自复位节段拼装桥梁结构有限元建模研究

朱松 高慧兴 王晓飞 邓森阳

【摘要】节段拼装桥梁结构采用工厂预制和现场安装的工艺，施工现场湿作业少、施工进度快。但由于节段拼装桥梁中接缝的模拟涉及几何非线性、材料非线性，所有节段拼装桥梁的有限元模拟一直是困扰工程师们的一个难题。同时，自复位桥梁结构在地震作用下具有较好的自复位能力，能够减小地震区桥梁震后残余位移等优点。本文主要阐述基于Kuruma模型和零长度单元模型自复位桥梁有限元模拟方法，通过介绍两类模型的基本假定、建模方法、模型优缺点等探讨自复位桥梁数值模拟研究方法，并为相关工程设计师及科研工作者提供学术参考。

【关键词】自复位桥梁 数值模型 建模方法 Kuruma模型 零长度单元

一、自复位节段拼装桥梁结构两类数模型基本假定

（一）Kuruma模型基本假定

针对图1所示的无粘结预制节段拼装混凝土剪力墙，国外学者Kurama等人提出了一种节段拼装结构力学分析的有限元模型。从图中可知，自复位节段拼装剪力墙与自复位节段拼装桥墩的基本概念类似，也是将传统的剪力墙结构分解成为多个不互相连接的节段，各节段之间采用无粘结后张预应力筋将各节段墙体连接成一整体，以达到快速工业化建造和实现震后一定程度上的自复位能力。

对于节段拼装混凝土桥墩，可建立基于Kurama模型的有限元模型。Kuruma模型是将相邻接缝处的集中变形分散于整个混凝土剪力墙受拉边上。在此基础上提出如下假定：①非线性小变形假定；②节段拼装混凝土剪力墙变形符合平截面假定；③混凝土在整个构件中只承受压力；④节段拼装棍凝土剪力墙内部纵向钢筋在接缝处断开，因而忽略混凝土内部纵向钢筋的受力作用。

综上基本假定可知：节段拼装棍凝土剪力墙截面受拉主要是由预应力筋，受压靠混凝土，受剪主要依靠自重及预应力筋提供的摩擦力来承担。

（二）基于零长度单元模型基本假定

考虑自复位桥墩的局部变形特征，采用零长度单元对接缝处进行模拟建立有限元模型，该模型基本假定如下：①基于几何线性小变形假定；②自复位桥墩的各节段变形符合平截面假定；③整个构件中的混凝土都不发生损伤开裂；④自复位桥墩的纵向钢筋始终保持为弹性，纵向钢筋在整个构件变形过程中没有耗能。

二、自复位节段拼装桥梁结构两类数值模型建模方法

（一）基于Kuruma模型节段拼装桥梁结构建模方法

基于该模型上述基本假定，本文详细介绍采用OpenSees有限元软件[4-5]对节段拼装桥梁进行建模介绍。对于节段拼装混凝土桥墩采用非线性梁柱纤维单元进行离散化模拟，通过施加预应力的杆单元进行模拟。由于预应力孔道水平向约束预应力筋，因而杆单元与非线性梁柱单元在相同位置节点处的水平变形通过主从节点进行约束。对于桥墩顶部的杆单元节点的各自由度都通过主从节点与相应的非线性梁柱纤维单元进行约束。对于桥墩底部的杆单元，各自由度全部进行固结。将节段拼装桥梁上部结构采用集中质量模拟。根据Kuruma模型基本假定不需要独立设置单元对接缝进行模拟。该模型忽略了没有贯穿接缝的混凝土内普通纵向钢筋的受力，并且混凝土在节段拼装桥墩中都不考虑受拉作用。为了考虑上述因素，对于材料的本构模型需要根据Kuruma模型的特点进行设置。

（二）基于零长度单元模型节自复位桥梁建模方法

为体现桥梁宽度的影响，在接缝处设置长度为桥墩宽度一半的刚性单元。刚性单元两端节点通过零长度单元与相应位置基础上的节点进行连接。零长度单元采用只受压不受拉的理想弹性材料，为防止桥墩节点侵入基础，零长度单元的抗压模量需设置足够大。

三、结论

（1）Kuruma模型由于将接缝处变形进行整体离散化，建模方法简单，适用于该类构件整体性能的建模分析。

（2）Kuruma模型不能精确模拟节段拼装桥梁接缝的开合，对于该类桥梁的局部模拟不够完善。

（3）基于零长度单元自复位桥梁数值模型基本假定，建立了自复位桥梁结构有限元数值模型。

（4）对于在桥墩底部设置耗能装置的桥梁，需要采用基于零长度单元方法模拟桥梁的局部变形能够得到更为合理的结果。

参考文献：

[1]Kurama Y C，Pessiki S，Sause R，et al.Seismic behaviorand design of unbonded post-tensioned precast concrete walls[J].PCI Journal，1999，（3）.

[2]Kurama Y C.Seismic design of unbonded post-tensionedprecast concrete waits with supplemental viscous damping [J].ACI Structural Journal，2000，（4）.

[3]Silvia M，Frank M，Michael N S，Gregory L F.OpenSeesuser's manual [R].PEER，University of California，Berkeley.2004.

[4]蔡忠奎.卵接缝节段拼装桥墩杭震性能数值分析[D].哈爾滨：哈尔滨工业大学，2014.

[5]王志强，葛继平，魏红一.东海大桥预应力混凝土桥墩杭震性能分析[J].同济大学学报（自然科学版），2008，（11）.