自復位節段拼裝橋梁結構有限元建模研究

朱松 高慧興 王曉飛 鄧森陽

【摘要】節段拼裝橋梁結構采用工廠預制和現場安裝的工藝，施工現場濕作業少、施工進度快。但由于節段拼裝橋梁中接縫的模擬涉及幾何非線性、材料非線性，所有節段拼裝橋梁的有限元模擬一直是困擾工程師們的一個難題。同時，自復位橋梁結構在地震作用下具有較好的自復位能力，能夠減小地震區橋梁震后殘余位移等優點。本文主要闡述基于Kuruma模型和零長度單元模型自復位橋梁有限元模擬方法，通過介紹兩類模型的基本假定、建模方法、模型優缺點等探討自復位橋梁數值模擬研究方法，并為相關工程設計師及科研工作者提供學術參考。

【關鍵詞】自復位橋梁 數值模型 建模方法 Kuruma模型 零長度單元

一、自復位節段拼裝橋梁結構兩類數模型基本假定

（一）Kuruma模型基本假定

針對圖1所示的無粘結預制節段拼裝混凝土剪力墻，國外學者Kurama等人提出了一種節段拼裝結構力學分析的有限元模型。從圖中可知，自復位節段拼裝剪力墻與自復位節段拼裝橋墩的基本概念類似，也是將傳統的剪力墻結構分解成為多個不互相連接的節段，各節段之間采用無粘結后張預應力筋將各節段墻體連接成一整體，以達到快速工業化建造和實現震后一定程度上的自復位能力。

對于節段拼裝混凝土橋墩，可建立基于Kurama模型的有限元模型。Kuruma模型是將相鄰接縫處的集中變形分散于整個混凝土剪力墻受拉邊上。在此基礎上提出如下假定：①非線性小變形假定；②節段拼裝混凝土剪力墻變形符合平截面假定；③混凝土在整個構件中只承受壓力；④節段拼裝棍凝土剪力墻內部縱向鋼筋在接縫處斷開，因而忽略混凝土內部縱向鋼筋的受力作用。

綜上基本假定可知：節段拼裝棍凝土剪力墻截面受拉主要是由預應力筋，受壓靠混凝土，受剪主要依靠自重及預應力筋提供的摩擦力來承擔。

（二）基于零長度單元模型基本假定

考慮自復位橋墩的局部變形特征，采用零長度單元對接縫處進行模擬建立有限元模型，該模型基本假定如下：①基于幾何線性小變形假定；②自復位橋墩的各節段變形符合平截面假定；③整個構件中的混凝土都不發生損傷開裂；④自復位橋墩的縱向鋼筋始終保持為彈性，縱向鋼筋在整個構件變形過程中沒有耗能。

二、自復位節段拼裝橋梁結構兩類數值模型建模方法

（一）基于Kuruma模型節段拼裝橋梁結構建模方法

基于該模型上述基本假定，本文詳細介紹采用OpenSees有限元軟件[4-5]對節段拼裝橋梁進行建模介紹。對于節段拼裝混凝土橋墩采用非線性梁柱纖維單元進行離散化模擬，通過施加預應力的桿單元進行模擬。由于預應力孔道水平向約束預應力筋，因而桿單元與非線性梁柱單元在相同位置節點處的水平變形通過主從節點進行約束。對于橋墩頂部的桿單元節點的各自由度都通過主從節點與相應的非線性梁柱纖維單元進行約束。對于橋墩底部的桿單元，各自由度全部進行固結。將節段拼裝橋梁上部結構采用集中質量模擬。根據Kuruma模型基本假定不需要獨立設置單元對接縫進行模擬。該模型忽略了沒有貫穿接縫的混凝土內普通縱向鋼筋的受力，并且混凝土在節段拼裝橋墩中都不考慮受拉作用。為了考慮上述因素，對于材料的本構模型需要根據Kuruma模型的特點進行設置。

（二）基于零長度單元模型節自復位橋梁建模方法

為體現橋梁寬度的影響，在接縫處設置長度為橋墩寬度一半的剛性單元。剛性單元兩端節點通過零長度單元與相應位置基礎上的節點進行連接。零長度單元采用只受壓不受拉的理想彈性材料，為防止橋墩節點侵入基礎，零長度單元的抗壓模量需設置足夠大。

三、結論

（1）Kuruma模型由于將接縫處變形進行整體離散化，建模方法簡單，適用于該類構件整體性能的建模分析。

（2）Kuruma模型不能精確模擬節段拼裝橋梁接縫的開合，對于該類橋梁的局部模擬不夠完善。

（3）基于零長度單元自復位橋梁數值模型基本假定，建立了自復位橋梁結構有限元數值模型。

（4）對于在橋墩底部設置耗能裝置的橋梁，需要采用基于零長度單元方法模擬橋梁的局部變形能夠得到更為合理的結果。

參考文獻：

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