自復位橋梁結構數值模型擬靜力分析研究

朱松 高慧興 王曉飛 鄧森陽

【摘要】基于OpenSees有限元分析軟件，針對自復位橋梁結構的構造特性，分別采用Kuruma模型[1-3]和零長度單元模型對自復位節段拼裝橋梁結構進行建模分析和數值模擬結果對比分析，通過對比滯回曲線、預應力鋼筋應力、接縫開合寬度等探討自復位橋梁擬靜力分析結果，擬靜力分析結果表明節段拼裝橋梁具有明顯的自復位能力，可以為橋梁工程科學研究者提供一些參考。

【關鍵詞】自復位橋梁 Kuruma模型 零長度單元 擬靜力分析

一、橋梁結構基本信息

基于Opensees軟件進行有限元建模和Kuruma模型，采用文獻4中自復位橋梁結構試驗模型進行擬靜力數值分析，并將普通鋼筋混凝土橋墩和自復位節段拼裝混凝土橋墩數值模擬分析結果與試驗分析結果進行對比，通過兩類橋梁結構的擬靜力分析結果驗證Kuruma模型正確性。

文獻4中鋼筋混凝土橋墩和自復位節段拼裝混凝土橋墩兩類試件采用統一尺寸和相同配置的混凝土和鋼筋，文獻4中節段拼裝混凝土橋墩材料的屬性。墩頂加載端尺寸為600×600×360mm，加載中心至墩頂距離200mm，承臺尺寸為700×700×420mm，墩身尺寸為240×180×1240mm，自復位節段拼裝橋墩中采用Φj12.7鋼絞線作為預應力鋼筋，采用直徑為10mm的HRB335熱軋鋼筋作為縱向鋼筋，采用直徑為6mm的8235光圓鋼筋作為箍筋。自復位橋梁結構中采用C40混凝土，沿強軸方向進行模型加載，預應力鋼筋產生的軸壓比為11.2%，上部結構主梁恒載軸壓比為10%。

二、擬靜力反應分析

（一）基于Kuruma模型自復位節段拼裝橋墩有限元分析

滯回曲線為普通鋼筋混凝土橋墩和自復位節段拼裝橋墩的滯回曲線，同時文獻4中試驗荷載一位移滯回曲線也繪制于圖2-1a）和b）中。隨側向位移的增大普通鋼筋混凝土橋梁進入非線性階段，結構的剛度不斷退化，在往復荷載作用下強度不斷降低。在往復加載過程中滯回曲線滯回面積增大，表明普通鋼筋混凝土橋墩具有較強滯回耗能能力，但是存在較大殘余位移和缺乏自復位特性。對于自復位節段拼裝橋梁結構，擬靜力分析模擬結果展示自復位橋墩殘余變形較小，具有顯著自復位能力。但是由于縱向鋼筋在接縫處截斷而不能夠屈服耗能，使得自復位橋墩的滯回曲線面積明顯縮小，這種情況是完全不利于自復位橋梁結構抗震。自復位節段拼裝橋墩數值模型中預應力筋采用的初始應力為659MPa，節段拼裝橋墩由于初始預應力作用而產生一定軸向壓縮，初始預應力軸向壓縮導致預應力損失后的有效預應力為610MPa。當自復位橋墩頂部側向水平位移達到最大值時，預應力鋼筋中的拉應力為1291MPa。自復位節段拼裝橋墩的預應力鋼筋應力值隨側向水平位移變化，預應力鋼筋沒有進入屈服階段，并且預應力與側向水平位移呈線性增長。

（二）基于零長度單元自復位節段拼裝橋墩有限元分析

采用上述有數值模擬方法，建立文獻4中的自復位節段拼裝橋墩的有限元數值模型，并進行自復位橋梁結構擬靜力荷載一位移滯回分析。采用基于Kuruma模型和基于零長度單元模型得到的自復位節段拼裝橋墩荷載一位移滯回曲線。采用基于零長度單元的接縫模擬有限元模型計算得到的自復位橋墩的水平承載力最大值為17.3kN，與Kuruma模型模擬結果相比自復位橋墩水平承載力增加6.9%，兩種有限元模型模擬得到的自復位橋墩荷載一位移滯回曲線形狀基本吻合。采用基于Kuruma模型和基于零長度單元模型得到的自復位節段拼裝橋墩預應力鋼筋應力變化。當節段拼裝橋墩達到最大水平位移時，采用基于零長度單元有限元模型所得到的預應力筋的最大預應力為1498MPa，與Kuruma模型有限元模擬結果相比增加13.8%。采用基于零長度單元模型得到的自復位節段拼裝橋墩墩底一側接縫開合寬度。自復位節段拼裝橋墩墩底一側接縫在受壓時裂縫閉合，當出現較小受拉時由于預應力的作用接縫仍然處于閉合狀態。但是隨著側向位移的增加，墩底一側接縫由于受到較大拉力開始張開，且自復位橋墩的開合寬度隨側向水平位移呈線性增加，當自復位橋墩墩頂側向水平位移達到最大值時，墩底接縫受拉一側所張開寬度達到最大值為11.2mm。通過上述分析表明基于零長度單元有限元模型可以有效模擬自復位橋墩的力學特性。

三、結論

（1）采用Kuruma模型進行了兩類橋梁結構擬靜力滯回分析，得出自復位橋墩在水平往復荷載作用下產生微小的殘余變形，具有明顯的自復位能力，但和普通鋼筋混凝土橋墩相對比，其滯回耗能能力明顯減弱，水平承載力和抗側剛度明顯降低。

（2）針對Kuruma數值模型無法模擬接縫局部變形的問題，采用零長度單元模型實現接縫的模擬。通過兩類有限元模擬對比研究驗證了本文中零長度單元模型的正確性，并采用零長度單元模型對接縫開合寬度進行了研究。

（3）對于僅關注自復位橋梁的整體性能建模分析可采用Ku-ruma模型，對于自復位橋梁的局部變形分析需要采用零長度單元有限元模型可以得到更為合理的結果。

參考文獻：

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