節(jié)段拼裝橋墩循環(huán)荷載分析

節(jié)段拼裝橋墩循環(huán)荷載分析

預(yù)制混凝土橋分配技術(shù)是世界橋梁施工的主要發(fā)展趨勢(shì)之一。對(duì)于采用節(jié)段拼裝施工技術(shù)的橋梁,其抗震性能如何,目前仍然缺乏系統(tǒng)研究。這已成為困擾橋梁設(shè)計(jì)工程師和業(yè)主的技術(shù)難題,從而限制了該技術(shù)在我國(guó)橋梁建設(shè)中的運(yùn)用[2―4]。常用的橋墩理論分析方法有解析方法、纖維模型分析方法、實(shí)體有限元分析方法等。節(jié)段拼裝橋墩中的非線性因素很多,包括預(yù)應(yīng)力筋和接縫區(qū)域力學(xué)特性的模擬,用精確的方法計(jì)算橋梁結(jié)構(gòu)體系的非線性地震響應(yīng)不太現(xiàn)實(shí),需要作簡(jiǎn)化處理。集中塑性鉸模型在普通鋼筋混凝土橋墩的抗震性能研究中廣泛應(yīng)用,如何將該方法應(yīng)用到節(jié)段拼裝橋墩中是一個(gè)急需解決的問(wèn)題。采用集中塑性鉸方法分析需要確定節(jié)段拼裝橋墩的恢復(fù)力模型。恢復(fù)力模型是反映結(jié)構(gòu)或構(gòu)件動(dòng)力特性的重要參數(shù),是結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)時(shí)不可缺少的?；謴?fù)力模型及其參數(shù)的確定是否合理將對(duì)節(jié)段拼裝橋墩的非線性地震反應(yīng)分析產(chǎn)生顯著的影響。目前節(jié)段拼裝橋墩抗震性能的研究在國(guó)內(nèi)剛剛起步,本文主要是在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上,采用編制的幾種典型節(jié)段拼裝橋墩的墩底截面彎矩曲率分析程序和加卸載路徑的規(guī)定,進(jìn)行了各個(gè)試件的墩頂荷載位移滯回曲線和非線性時(shí)程響應(yīng)的模擬,為節(jié)段拼裝橋墩體系橋梁的非線性抗震分析和設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。1集中轉(zhuǎn)動(dòng)彈簧模型圖1表示橋墩在塑性鉸形成過(guò)程中的曲率分布變化情況,當(dāng)水平荷載較小時(shí),塑性鉸尚未形成之前,橋墩沿高度方向的曲率分布基本符合三角形分布模式。當(dāng)荷載達(dá)到一定值后,在橋墩的底部就會(huì)形成塑性鉸,在某一高度范圍內(nèi)(圖中用Lp表示的區(qū)間)截面曲率基本保持一定。稱曲率基本保持一定的區(qū)間為塑性鉸范圍,其長(zhǎng)度稱為塑性鉸長(zhǎng)度。集中塑性鉸模型中當(dāng)曲率乘以塑性鉸長(zhǎng)度后,就可以轉(zhuǎn)換為集中轉(zhuǎn)動(dòng)彈簧模型,如圖2所示。該模型的本質(zhì)就是在墩底位置設(shè)置一零長(zhǎng)度的轉(zhuǎn)動(dòng)彈簧來(lái)反映橋墩的非線性行為。為了得到該彈簧的性能,需要確定節(jié)段拼裝橋墩的集中塑性鉸長(zhǎng)度、轉(zhuǎn)動(dòng)截面彎矩曲率關(guān)系和加卸載規(guī)律的計(jì)算方法。1.1目標(biāo)函數(shù)目前關(guān)于塑性鉸長(zhǎng)度的計(jì)算公式有很多,本文中采用Priestley等提出的計(jì)算公式[2―5]。對(duì)于預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)(包括節(jié)段拼裝預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)),塑性鉸長(zhǎng)度計(jì)算公式為:其中:Lp為塑性鉸長(zhǎng)度;D為加載方向的寬度。對(duì)于普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),塑性鉸長(zhǎng)度計(jì)算公式為:其中:Lp為塑性鉸長(zhǎng)度;L為墩高;dbl、fye分別為縱筋的直徑和屈服應(yīng)力。1.2截面應(yīng)力分析在求解彎矩曲率對(duì)應(yīng)關(guān)系時(shí),一般假設(shè)曲率已知,然后求相應(yīng)的內(nèi)力,具體求解步驟如圖3所示。根據(jù)該步驟,采用C程序進(jìn)行編程分析。首先確定各個(gè)試件的截面,在正截面受力作用下,截面的應(yīng)變、應(yīng)力分布情況。采用有限條法,將混凝土的截面分成若干條帶,并假定每一條帶上的應(yīng)力σc,i均勻分布,混凝土和鋼筋的應(yīng)力均以壓力為負(fù),拉力為正。根據(jù)截面平衡條件,截面內(nèi)力與應(yīng)力之間滿足下面的關(guān)系:式中:CA、SA、ASP、AED分別為混凝土、普通鋼筋、預(yù)應(yīng)力鋼筋、耗能鋼筋的面積?；炷梁透鞣N鋼筋的應(yīng)力根據(jù)材料應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系計(jì)算得到:式中:ε為應(yīng)變。其中混凝土材料應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系采用Kent-Park模型,鋼筋采用Giuffré-MenegottoPinto模型,預(yù)應(yīng)力鋼筋的簡(jiǎn)化模型采用理想彈塑性模型。在已知截面中間應(yīng)變和曲率?的情況下,可以求得截面上距截面中間位置為y的任一位置處的應(yīng)變?chǔ)?。?dāng)滿足平截面假定時(shí),應(yīng)變考慮到節(jié)段拼裝橋墩中無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋在接縫張開(kāi)到一定程度后,預(yù)應(yīng)力鋼筋長(zhǎng)度會(huì)增長(zhǎng),因此預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)變的計(jì)算需要考慮這個(gè)增量的存在對(duì)橋墩軸向受力的影響,即:其中:Δε為當(dāng)所求對(duì)象不滿足平截面假定時(shí)的無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)變?cè)隽?如圖4所示);ΔL為伸長(zhǎng)量;Lt為無(wú)粘結(jié)長(zhǎng)度;θp為塑性轉(zhuǎn)角;Lp為塑性鉸長(zhǎng)度;?t為總曲率;?e為截面消壓曲率;z為預(yù)應(yīng)力鋼筋相對(duì)于受壓翼緣的距離;c為混凝土截面的接觸寬度。1.3試驗(yàn)結(jié)果分析和討論本文計(jì)算是采用OpenSees中的Pinching4模型。Pinching4模型可以用來(lái)模擬循環(huán)荷載作用下的捏隴效應(yīng)和剛度強(qiáng)度的退化效應(yīng),如圖5所示,其中(θ1,M1)、(θ2,M2)、(θ3,M3)、(θ4,M4)為骨架曲線特征點(diǎn),θr表示卸載后重新加載位移與該圈循環(huán)最大位移之比,rM表示卸載后重新加載彎矩與該圈循環(huán)最大彎矩之比,uM反向卸載彎矩與單調(diào)加載最大彎矩之比。各個(gè)試件的加卸載參數(shù)是根據(jù)擬靜力試驗(yàn)的結(jié)果確定的,各個(gè)參數(shù)見(jiàn)表1。其余參數(shù)采用默認(rèn)設(shè)置。為了完善本文的模型,需要進(jìn)一步進(jìn)行大量的試驗(yàn)研究,得到各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的理論計(jì)算公式。2強(qiáng)、弱預(yù)應(yīng)力筋試件為初步探討節(jié)段拼裝橋墩的抗震性能,設(shè)計(jì)了一個(gè)包含五種不同類型混凝土橋墩的試驗(yàn)方案,其中節(jié)段拼裝橋墩有三種,其余兩種分別為普通鋼筋混凝土橋墩和無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土橋墩。對(duì)該方案采用擬靜力試驗(yàn)和振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)兩種試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)研究。這樣該方案包括兩組共十個(gè)試件,其中第一組五個(gè)試件為擬靜力試件、第二組五個(gè)試件為振動(dòng)臺(tái)試件,各個(gè)試件的編號(hào)和特征見(jiàn)表2。每組試件試驗(yàn)參數(shù)相同,為:是否存在預(yù)應(yīng)力鋼筋、不同施工方法、預(yù)應(yīng)力筋的布置位置和存在方式、附加耗能裝置。柱身的尺寸為240mm×180mm,墩柱高度1.8m,沿長(zhǎng)邊(邊長(zhǎng)240mm)加載,試件的剪跨比為7.5?；炷亮⒎襟w強(qiáng)度為43.2MPa,棱柱體抗壓強(qiáng)度為41.5MPa,彈性模量為30.3GPa?？v筋直徑為10mm,屈服強(qiáng)度為340MPa。箍筋直徑為6mm,屈服強(qiáng)度為470MPa。墩底箍筋加密區(qū)高度為250mm,箍筋間距為50mm,其余位置箍筋間距為80mm。對(duì)于節(jié)段拼裝橋墩,墩底的節(jié)段內(nèi)箍筋間距為50mm,其余節(jié)段箍筋的間距為80mm。耗能鋼筋直徑為10mm,無(wú)粘結(jié)區(qū)域的長(zhǎng)度為500mm,屈服強(qiáng)度為350MPa。預(yù)應(yīng)力鋼筋采用φj12.7的鋼絞線,單根預(yù)應(yīng)力筋有效預(yù)應(yīng)力大小為65kN,預(yù)應(yīng)力筋產(chǎn)生的軸壓比為11.2%。試件的恒載軸壓比為10%。試件的詳細(xì)尺寸、配筋情況和加載方式等詳見(jiàn)文獻(xiàn)。3理論計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的比較3.1荷載-墩頂位移滯回曲線比較擬靜力試驗(yàn)中加載制度為變幅和等幅混合位移控制的加載方式。圖6給出了集中塑性鉸方法計(jì)算得到的各個(gè)試件水平荷載-墩頂位移滯回曲線?？傮w而言,集中塑性鉸方法計(jì)算得到的水平荷載-墩頂位移滯回曲線與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。但是集中塑性鉸方法無(wú)法反映最大極限荷載后的強(qiáng)度退化現(xiàn)象和卸載剛度退化現(xiàn)象,而試驗(yàn)得到的滯回曲線的骨架曲線有明顯的下降現(xiàn)象。說(shuō)明本文編制的彎矩曲率分析程序基本是正確的,通過(guò)試驗(yàn)擬合得到的加卸載參數(shù)也是可靠的。3.2集中塑性鉸模型分析非線性時(shí)程分析是由臺(tái)面輸入EICentro(N-S)波,按以下工況逐級(jí)增大加速度峰值(PGA),直到某個(gè)橋墩破壞為止:0.1g→0.2g→0.3g→0.4g→0.5g……,各級(jí)之間連續(xù)輸入。非線性時(shí)程的計(jì)算模型與擬靜力分析模型相同,阻尼采用瑞利阻尼模型。各個(gè)試件的最大位移響應(yīng)隨PGA增加的變化規(guī)律見(jiàn)圖7?？傮w而言,隨PGA增加,集中塑性鉸方法計(jì)算得到的各個(gè)試件的最大位移響應(yīng)趨勢(shì)與試驗(yàn)結(jié)果較為一致,但是計(jì)算得到的位移誤差也越來(lái)越大。各個(gè)試件在低PGA激勵(lì)時(shí),有限元計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好,隨著PGA的增加,計(jì)算位移時(shí)程響應(yīng)的峰值和周期與試驗(yàn)結(jié)果偏離較大。主要原因是,有限元計(jì)算各個(gè)工況之間周期保持一定,無(wú)法反映損傷累積,而實(shí)際試件的周期會(huì)延長(zhǎng),有明顯的損傷累積過(guò)程。所以,應(yīng)對(duì)上述方法進(jìn)一步改進(jìn),以期增加模型的計(jì)算精度。與纖維模型法相比,集中塑性鉸的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的誤差基本一致,但是集中塑性鉸方法更加簡(jiǎn)單,在計(jì)算結(jié)構(gòu)體系的總體響應(yīng)時(shí),更易應(yīng)用。4在其他方面的應(yīng)用考慮到節(jié)段拼裝橋墩橋梁結(jié)構(gòu)體系抗震性能分析的實(shí)際需要,本文探討了集中塑性鉸分析方法分析節(jié)段拼裝橋墩抗震性能的有效性。主要結(jié)論如下:(1)集中塑性鉸方法分析思路比較固定,易于把握,適用于只需對(duì)總體位移規(guī)律進(jìn)行把握的場(chǎng)合,可以應(yīng)用到結(jié)構(gòu)體系的抗震分析研究中。該方法對(duì)普通鋼筋混凝土橋墩和節(jié)段拼裝預(yù)應(yīng)力混凝土橋墩都具有適用性。(2)通過(guò)與擬靜力試驗(yàn)結(jié)果的分析比較,可以看出集中塑性鉸方法可以應(yīng)用到節(jié)段拼裝橋墩擬靜力性能的預(yù)測(cè)中,除了不能反映荷載位移滯回曲線的最大荷載后的下降段