基于多彈簧模型的自復位耗能橋墩抗震性能研究

馬騰飛 張雯雯

（嘉興學院南湖學院，浙江 嘉興 314000）

0 引言

由于地震發生的不確定性以及預測手段的局限性，雖然結構抗震措施及國家抗震救災政策日益完善，地震造成的人員傷亡已顯著降低，但造成的經濟損失依然是巨大的。基于傳統延性抗震設計理念雖然可以較好的保證橋墩結構安全，但地震導致橋墩產生較大的殘余位移乃至無法修復不得不推倒重建，造成了巨大的經濟損失。傳統采用的橋墩隔震技術不僅隔震元件價格昂貴且施工難度較大，適應性不強。和自復位預應力框架等結構[1]相似，自復位耗能橋墩可以確保在地震作用下產生較小的殘余位移，從而大大降低橋墩自身的損傷，保證整個橋梁結構的安全及正常使用。自復位耗能橋墩采用橋墩和承臺分離，使橋墩在地震作用下發生擺動，并通過預應力筋的作用產生自回復力從而達到自復位的目的，再在橋墩底部安裝耗能裝置以吸收地震產生的能量，從而大大降低橋墩本身的地震響應。橋墩在地震作用下僅可更換耗能裝置即可恢復使用，大大提高橋墩的周期使用性，對延長橋梁的使用壽命有重大益處。本文所研究的自復位耗能橋墩承重單元為鋼筋混凝土橋墩本身，自復位裝置由后張無粘結預應力筋提供自回復力，采用滯回性能穩定的位移型軟鋼金屬阻尼器[2]為耗能裝置吸收地震能量，橋墩和承臺采用嵌合式[3]接頭處理方法以保證結構連接的穩定性。

1 自復位耗能橋墩模型建立

本文基于SAP2000 有限元模擬分析平臺建立自復位耗能橋墩有限元模型。為了使橋墩模型建立的更合理，使計算的更精確，此模型選取的數據在參考了相關文獻的[4]基礎上并做了適當的調整。本文建立的自復位耗能橋墩模型如圖1所示。

圖1 自復位耗能橋墩有限元模型Fig.1 Finite element model of self-reset energy-dissipating pier

該模型由五部分組成：單元1：橋墩自承重組件：橋墩柱混凝土采用C45混凝土，柱截面尺寸選取400mm×400mm，高度為1.7m，縱筋與箍筋均采用HRB400 鋼筋，其中縱筋16 根，箍筋Φ8@80，混凝土保護層厚度取45mm（上部橋梁荷載僅考慮恒載，并等效為集中荷載，未考慮P-△二階效應）。

單元2：自復位組件：本文選取的橋墩柱為框架柱單元模型，固選取了多線性彈性連接單元[5]（Multilinear Elastic）作為自復位組件，且假定在模擬地震情況下均保持彈性階段，忽略摩擦和損失，在加載階段無能量消散。

單元3：耗能組件：選取（Multiliner Plastic）多段線性塑性連接單元中的隨動硬化模型模擬金屬動態硬化行為，符合本文選取的軟鋼金屬阻尼器。其中一端固定于大地，另一端則用剛體約束固定在同等高度的橋墩上。

單元4：縫單元：由于橋墩和承臺是分離的，可認為連接處只受 壓不受拉，固選擇GAP 單元模擬基礎與地面接觸問題。由于承臺初始剛度很大，因此GAP 單元的剛度可以設置很大，且初始狀態下承臺和橋墩是緊密結合，既認為兩者是無縫連接的。

單元5：剛臂單元：為保證各組件連接的穩定及協調變形，本文選取了型鋼梁模擬剛臂單元，通過剛體束縛命令約束選取節點的變形，保證GAP單元和其他單元的協調變形。

2 動力時程分析

為驗證自復位耗能抗震性能的優越性，本文還建立了一座傳統固接橋墩進行對比分析，該橋墩僅在底部連接處采用固端連接，其他參數相同。同時選擇合適的地震動對結構的地震響應也是十分重要的，本文在參考文獻[6]的基礎上選取3 條地震波進行分析，如表1所示。

表1 不同地震波在8 度設防標準下的調幅

圖2 Lacc1 波下柱頂水平位移Fig.2 Horizontal displacement of column top under LACC1 wave

圖3 Laccz 波下柱頂水平位移Fig.3 Horizontal displacement of column top under LACCZ wave

圖4 TREASURE 90 波下墩頂水平位移Fig.4 Horizontal displacement of pier top under Treasure 90 wave

地震波作用下橋墩反應結果分析如圖2-圖4所示。通過對兩座橋墩的非線性時程分析比較可知，在地震波的作用下，自復位耗能橋墩墩頂最大位移大于傳統延性橋墩，但在震后自復位耗能橋墩的殘余位移也比傳統橋墩的小。因此可以得到結論：無論在多遇還是罕遇地震作用下，在同一地震波的作用下，自復位耗能橋墩的墩頂最大位移都大于傳統延性橋墩，殘余位移小于傳統橋墩。

3 結論

本文在SAP2000 有限元模擬軟件的基礎上，建立了基于多彈簧自復位耗能橋墩的有限元模型，并對該橋墩模型進行了數值模擬分析，驗證了模型的合理性以及通過和傳統固結橋墩的動力時程分析，得出自復位耗能橋墩抗震性能的優越性，可以為實際工程提供一定的設計參考。基于上述模型分析得出了如下結論：通過選取的3 條地震波對自復位耗能橋墩和傳統固結橋墩進行的動力時程響應分析中發現，在地震作用下自復位耗能橋墩墩頂的最大位移大于傳統固接橋墩，但震后的殘余位移卻明顯小于傳統延性橋墩。