装配式钢管混凝土自复位桥墩恢复力特性分析

2022-02-25张双城中铁第一勘察设计院集团有限公司陕西西安710043

砖瓦 2022年1期

张双城（中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安 710043）

随着延性抗震向韧性抗震发展，功能可恢复结构成为国内外工程抗震设计的选择。进入新时代，预制拼装技术是实现桥梁建设“又好又快”要求的有效途径[1]。基于“韧性抗震”的设计理念和桥梁快速建造技术，发展装配式自复位桥墩是未来桥梁建设领域的重要发展方向[2]。

为了降低装配式自复位桥墩节段间接缝处混凝土的损伤，贾俊峰等[3]提出了预制拼装CFST自复位桥墩，通过拟静力试验验证了混凝土外包钢管在提高抗震性能和底部容许损伤能力方面的优势，但该结构体系耗能能力较低；为了提高装配式CFST自复位桥墩的耗能能力，考虑到耗能构件震后的可更换，外置耗能钢筋的装配式CFST自复位桥墩被提出。和内置的耗能钢筋相比，外置的耗能装置（如耗能钢筋），由于距离转动中心更远，除了具备足够的耗能能力外，还可以提供更充分的抗侧刚度和承载力，震后易更换，保证桥墩的震时功能可持续，震后功能可恢复。

1 纤维模型建立

采用Opensees平台建立如图1所示的装配式CFST自复位桥墩的纤维模型。

图1 装配式CFST自复位桥墩纤维模型

1.1 CFST节段的模拟

CFST节段（承重构件）采用基于刚度法的DispBeamColumn单元，通过纤维截面模拟钢管、核心混凝土和内部有粘结的耗能钢筋的相互作用。其中，混凝土的本构采用OpenSees平台提供的Concrete01材料模型，该材料基于Kent-Scott-Park连续性模型，不考虑混凝土的抗拉强度为0，应力应变关系如图2（a）所示：为混凝土达到峰值应变时对应的峰值抗压强度，对于钢管混凝土取考虑约束效应的混凝土的峰值应力；f'c为混凝土达到极限压应变时的残余抗压强度，取考虑约束效应的混凝土的峰值应力；fu为混凝土达到极限压应变时的残余抗压强度，取峰值强度的0.8倍。钢管和有粘结的耗能钢筋的本构采用Steel02单轴材料本构，如图2（b）所示，该本构能反应钢材的包兴格效应和等向强化效应。其中，fy为钢材的屈服强度，Es和Ep分别为钢材的初始弹性模量和屈服后切线模量（一般Ep取Es的0.01倍），R是一个用来控制弹性到塑性过度的参数。

1.2 无粘结预应力筋的模拟

无粘结预应力钢筋（自复位构件）采用CorotTruss单元，与桥墩分离建模。和Truss单元相比，CorotTruss单元可以更好地考虑几何非线性的影响。预应力钢筋的顶部和桥墩共享节点，底部固定。本构关系选用Opensees中的Elastic-PP单轴材料本构，通过设置初应变的方式施加预应力。其应力应变关系如图2（c）所示：εP和εN分别表示正向屈服应变和负向屈服应变，ε0表示初始应变。

1.3 接缝的模拟

采用ZeroLength单元和ZeroLengthSection单元并配以Elas⁃tic-No Tension材料模拟接缝（接缝构件），并限制水平位移。单压材料的本构如图2（d）所示。利用单压材料的不抗拉模拟底节段和承台以及上部节段间的分离和转动。单压材料的刚度表征了接缝处节段的转动能力，取接缝处混凝土的弹性模量。

图2 纤维模型相关材料本构

1.4 耗能钢筋的模拟

耗能钢筋(耗能构件)的无粘结段采用桁架单元进行模拟，与桥墩分离建模，本构采用Steel02单轴材料本构，不考虑钢筋和混凝土变形不协调产生的应变渗透效应以及受压钢筋的屈曲。为了使耗能钢筋与桥墩变形协调，在同一高度处采用RigidLink⁃Beam单元与梁柱单元连接。

2 恢复力特性分析

2.1 内外置耗能CFST自复位桥墩恢复力特性曲线对比

图3给出了耗能钢筋内置和外置两种不同布置方式时CFST自复位桥墩骨架曲线的对比，可以发现两者在承载力和刚度方面存在较大差异。特别的，从表1可以看出，和内置耗能钢筋相比，外置耗能钢筋的桥墩屈服和极限承载力分别提高2.682%和9.700%，初始弹性刚度和屈服后刚度分别提高20.778%和12.018%，验证了外置耗能钢筋在承载力和抗侧刚度方面的优势。

图3 内外置耗能钢筋桥墩骨架曲线对比

表1 内外置耗能钢筋相关力学参数的对比

2.2 耗能钢筋布置角度α的影响

为进一步研究耗能钢筋布置角度对装配式CFST自复位桥墩恢复力特性的影响，引入耗能钢筋的抗侧强度贡献率λED，可以表示为：

式中，V和V0分别表示考虑耗能钢筋和不考虑耗能钢筋的最大侧向承载力。

具体地，如图4所示，在保持耗能钢筋的配筋率相同的条件下，通过改变耗能钢筋的布置角度可以分担不同的设计弯矩，即提供不同的抗侧强度贡献率λED。尤其可以通过表2可以看出，当外置耗能钢筋的布置角度从90°改变为45°和60°时，极限承载力提高7.39%和10.32%，弹性刚度增大16.25%和20.70%。和不布置耗能钢筋的桥墩相比，布置角度分别为45°、60°和90°时耗能钢筋分担的设计弯矩分别为25.62%，27.6%和20.12%。显然，当外置耗能钢筋的布置角度在60°左右时，可以分担更多的设计弯矩。