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

預制混凝土橋分配技術是世界橋梁施工的主要發(fā)展趨勢之一。對于采用節(jié)段拼裝施工技術的橋梁,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計工程師和業(yè)主的技術難題,從而限制了該技術在我國橋梁建設中的運用[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,包括預應力筋和接縫區(qū)域力學特性的模擬,用精確的方法計算橋梁結構體系的非線性地震響應不太現(xiàn)實,需要作簡化處理。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用,如何將該方法應用到節(jié)段拼裝橋墩中是一個急需解決的問題。采用集中塑性鉸方法分析需要確定節(jié)段拼裝橋墩的恢復力模型?；謴土δＰ褪欠从辰Y構或構件動力特性的重要參數(shù),是結構分析和設計時不可缺少的?；謴土δＰ图捌鋮?shù)的確定是否合理將對節(jié)段拼裝橋墩的非線性地震反應分析產生顯著的影響。目前節(jié)段拼裝橋墩抗震性能的研究在國內剛剛起步,本文主要是在試驗研究的基礎上,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,進行了各個試件的墩頂荷載位移滯回曲線和非線性時程響應的模擬,為節(jié)段拼裝橋墩體系橋梁的非線性抗震分析和設計奠定了基礎。1集中轉動彈簧模型圖1表示橋墩在塑性鉸形成過程中的曲率分布變化情況,當水平荷載較小時,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。當荷載達到一定值后,在橋墩的底部就會形成塑性鉸,在某一高度范圍內(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,其長度稱為塑性鉸長度。集中塑性鉸模型中當曲率乘以塑性鉸長度后,就可以轉換為集中轉動彈簧模型,如圖2所示。該模型的本質就是在墩底位置設置一零長度的轉動彈簧來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度、轉動截面彎矩曲率關系和加卸載規(guī)律的計算方法。1.1目標函數(shù)目前關于塑性鉸長度的計算公式有很多,本文中采用Priestley等提出的計算公式[2―5]。對于預應力混凝土結構(包括節(jié)段拼裝預應力混凝土結構),塑性鉸長度計算公式為:其中:Lp為塑性鉸長度;D為加載方向的寬度。對于普通鋼筋混凝土結構,塑性鉸長度計算公式為:其中:Lp為塑性鉸長度;L為墩高;dbl、fye分別為縱筋的直徑和屈服應力。1.2截面應力分析在求解彎矩曲率對應關系時,一般假設曲率已知,然后求相應的內力,具體求解步驟如圖3所示。根據該步驟,采用C程序進行編程分析。首先確定各個試件的截面,在正截面受力作用下,截面的應變、應力分布情況。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力σc,i均勻分布,混凝土和鋼筋的應力均以壓力為負,拉力為正。根據截面平衡條件,截面內力與應力之間滿足下面的關系:式中:CA、SA、ASP、AED分別為混凝土、普通鋼筋、預應力鋼筋、耗能鋼筋的面積?；炷梁透鞣N鋼筋的應力根據材料應力-應變關系計算得到:式中:ε為應變。其中混凝土材料應力-應變關系采用Kent-Park模型,鋼筋采用Giuffré-MenegottoPinto模型,預應力鋼筋的簡化模型采用理想彈塑性模型。在已知截面中間應變和曲率?的情況下,可以求得截面上距截面中間位置為y的任一位置處的應變ε。當滿足平截面假定時,應變考慮到節(jié)段拼裝橋墩中無粘結預應力鋼筋在接縫張開到一定程度后,預應力鋼筋長度會增長,因此預應力鋼筋應變的計算需要考慮這個增量的存在對橋墩軸向受力的影響,即:其中:Δε為當所求對象不滿足平截面假定時的無粘結預應力鋼筋的應變增量(如圖4所示);ΔL為伸長量;Lt為無粘結長度;θp為塑性轉角;Lp為塑性鉸長度;?t為總曲率;?e為截面消壓曲率;z為預應力鋼筋相對于受壓翼緣的距離;c為混凝土截面的接觸寬度。1.3試驗結果分析和討論本文計算是采用OpenSees中的Pinching4模型。Pinching4模型可以用來模擬循環(huán)荷載作用下的捏隴效應和剛度強度的退化效應,如圖5所示,其中(θ1,M1)、(θ2,M2)、(θ3,M3)、(θ4,M4)為骨架曲線特征點,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加載最大彎矩之比。各個試件的加卸載參數(shù)是根據擬靜力試驗的結果確定的,各個參數(shù)見表1。其余參數(shù)采用默認設置。為了完善本文的模型,需要進一步進行大量的試驗研究,得到各個關鍵點的理論計算公式。2強、弱預應力筋試件為初步探討節(jié)段拼裝橋墩的抗震性能,設計了一個包含五種不同類型混凝土橋墩的試驗方案,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粘結預應力混凝土橋墩。對該方案采用擬靜力試驗和振動臺試驗兩種試驗方法進行試驗研究。這樣該方案包括兩組共十個試件,其中第一組五個試件為擬靜力試件、第二組五個試件為振動臺試件,各個試件的編號和特征見表2。每組試件試驗參數(shù)相同,為:是否存在預應力鋼筋、不同施工方法、預應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,沿長邊(邊長240mm)加載,試件的剪跨比為7.5?；炷亮⒎襟w強度為43.2MPa,棱柱體抗壓強度為41.5MPa,彈性模量為30.3GPa?？v筋直徑為10mm,屈服強度為340MPa。箍筋直徑為6mm,屈服強度為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。對于節(jié)段拼裝橋墩,墩底的節(jié)段內箍筋間距為50mm,其余節(jié)段箍筋的間距為80mm。耗能鋼筋直徑為10mm,無粘結區(qū)域的長度為500mm,屈服強度為350MPa。預應力鋼筋采用φj12.7的鋼絞線,單根預應力筋有效預應力大小為65kN,預應力筋產生的軸壓比為11.2%。試件的恒載軸壓比為10%。試件的詳細尺寸、配筋情況和加載方式等詳見文獻。3理論計算結果與試驗結果的比較3.1荷載-墩頂位移滯回曲線比較擬靜力試驗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算得到的各個試件水平荷載-墩頂位移滯回曲線?？傮w而言,集中塑性鉸方法計算得到的水平荷載-墩頂位移滯回曲線與試驗結果吻合較好。但是集中塑性鉸方法無法反映最大極限荷載后的強度退化現(xiàn)象和卸載剛度退化現(xiàn)象,而試驗得到的滯回曲線的骨架曲線有明顯的下降現(xiàn)象。說明本文編制的彎矩曲率分析程序基本是正確的,通過試驗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程分析是由臺面輸入EICentro(N-S)波,按以下工況逐級增大加速度峰值(PGA),直到某個橋墩破壞為止:0.1g→0.2g→0.3g→0.4g→0.5g……,各級之間連續(xù)輸入。非線性時程的計算模型與擬靜力分析模型相同,阻尼采用瑞利阻尼模型。各個試件的最大位移響應隨PGA增加的變化規(guī)律見圖7?？傮w而言,隨PGA增加,集中塑性鉸方法計算得到的各個試件的最大位移響應趨勢與試驗結果較為一致,但是計算得到的位移誤差也越來越大。各個試件在低PGA激勵時,有限元計算與試驗結果吻合良好,隨著PGA的增加,計算位移時程響應的峰值和周期與試驗結果偏離較大。主要原因是,有限元計算各個工況之間周期保持一定,無法反映損傷累積,而實際試件的周期會延長,有明顯的損傷累積過程。所以,應對上述方法進一步改進,以期增加模型的計算精度。與纖維模型法相比,集中塑性鉸的計算結果與試驗結果的誤差基本一致,但是集中塑性鉸方法更加簡單,在計算結構體系的總體響應時,更易應用。4在其他方面的應用考慮到節(jié)段拼裝橋墩橋梁結構體系抗震性能分析的實際需要,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,適用于只需對總體位移規(guī)律進行把握的場合,可以應用到結構體系的抗震分析研究中。該方法對普通鋼筋混凝土橋墩和節(jié)段拼裝預應力混凝土橋墩都具有適用性。(2)通過與擬靜力試驗結果的分析比較,可以看出集中塑性鉸方法可以應用到節(jié)段拼裝橋墩擬靜力性能的預測中,除了不能反映荷載位移滯回曲線的最大荷載后的下降段