節(jié)段拼裝雙柱墩梁橋動(dòng)力響應(yīng)時(shí)程分析

■范延靜 蔡?hào)|貴 林錦德 陳彩藝

（福州大學(xué)土木工程學(xué)院，福州 350116）

1 概述

目前，相當(dāng)多的跨海橋引橋和城市高架橋采用了節(jié)段拼裝施工技術(shù)。如東海大橋[1]，其海上段20多公里的梁橋墩身采用節(jié)段拼裝施工技術(shù)。預(yù)制安裝施工技術(shù)的應(yīng)用，加快了海橋梁的施工速度，增加安全性和耐久性，也更加可靠和環(huán)保等[2]。國外的節(jié)段技術(shù)起步早，我國預(yù)制節(jié)段拼裝技術(shù)研究和應(yīng)用相對(duì)較少，已有的應(yīng)用和研究主要集中在上部結(jié)構(gòu)[3-4]，對(duì)于下部結(jié)構(gòu)，目前總體上還處于初步的探索階段。隨著節(jié)段拼裝橋墩施工工藝的發(fā)展，越來越多的科研人員開始了節(jié)段拼裝橋墩抗震性能的研究。

目前的研究主要集中裝配式墩的試驗(yàn)和計(jì)算分析方法方面，如1999-2004年，德克薩斯大學(xué)進(jìn)行了節(jié)段拼裝橋墩的試驗(yàn)研究[5-7]。2012年美國紐約州立大學(xué)布法羅分校Petros Sideris等[8]采用搖擺-滑頭組合節(jié)段拼裝接頭進(jìn)行了大比例尺的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究。2013年Motaref S，Saiidi M S等[9]在節(jié)段拼裝橋墩塑性鉸區(qū)采用高性能材料進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)破壞試驗(yàn)。在國內(nèi)，2011年高婧等[12]進(jìn)行了節(jié)段拼裝橋墩的循環(huán)荷載試驗(yàn)。2013年賴安靜等[13]進(jìn)行了裝配式鋼筋混凝土橋墩的力學(xué)性能分析。2014年劉鑫等[14]進(jìn)行了干接縫節(jié)段拼裝橋墩抗震性能地震臺(tái)試驗(yàn)研究，用OpenSees程序進(jìn)行模擬，給出了節(jié)段拼裝橋墩在不同水平力作用下的結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的差異。2015年，王軍文等[16]進(jìn)行了預(yù)應(yīng)力混凝土空心墩擬靜力試驗(yàn)與數(shù)值分析。對(duì)4個(gè)空心墩模型進(jìn)行擬靜力試驗(yàn)研究，利用OpenSees軟件，采用纖維梁柱單元模擬各空心墩在擬靜力荷載下的力學(xué)行為。

可以看出，目前對(duì)于裝配式墩橋梁整體抗震性能的分析較少。因此，利用OpenSees建立采用整體式墩和裝配式墩的連續(xù)梁橋，比較了兩者抗震性能的差異，以期為預(yù)制拼裝雙柱墩梁橋的抗震設(shè)計(jì)及工程應(yīng)用提供依據(jù)。

2 兩跨連續(xù)梁橋基本情況

所研究橋梁為兩跨連續(xù)梁，單向4車道設(shè)計(jì)，上部結(jié)構(gòu)由5片小箱梁組成，橋墩直徑為1.25m，墩柱高為8.3m。不考慮基礎(chǔ)的具體形式。橋型布置如圖1所示，橋梁上部結(jié)構(gòu)橫截面如圖2所示，蓋梁橫截面尺寸如圖3所示。橋梁混凝土實(shí)際強(qiáng)度為C40，抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為26.8MPa。縱筋采用直徑為24mm的HRB400熱軋鋼筋（三級(jí)鋼），抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為400MPa；箍筋采用直徑10mm的R235（I級(jí)光圓鋼筋），抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為235MPa。

圖1 橋型布置圖

原橋橋墩采用現(xiàn)澆混凝土雙柱墩，為比較研究，采用了裝配式混凝土雙柱墩，立柱與蓋梁的連接采用灌漿波紋管連接。

圖2 橋梁上部結(jié)構(gòu)橫截面

圖3 蓋梁橫截面圖

3 OpenSees橋梁計(jì)算模型

3.1 模型的基本情況

OpenSees橋梁計(jì)算模型簡圖見圖4，各部分具體建模情況如下：

（1）主梁：不考慮主梁的非線性因素，采用程序中的Elastic BeamColumn單元來模擬主梁，材料為單軸彈性材料。將5根小箱梁等效為一根主梁，賦予主梁的截面特性為5根小箱梁的組合，根據(jù)計(jì)算，主梁每延米重190.9kN/m，橋跨為25m，一跨平均分為10個(gè)單元，每個(gè)單元長度為2.5m。橋梁結(jié)構(gòu)采用集中質(zhì)量模型，將每個(gè)單元的質(zhì)量平均分到兩側(cè)節(jié)點(diǎn)上。主梁放置在雙柱墩蓋梁的中心位置，用支座將主梁與蓋梁進(jìn)行連接。

（2）橋墩：考慮橋墩的材料非線性因素，橋墩采用程序中Nolinear BeamColumn單元來模擬，混凝土材料為Scott、Park 等修正的 Kent-Park 模型（Concrete02），縱筋材料為Giuffre-Menegotto-Pinto模型 （Steel02）。 墩柱高為8.3m，沿高度方向建立兩個(gè)非線性梁柱單元。對(duì)于整體現(xiàn)澆雙柱墩梁橋，模型參數(shù)與設(shè)計(jì)參數(shù)一致，同時(shí)考慮橋墩的二階效應(yīng)；對(duì)于節(jié)段拼裝雙柱墩梁橋，模型中還要考慮墩底、墩頂接縫處數(shù)值模擬，采用的模擬方法為分段式建模方法，在接縫處用數(shù)根并聯(lián)彈簧模擬接縫的力學(xué)行為，其他設(shè)計(jì)參數(shù)不變。

（3）支座：目前OpenSees程序?qū)χё哪M主要有以下兩種方法：用零長度單元模擬支座，6個(gè)方向分別取不同的剛度值；采用Elastomeric Bearing Element單元等進(jìn)行模擬。本文采用第一種方法來模擬支座，不考慮支座的非線性特性，對(duì)支座進(jìn)行簡化處理，支座采用Zero Length單元進(jìn)行模擬。主梁與三個(gè)雙柱墩連接形式不同：（a）中間雙柱墩為主梁與蓋梁固結(jié)，僅放松橋梁橫橋向的彎曲變形，保證橋梁在支座處可以正常自由變形。（b）兩側(cè)的雙柱墩，主梁與蓋梁的連接方式，除了放松橋梁橫橋向的彎曲變形，同時(shí)放松沿橋梁順橋方向的平動(dòng)，保證梁橋的自由變形。

圖4 OpenSees橋梁計(jì)算模型簡圖

3.2 地震波選取

地震波選用El-Centro（N-S）原始波，輸入方式為雙向輸入，在橋梁橫橋向?qū)Φ卣鸩ㄟM(jìn)行0.85倍幅值折減，不考慮豎向地震波輸入，采用經(jīng)典Rayleigh阻尼，阻尼比設(shè)為0.05。雙柱墩梁橋的地震波輸入工況見表1。

表1 地震波輸入工況

4 雙柱墩兩跨連續(xù)梁橋地震響應(yīng)結(jié)果

通過雙柱墩兩跨連續(xù)梁橋非線性動(dòng)力時(shí)程分析，得到整體現(xiàn)澆雙柱墩連續(xù)梁橋和節(jié)段拼裝雙柱墩連續(xù)梁橋在不同地震動(dòng)作用下中墩墩頂位移時(shí)程曲線和滯回曲線。

圖5給出了在0.3g和0.5g地震動(dòng)PGA作用下，兩種連續(xù)梁中墩墩頂位移時(shí)程曲線對(duì)比圖。圖5給出了在在不同地震動(dòng)PGA作用下，兩種連續(xù)梁橋中墩墩頂位移峰峰值對(duì)比。可以看出，節(jié)段拼裝雙柱墩連續(xù)梁橋的墩頂位移大于整體現(xiàn)澆雙柱墩連續(xù)梁橋，在PGA為0.8g時(shí)，節(jié)段拼裝雙柱墩連續(xù)梁橋的X向中墩墩頂位移增加幅值約大25%，Y向中墩墩頂位移增加幅值約大30%。

圖7給出了0.3g地震動(dòng)PGA作用下，兩種連續(xù)梁橋跨中墩頂位移滯回曲線。圖8給出了不同地震動(dòng)PGA作用下，兩種連續(xù)梁橋中墩墩頂殘余曲線對(duì)比圖。從圖7可以看出，節(jié)段拼裝雙柱墩連續(xù)梁橋的剛度值小于整體現(xiàn)澆雙柱墩連續(xù)梁橋，滯回曲線形狀基本一致。從圖8可以看出，在峰值加速小于0.3g時(shí)，節(jié)段拼裝雙柱墩連續(xù)梁橋的殘余小于整體現(xiàn)澆雙柱墩連續(xù)梁橋；在峰值加速大于0.3g時(shí)，節(jié)段拼裝雙柱墩連續(xù)梁橋的殘余變形略大于整體現(xiàn)澆雙柱墩連續(xù)梁橋。由于節(jié)段拼裝雙柱墩連續(xù)梁橋的墩頂位移遠(yuǎn)大于整體現(xiàn)澆雙柱墩連續(xù)梁橋，而且節(jié)段拼裝雙柱墩連續(xù)梁橋中沒有預(yù)應(yīng)力筋等自復(fù)位材料單元的存在，在墩頂位移相差較多情況下，殘余位移基本保持一致，說明節(jié)段拼裝雙柱墩梁橋有一定的震后自復(fù)位能力。

圖5 墩頂位移時(shí)程曲線對(duì)比圖

圖6 中墩墩頂位移峰峰值對(duì)比圖

圖7 PGA為0.3g時(shí)兩種連續(xù)梁橋中墩墩頂位移滯回曲線

圖8 兩種連續(xù)梁橋中墩墩頂殘余位移對(duì)比圖

5 結(jié)論

通過雙柱墩兩跨連續(xù)梁橋非線性動(dòng)力時(shí)程分析，得到整體現(xiàn)澆和節(jié)段拼裝雙柱墩連續(xù)梁橋在不同地震作用下的地震響應(yīng)。對(duì)比分析可知：

（1）隨著PGA的增加，整體現(xiàn)澆和節(jié)段拼裝雙柱墩連續(xù)梁橋墩頂位移相差的越加明顯。在地震波PGA為0.8g時(shí)，節(jié)段拼裝雙柱墩連續(xù)梁橋的X向中墩墩頂位移幅值約大25%，Y向中墩墩頂位移幅值約大30%。節(jié)段拼裝雙柱墩連續(xù)梁橋的剛度值小于整體現(xiàn)澆雙柱墩連續(xù)梁橋。

（2）通過對(duì)比整體現(xiàn)澆和節(jié)段拼裝雙柱墩連續(xù)梁橋在不同地震荷載作用下的地震響應(yīng)和相同地震荷載作用下地震響應(yīng)的差異，節(jié)段拼裝雙柱墩連續(xù)梁橋在地震荷載作用下墩頂位移峰值較大，同時(shí)節(jié)段拼裝雙柱墩連續(xù)梁橋擁有一定的震后自復(fù)位能力，為節(jié)段拼裝雙柱墩的實(shí)際應(yīng)用提供參考。

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