塑性铰对桥梁抗震性能的影响研究

孔令俊，陈彦北

（株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲412007）

在强震作用下，桥梁易于损坏的部位为桥墩受力最大或相对薄弱的位置，为了满足“大震不倒”的抗震设计原则[1]，桥墩的设计应避免剪切脆性破坏，使桥墩抗弯强度低于抗剪强度，桥墩在易于修复的部位形成塑性铰，提高桥墩的延性能力，桥墩在发生不超过容许值的塑性变形过程中耗能减震[2]。当桥墩截面达到其屈服弯矩时，桥墩截面开始转动，即出现了塑性铰，产生了内力重分布，随着荷载的继续增加，多个截面达到承载力极限状态，出现了足够多的塑性铰，使结构形成几何可变体系，从而使整个结构才到达承载力极限状态。

因此，在结构分析中，如果能考虑塑性铰的出现及在整个结构中的作用，就可以增强结构的延性，充分利用结构的承载力，同时也可以减少支座处的配筋量，避免出现支座配筋拥挤的现象，有利于施工，并能节省工程成本[3]。

1 塑性铰及其本构模型

塑性铰是指当结构或构件某截面的弯矩达到屈服弯矩后，在该截面附近开始形成塑性变形，当荷载增加时，所承受的弯矩保持不变，截面发生较大幅度转动，形成类似铰一样的效果，这样的铰称为塑性铰。在弹塑性分析中，桥墩在地震反复荷载作用下，塑性铰本构采用武田三线性刚度退化Takeda滞回曲线模型计算[4]，该模型可以考虑构件开裂引起的刚度降低[5]，如图1所示。图中Mc、My、Mu分别为桥墩截面的开裂弯矩、屈服弯矩、极限弯矩，Φc、Φy、Φu分别为相应的开裂曲率、屈服曲率、极限曲率。

图1 三直线Takeda模型

2 桥梁概况及设计地震动参数

该桥为一座特大型桥梁，全长2 430 m，主桥采用现浇预应力钢筋混凝土变截面连续箱梁，主桥跨度为55 m+12×100 m+55 m，主桥桥墩采用薄壁墩，主筋采用HRB335，箍筋采用HRB235，墩台基础采用桩基础。桥梁荷载等级为公路-I，单幅桥面净宽为11.5 m。桥梁抗震设防烈度为7度，地震峰值加速度为0.1g，地震动反应谱特征周期为0.4 s，采用8度抗震设防，并考虑桩土作用对桥梁的影响。桥梁第7号墩为固定墩，设置固定支座，其余墩均为活动墩，放置活动支座。桥梁三维模型如图2所示。

图2 桥梁三维模型

3 地震波合成及输入

根据《公路桥梁抗震设计细则》，未作地震安全性评价的桥址，可根据本细则设计加速度反应谱，合成与其兼容的设计加速度时程。该桥根据细则给出的水平设计加速度反应谱，进行合成设计加速度时程。为考虑地震动的随机性，设计加速度时程不得少于3组，且应保证任意两组间同方向时程的相关系数ρ的绝对值小于0.1。本桥采用拟合的3条地震波进行分析：工况1，地震波一纵横向双向输入；工况2，地震波二纵横向双向输入；工况3，地震波三纵横向双向输入。

4 桥梁抗震性能分析

根据JTG/T B02-01—2008《公路桥梁抗震设计细则》6.2.2规定，设置桥梁塑性铰在固定墩底部区域。为了分析塑性铰对桥梁抗震性能的影响，本文分析了有塑性铰桥梁和无塑性铰桥梁地震动时程响应，并对2种桥梁进行了比较，结果均取永久作用效应与地震作用效应的包络值。

4.1 桥梁内力响应

根据《公路桥梁抗震设计细则》，E1地震作用下，结构在弹性范围内工作，基本不损伤；E2地震作用下，墩柱可发生损伤，产生弹塑性变形，耗散地震能量。通过对塑性铰桥梁和无塑性铰桥梁进行E2地震作用下弹塑性时程分析，得到塑性铰桥梁和无塑性铰桥梁固定墩墩底内力，如表1和表2中的结果。其中减震率定义为∣无塑性铰桥梁的墩底内力-有塑性铰桥梁的墩底内力∣×100/无塑性铰桥梁的墩底内力。

表2 桥梁固定墩横桥向墩底内力对比

从表1中可以看出，塑性铰桥梁相比无塑性铰桥梁，最大剪力减震率为7.23%，最大弯矩减震率为5.82%。表1表明，塑性铰产生了塑性变形，耗散了地震能量，减小了桥梁固定墩纵桥向内力。

表1 桥梁固定墩纵桥向墩底内力对比

从表2中可以看出，最大剪力减震率达到4.34%，最大弯矩减震率为4.56%；也可以看出，通过桥梁设置塑性铰后，减小了桥梁固定墩横桥向的内力。

4.2 桥梁位移响应

根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》要求，桥墩必须具有必要的刚度，设计桥墩时须验算墩顶位移，并对其进行控制，以保证车辆的高速安全运行。对塑性铰桥梁和无塑性铰桥梁进行E2地震作用下弹塑性时程分析，得到塑性铰桥梁和无塑性铰桥梁固定墩墩顶位移，得到图3和图4的比较结果。

图3 桥梁纵桥向各墩墩顶位移比较

图4 桥梁横桥向固定墩墩顶位移比较

从图3和图4中桥梁纵桥向和横桥向墩顶位移比较可知，塑性铰桥梁的墩顶位移较无塑性铰桥梁的墩顶位移均较大。图3中，纵桥向无塑性铰桥梁的墩顶位移在3种荷载工况下最大达到了9.92 cm，塑性铰桥梁的最大墩顶位移为10.32 cm；图4中，横桥向无塑性铰桥梁在3种荷载工况下最大墩顶位移达到了10.29 cm，塑性铰桥梁的最大墩顶位移为10.77 cm。从数据看，塑性铰桥梁和无塑性铰桥梁墩顶位移相差并不大，但可以反映出由于塑性铰的形成，桥梁固定墩的墩顶位移会有所增大。

4.3 塑性铰耗能及验算

图5和图6为墩底弯矩-转角滞回曲线，从图中可以看出，桥梁固定墩墩底塑性铰发生了较大的转动，发挥了较好的耗能减震作用。通过查看Midas civil中桥梁塑性铰状态，表明在地震波作用下，固定墩墩底部分范围进入了塑性发展状态，此时塑性铰局部钢筋最大拉应力达到了386 MPa，达到了屈服状态。

图5 桥墩纵桥向弯矩-转角滞回曲线

图6 桥墩横桥向弯矩-转角滞回曲线

规范对桥梁塑性铰的转动能力进行了要求，应控制塑性铰的最大转角小于最大容许转角。根据规范计算，桥梁塑性铰区域的最大容许转角为7.42×10-4rad，墩底塑性铰区最大的转角为8.3×10-5rad，满足对塑性铰转动能力的要求。

5 结论

通过对塑性铰桥梁和无塑性铰桥梁弹塑性时程分析表明：设置塑性铰后，桥梁固定墩的内力有所减小，可以满足一定的设计要求；桥梁固定墩的墩顶位移有所增大，要增强桥梁落梁的措施；塑性铰耗能效果有一定的局限性，内力减震率只有10%左右，虽然可以降低桥梁的震害，不至于出现迅速倒塌的后果，但对墩柱有一定的损伤；设置塑性铰桥梁，可以满足桥梁的一定抗震要求。