱的抗震性能，并滿足其正常使用狀態(tài)下的性能需求。

從已有研究可知，采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)，可以使墩柱的自復(fù)位能力得到提高，減小墩柱震后的殘余位移。也可能因?yàn)槟芰亢纳⒔档偷木壒剩瑢?dǎo)致位移需求的增加。因此，無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力束的存在，能否使橋墩達(dá)到期望的力學(xué)性能，并維持較低的殘余變形，仍值得進(jìn)一步研究。

本文結(jié)合同濟(jì)大學(xué)的試驗(yàn)結(jié)果［5-6］，基于有限元軟件OpenSees，建立并驗(yàn)證普通及無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土橋墩數(shù)值分析模型，進(jìn)一步分析無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力束的有無及布置方式對(duì)鋼筋混凝土橋墩抗震性能的影響。

1 模型的建立與驗(yàn)證

本文采用桁架單元模擬無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋，并采用初應(yīng)力法施加預(yù)應(yīng)力。

1.1 試驗(yàn)資料

為了驗(yàn)證本文所建模型的準(zhǔn)確性，本文選用同濟(jì)大學(xué)已做的2組試驗(yàn)進(jìn)行模擬，每組試驗(yàn)包含同尺寸的普通及無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土橋墩各一個(gè)。其中一組橋墩編號(hào)為 S1和 S2，詳細(xì)的墩柱參數(shù)見參考文獻(xiàn)［5］。另一組橋墩編號(hào)為 RC1和 UBPC1，詳細(xì)的墩柱參數(shù)見參考文獻(xiàn)［6］。其中，S2和 UBPC1為預(yù)應(yīng)力橋墩。

1.2 模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

4根橋墩的模擬和試驗(yàn)所得滯回曲線，在初始剛度、捏攏程度以及卸載剛度方面，均比較吻合。圖1為試件S2墩的滯回曲線。

圖1 試件S2墩模擬與試驗(yàn)滯回曲線對(duì)比

根據(jù)滯回曲線繪制的骨架曲線如圖2所示，由圖2可以看出，模擬和試驗(yàn)所得骨架曲線，在彈性段、屈服強(qiáng)化段以及軟化段均吻合較好。對(duì)于破壞階段，由于數(shù)值模擬時(shí)，未考慮混凝土急劇開裂所造成的強(qiáng)度退化，所以，此部分的模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果有一定的誤差。

骨架曲線特征值如表1所示，從表1的數(shù)據(jù)可以看出，4根橋墩的試驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果對(duì)比中，屈服荷載、峰值荷載和最終荷載均較吻合。為了和4個(gè)橋墩的試驗(yàn)加載方法保持一致，對(duì)于S1和S2，定義試件的強(qiáng)度下降到最大強(qiáng)度的85%為最終破壞;對(duì)于RC1和UBPC1，定義試件的強(qiáng)度下降到最大強(qiáng)度的80%為最終破壞。最終破壞對(duì)應(yīng)的變形為極限變形。

圖2 試件S2墩模擬與試驗(yàn)骨架曲線對(duì)比

表1 骨架曲線特征值對(duì)比

殘余位移是指當(dāng)荷載卸載到零時(shí)的側(cè)向位移，相應(yīng)的最大殘余位移為當(dāng)側(cè)向位移達(dá)到極限位移后，卸載至零時(shí)對(duì)應(yīng)的永久側(cè)移。如果橋墩的震后殘余位移比較小，不但有利于震后的繼續(xù)運(yùn)營(yíng)，而且有利于震后構(gòu)件的修復(fù)，所以殘余變形指標(biāo)非常重要。為了探究該模型是否能夠較好地反映橋墩的殘余變形指標(biāo)，本文計(jì)算了各橋墩的最大殘余位移，并與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，如表2所示。從表2的數(shù)據(jù)可以看出，模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果比較吻合。

表2 最大殘余位移對(duì)比

4個(gè)橋墩的試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果的對(duì)比表明，本文的有限元模型能夠很好地模擬低周反復(fù)荷載作用下鋼筋混凝土橋墩和無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土橋墩的響應(yīng)。

2 鋼筋混凝土橋墩及無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土橋墩對(duì)比分析

為了進(jìn)一步研究預(yù)應(yīng)力鋼筋在橋墩中所發(fā)揮的作用，以及預(yù)應(yīng)力筋的布置方式對(duì)其發(fā)揮作用有何影響，本文在已建立的有限元模型基礎(chǔ)上，添加3種工況:①橋墩UBPC2，②橋墩S3和③橋墩RC2。

將S1，UBPC2和S3三個(gè)橋墩進(jìn)行對(duì)比分析，其設(shè)計(jì)參數(shù)見表3，骨架曲線對(duì)比結(jié)果如圖3。

表3 S1，UBPC2和S3橋墩的設(shè)計(jì)參數(shù)

圖3 骨架曲線對(duì)比

將RC1，RC2和UBPC1三個(gè)橋墩進(jìn)行對(duì)比分析，其主要參數(shù)見表4，對(duì)比結(jié)果見圖4。

表4 RC1、RC2和UBPC1橋墩的設(shè)計(jì)參數(shù)

圖4 骨架曲線對(duì)比

由圖3和圖4可以看出，預(yù)應(yīng)力混凝土橋墩的初始剛度比鋼筋混凝土橋墩大。這是由于預(yù)應(yīng)力鋼筋為橋墩提供的預(yù)壓力，可以部分抵消外荷載作用產(chǎn)生的拉應(yīng)力，推遲混凝土截面上裂縫的出現(xiàn)，且限制裂縫的開展。預(yù)壓力的存在，也促使預(yù)應(yīng)力混凝土橋墩的屈服荷載、峰值荷載等均有一定程度的提高。也是因?yàn)轭A(yù)應(yīng)力筋為橋墩提供預(yù)壓力，而且隨著預(yù)應(yīng)力筋的伸長(zhǎng)，預(yù)應(yīng)力筋會(huì)給橋墩提供額外軸壓，所以預(yù)應(yīng)力墩柱的核心混凝土?xí)绕胀ㄤ摻罨炷炼罩暮诵幕炷撂嵩绫粔核椋率乖嚰遁d剛度減小趨勢(shì)明顯。

由圖3和圖4還可以看出，將無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋放置在橋墩截面中心的UBPC1橋墩，與RC2橋墩的骨架曲線非常接近。可見，如果將無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋放置在橋墩截面的中心處，其作用主要是為橋墩提供與張拉力等量的軸壓。這是由于無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋在橋墩受力過程中長(zhǎng)度變化有限，提供的回復(fù)力有限，而且由于與混凝土沒有黏結(jié)，其參與鋼筋混凝土共同受力的程度小。但是，將無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋放置在截面邊緣處的UBPC2橋墩的墩頂橫向力要比S3橋墩的大。隨著墩頂位移的增大，兩橋墩的墩頂橫向力差距增大。說明預(yù)應(yīng)力鋼筋不僅能為橋墩提供軸壓，而且能為橋墩提供回復(fù)力。這是因?yàn)轭A(yù)應(yīng)力橋墩在低周反復(fù)荷載作用下，處于邊緣的預(yù)應(yīng)力鋼筋長(zhǎng)度發(fā)生變化，為橋墩提供了一部分回復(fù)力;而且在此過程中，隨著橋墩墩頂截面的傾斜，受拉側(cè)截面預(yù)應(yīng)力筋有增長(zhǎng)的趨勢(shì)，而受壓側(cè)截面的預(yù)應(yīng)力筋有縮短的趨勢(shì)，從而兩側(cè)預(yù)應(yīng)力筋提供的拉力形成阻礙構(gòu)件繼續(xù)變形的反彎矩，也起到了回復(fù)力的效果。

無論是在截面中心還是沿截面邊緣布置預(yù)應(yīng)力鋼筋，由于預(yù)壓力起到軸壓效果，預(yù)應(yīng)力混凝土橋墩的最大殘余位移會(huì)比普通鋼筋混凝土橋墩的最大殘余位移小;而且如果將預(yù)應(yīng)力筋放置在截面邊緣，其發(fā)揮的回復(fù)力作用會(huì)使橋墩的最大殘余位移進(jìn)一步減小。

3 結(jié)論

本文利用有限元軟件OpenSees建立了普通鋼筋混凝土橋墩和無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土橋墩的纖維模型，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)論如下:

1)采用初應(yīng)力法為模擬預(yù)應(yīng)力筋的桁架單元施加預(yù)應(yīng)力，能夠合理模擬無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋的預(yù)加力和自復(fù)位能力。驗(yàn)證了有限元軟件OpenSees模擬低周反復(fù)荷載作用下鋼筋混凝土橋墩和無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土橋墩響應(yīng)的可靠性。

2)無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋為試件提供預(yù)壓力，推遲混凝土截面上裂縫的出現(xiàn)，且限制裂縫的開展，試件的初始剛度、屈服荷載和峰值荷載均有一定程度上的提高。但是，也是因?yàn)轭A(yù)應(yīng)力筋為橋墩提供預(yù)壓力，而且隨著預(yù)應(yīng)力筋的伸長(zhǎng)，預(yù)應(yīng)力筋會(huì)給橋墩提供額外軸壓，所以預(yù)應(yīng)力墩柱的核心混凝土?xí)绕胀ㄤ摻罨炷炼罩暮诵幕炷撂嵩绫粔核椋率乖嚰遁d剛度減小趨勢(shì)明顯。

3)預(yù)應(yīng)力束如果被放置在截面中心處，主要體現(xiàn)其提供軸壓的作用;預(yù)應(yīng)力束如果沿截面的邊緣布置，不但能夠體現(xiàn)其提供軸壓的作用，也能更好地發(fā)揮其自復(fù)位能力，最大殘余位移也會(huì)進(jìn)一步減小。

［1］ZATAR W A，MUTSUYOSHI H．Residual displacements of concrete bridge piers subjected to near field earthquakes［J］． ACI Structural Journal，2002，99(6):740-749．

［2］KWAN W P，BILLINGTON S L． Unbonded posttensioned concrete bridge piers I:Monotonic and cyclic analysis［J］． Journal of Bridge Engineering，ASCE，2003，8(2):92-101．

［3］KWAN W P，BILLINGTON S L． Unbonded posttensioned concrete bridge piers Ⅱ:Seismic analysis［J］．Journal of Bridge Engineering，ASCE，2003，8(2):102-111．

［4］王志強(qiáng)，葛繼平，魏紅一．東海大橋預(yù)應(yīng)力混凝土橋墩抗震性能分析［J］．同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2008，36(11):1462-1466．

［5］劉豐．節(jié)段拼裝預(yù)應(yīng)力混凝土橋墩擬靜力試驗(yàn)和分析研究［D］．上海:同濟(jì)大學(xué)，2008．

［6］葛繼平．節(jié)段拼裝橋墩抗震性能試驗(yàn)研究與理論分析［D］．上海:同濟(jì)大學(xué)，2008．

U443．22

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2014．01．06

1003-1995(2014)01-0021-03

2013-06-19;

2013-10-11

信坤(1988— )，男，河北廊坊人，碩士研究生。

(責(zé)任審編 趙其文)