自复位桥梁结构数值模型拟静力分析研究

朱松 高慧兴 王晓飞 邓森阳

【摘要】基于OpenSees有限元分析软件，针对自复位桥梁结构的构造特性，分别采用Kuruma模型[1-3]和零长度单元模型对自复位节段拼装桥梁结构进行建模分析和数值模拟结果对比分析，通过对比滞回曲线、预应力钢筋应力、接缝开合宽度等探讨自复位桥梁拟静力分析结果，拟静力分析结果表明节段拼装桥梁具有明显的自复位能力，可以为桥梁工程科学研究者提供一些参考。

【关键词】自复位桥梁 Kuruma模型 零长度单元 拟静力分析

一、桥梁结构基本信息

基于Opensees软件进行有限元建模和Kuruma模型，采用文献4中自复位桥梁结构试验模型进行拟静力数值分析，并将普通钢筋混凝土桥墩和自复位节段拼装混凝土桥墩数值模拟分析结果与试验分析结果进行对比，通过两类桥梁结构的拟静力分析结果验证Kuruma模型正确性。

文献4中钢筋混凝土桥墩和自复位节段拼装混凝土桥墩两类试件采用统一尺寸和相同配置的混凝土和钢筋，文献4中节段拼装混凝土桥墩材料的属性。墩顶加载端尺寸为600×600×360mm，加载中心至墩顶距离200mm，承台尺寸为700×700×420mm，墩身尺寸为240×180×1240mm，自复位节段拼装桥墩中采用Φj12.7钢绞线作为预应力钢筋，采用直径为10mm的HRB335热轧钢筋作为纵向钢筋，采用直径为6mm的8235光圆钢筋作为箍筋。自复位桥梁结构中采用C40混凝土，沿强轴方向进行模型加载，预应力钢筋产生的轴压比为11.2%，上部结构主梁恒载轴压比为10%。

二、拟静力反应分析

（一）基于Kuruma模型自复位节段拼装桥墩有限元分析

滞回曲线为普通钢筋混凝土桥墩和自复位节段拼装桥墩的滞回曲线，同时文献4中试验荷载一位移滞回曲线也绘制于图2-1a）和b）中。随侧向位移的增大普通钢筋混凝土桥梁进入非线性阶段，结构的刚度不断退化，在往复荷载作用下强度不断降低。在往复加载过程中滞回曲线滞回面积增大，表明普通钢筋混凝土桥墩具有较强滞回耗能能力，但是存在较大残余位移和缺乏自复位特性。对于自复位节段拼装桥梁结构，拟静力分析模拟结果展示自复位桥墩残余变形较小，具有显著自复位能力。但是由于纵向钢筋在接缝处截断而不能够屈服耗能，使得自复位桥墩的滞回曲线面积明显缩小，这种情况是完全不利于自复位桥梁结构抗震。自复位节段拼装桥墩数值模型中预应力筋采用的初始应力为659MPa，节段拼装桥墩由于初始预应力作用而产生一定轴向压缩，初始预应力轴向压缩导致预应力损失后的有效预应力为610MPa。当自复位桥墩顶部侧向水平位移达到最大值时，预应力钢筋中的拉应力为1291MPa。自复位节段拼装桥墩的预应力钢筋应力值随侧向水平位移变化，预应力钢筋没有进入屈服阶段，并且预应力与侧向水平位移呈线性增长。

（二）基于零长度单元自复位节段拼装桥墩有限元分析

采用上述有数值模拟方法，建立文献4中的自复位节段拼装桥墩的有限元数值模型，并进行自复位桥梁结构拟静力荷载一位移滞回分析。采用基于Kuruma模型和基于零长度单元模型得到的自复位节段拼装桥墩荷载一位移滞回曲线。采用基于零长度单元的接缝模拟有限元模型计算得到的自复位桥墩的水平承载力最大值为17.3kN，与Kuruma模型模拟结果相比自复位桥墩水平承载力增加6.9%，两种有限元模型模拟得到的自复位桥墩荷载一位移滞回曲线形状基本吻合。采用基于Kuruma模型和基于零长度单元模型得到的自复位节段拼装桥墩预应力钢筋应力变化。当节段拼装桥墩达到最大水平位移时，采用基于零长度单元有限元模型所得到的预应力筋的最大预应力为1498MPa，与Kuruma模型有限元模拟结果相比增加13.8%。采用基于零长度单元模型得到的自复位节段拼装桥墩墩底一侧接缝开合宽度。自复位节段拼装桥墩墩底一侧接缝在受压时裂缝闭合，当出现较小受拉时由于预应力的作用接缝仍然处于闭合状态。但是随着侧向位移的增加，墩底一侧接缝由于受到较大拉力开始张开，且自复位桥墩的开合宽度随侧向水平位移呈线性增加，当自复位桥墩墩顶侧向水平位移达到最大值时，墩底接缝受拉一侧所张开宽度达到最大值为11.2mm。通过上述分析表明基于零长度单元有限元模型可以有效模拟自复位桥墩的力学特性。

三、结论

（1）采用Kuruma模型进行了两类桥梁结构拟静力滞回分析，得出自复位桥墩在水平往复荷载作用下产生微小的残余变形，具有明显的自复位能力，但和普通钢筋混凝土桥墩相对比，其滞回耗能能力明显减弱，水平承载力和抗侧刚度明显降低。

（2）针对Kuruma数值模型无法模拟接缝局部变形的问题，采用零长度单元模型实现接缝的模拟。通过两类有限元模拟对比研究验证了本文中零长度单元模型的正确性，并采用零长度单元模型对接缝开合宽度进行了研究。

（3）对于仅关注自复位桥梁的整体性能建模分析可采用Ku-ruma模型，对于自复位桥梁的局部变形分析需要采用零长度单元有限元模型可以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，Sause R，Pessiki S，et al.Lateral load be-havior and seismic design of unbonded post-tensioned precastconcrete walls[J].ACI Structural Journal，1999，（4）.

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

[4]葛繼平.节段拼装桥墩杭震性能试验研究与理论分析[D].上海：同济大学，2008.