外置耗能器与复位器的自复位桥墩抗震性能研究

王大鹏,梁银丰

(1.苏州科技大学 土木工程学院,江苏 苏州 215011; 2.江苏省结构工程重点实验室,江苏 苏州 215011)

0 引 言

传统钢筋混凝土桥墩震后残余位移大,修复成本高[1-2],故研究震后自恢复能力强、修复成本低的摇摆结构是当前工程抗震领域的重要课题。损伤控制的摇摆自复位(RSC)桥墩承台与桥墩底部之间是摇摆界面,当在强震中发生摇摆时,由预应力筋提供复位,由内置耗能钢筋或外置耗能器提供耗能降低结构的残余位移,可降低震后修复成本[3-4]。

国外首先对仅设有无粘结预应力筋和内置耗能钢筋的RSC桥墩进行了拟静力试验,仅设预应力筋的RSC桥墩有几乎可忽略不计的残余变形,但耗能较弱[5]。耗能钢筋可有效提高RSC桥墩的耗能能力,但同时也会提高桥墩的残余变形[6],且修复成本高。为了便于RSC桥墩的震后修复,学者们开始研究外置耗能器的方案。M.POLLINO等[7]首次将防屈曲支撑(BRB)作为外置耗能器运用于桥墩底部;R.AHMAD 等[8]研究了底部配置BRB的摇摆钢桥墩,发现配置BRB后,摇摆钢桥墩的抗侧刚度与耗能能力有了大幅提高;魏博等[9]在墩底布置耗能钢板,通过试验确定了耗能器材的抗侧强度不宜超过40%;石岩等[10]将铅挤压阻尼器作为耗能器布置在RSC双柱墩的墩底,通过拟静力证明了该方案的可行性,但也发现若耗能部件过多也会造成桥墩震后残余位移变大。故有学者开始研究可降低残余位移的方案;张哲熹等[11]对超弹性形状记忆合金(SMA)拉索RSC桥墩进行了拟静力试验,发现在4%位移角加载范围内,残余变形可忽略不计;F.CHENG等[12]将SMA构件作为外置复位器,提出了具有外置 SMA碟簧的RSC 桥墩,该外置复位器功能明确,易于更换,可实现对桥墩自复位能力的控制。目前,对外置耗能器的研究已较为成熟,但对于RSC桥墩中外置复位器的研究较少。

笔者设计了一种同时外置耗能器与复位器的自复位(BS-RSC)桥墩。BRB有较大的初始刚度与较小的屈服后刚度[13]和卓越的耗能能力[14],选其作为耗能器;外置复位器选用弹簧,可为内置预应力筋的RSC桥墩提供额外的恢复力,且震后修复较为快捷,成本较低,弥补了预应力筋修复难度大的问题。通过Opensees有限元软件建立数值模型,进行拟静力分析与动力时程分析,揭示BS-RSC桥墩的抗震性能。

1 BS-RSC桥墩构造与建模

1.1 BS-RSC桥墩构造

笔者设计的BS-RSC桥墩结构简图如图1。墩底与承台之间为摇摆界面,预应力筋的夹紧力使桥墩与承台形成整体,将BRB与弹簧的两端以铰连接的方式沿横桥向安装在墩底与承台面上。

图1 BS-RSC桥墩构造形式

1.2 数值模型建立

数值分析模型以及采用的单元类型如图2。

图2 BS-RSC桥墩数值分析模型

桥墩采用弹性梁单元(elastic beam column element)模拟,忽略摇摆界面混凝土挤压或压碎产生的微小耗能[10]。预应力筋采用Truss单元模拟,用刚臂将预应力筋顶部节点与桥墩顶部进行耦合,保证预应力筋与墩身协调变形,其本构关系采用 Elastic-PP (elastic-perfectly plastic) 单轴材料。BRB采用 Truss单元模拟,本构关系采用双线性模型的Steel02模拟;弹簧采用弹性梁单元模拟,BRB与弹簧均通过刚臂与墩身连接。不考虑墩身及耗能器、复位器、预应力筋等构件的自重,仅考虑上部结构自重,用设置于墩顶的集中质量进行模拟。

摇摆界面采用零长度弹簧单元(zero-length elements)模拟,本构材料为Elastic-No Tension 单压材料。文献[15]提出,弹簧分布方式分为Gauss积分分布、Lobatto积分分布、均布分布,其中均布方式建模效率高吻合程度好,当弹簧个数达到12～20个时,模拟结果趋于稳定值。采用均布方式建模,弹簧个数取12个,单个弹簧刚度的计算为:

(1)

式中:Ec为混凝土弹性模量,MPa;A为桥墩截面的面积,mm2;n为零长度弹簧单元的个数;H为桥墩高度,mm。

1.3 数值模型验证

选取文献[6]中的PT1试件与HBD1试件进行数值模型验证。图3(a)为PT1试件的Pushover曲线对比,由于忽略墩底在摇摆过程中发生的损坏,所以模拟曲线刚度与实际试验相比偏大;图3(b)为HBD1试件的滞回曲线对比,可见模拟曲线与试验结果基本达到吻合,证明该数值模型可准确模拟RSC桥墩的反应。

图3 数值模型模拟结果与试验的对比

文献[13]对国标Q235热轧钢材BRB进行了循环拉压试验,选取试件C1的滞回曲线进行验证,如图3(c)。

2 BS-RSC桥墩拟静力分析

根据工程实际,拟静力分析中所选取墩身的桥墩截面宽度B=0.9 m,桥墩高度H=5.0 m,混凝土强度为C70,预应力筋面积为2×648 mm2,预应力筋配筋率为0.16%。取外置耗能器BRB的屈服强度、外置复位器弹簧的刚度及上部结构自重产生的轴压比与预应力筋预张拉力产生的轴压比为研究参数,通过整理15根RSC桥墩试件的信息[6,10,16,17,18,19],发现预张拉力和上部结构自重产生的轴压比设置范围分别为0.03～0.09和0.026～0.100。鉴于此,笔者设计的试件分组情况如表1。

表1 试件分组情况

2.1 拟静力分析结果

利用Opensees软件开展BS-RSC桥墩的拟静力分析,探讨不同研究参数对BS-RSC桥墩滞回性能的影响,如图4。

图4 不同参数对BS-RSC桥墩滞回曲线的影响

图4(a)为BRB屈服强度为365、668、760 kN时的BS-RSC桥墩滞回曲线。随着BRB屈服强度增大,桥墩强度逐渐增加,滞回环的面积也逐渐增大,说明桥墩整体耗能能力有增加。

图4(b)为弹簧刚度为0、10、20 kN/mm时的BS-RSC桥墩滞回曲线。随着弹簧刚度增大,桥墩残余变形逐渐减少,桥墩屈服后刚度也逐渐升高,桥墩强度进一步提高,同时滞回环也逐渐变得细长且不饱满,说明弹簧刚度增加虽会减小残余变形,但可能对桥墩耗能能力产生消极影响。

由图4(c)和图4(d)可看出:两种荷载产生的轴压比对滞回曲线的影响基本相同,随着轴压比的增大,残余变形明显减少;滞回环面积有所降低,即耗能降低,说明在BS-RSC桥墩抗震设计中,轴压比取值不宜过大。

根据分析结果,上部结构自重与预应力筋预张拉力产生的总轴压比的取值范围宜为0.06～0.09。

2.2 弹簧刚度对耗能能力的影响

图5为弹簧刚度对BS-RSC桥墩累计耗能的影响。由图5可知:随着弹簧刚度的增加,BS-RSC桥墩的累计耗能有少量降低。在低加载位移下,损耗极低;在最高加载位移下,弹簧刚度为40 kN·mm的BS-RSC桥墩相比于0 kN·mm时的情况下会有4 938.9 kN·mm的耗能损耗,但相对于高达150 000 kN·mm的累计耗能值而言,损耗不会产生显著影响。这说明虽在滞回曲线外观上,弹簧刚度的提升会造成滞回环的不饱满,但通过计算可知并不会引起桥墩累计耗能的显著降低,耗能能力取决于BRB的屈服强度。分析结果进一步证明:BRB与弹簧分工明确,BRB能显著提高桥墩耗能能力,控制弹簧刚度可在不影响整体耗能下控制残余位移。

图5 弹簧刚度对BS-RSC桥墩累计耗能的影响

3 BS-RSC桥墩动力时程分析

通过拟静力分析,探究了不同研究参数对BS-RSC桥墩滞回性能的影响,但施加往复荷载的拟静力分析并不能完全反映结构在地震动下的真实反应,故对BS-RSC桥墩进行动力时程分析,以探讨不同研究参数对BS-RSC桥墩地震动响应的影响,地震动指标选取墩顶位移与残余位移。

3.1 地震波的选取与分析方法

研究对象所在场地的抗震设防烈度为8度,场地类型为Ⅱ类,设防级别为B级。基于规范反应谱,选取4条天然波、1条人工波(记为R波)作为加载地震波,数据如表2。按照罕遇地震进行调幅,目标峰值加速度为0.51g,得到符合中国规范的地震波,各地震波反应谱平均值与规范反应谱如图6,纵坐标中S代表设计加速度反应谱,横坐标中T代表周期。可见所选的地震波与目标反应谱吻合良好。

表2 地震波数据

采用Opensees有限元软件进行动力时程分析,阻尼采用Rayleigh阻尼,阻尼比取为5%,积分法采用Newmark-β法,其中β=0.5,γ=0.25。当墩顶位移角(墩顶位移与墩高的比值)超过5%或残余位移角(残余位移与墩高的比值)超过1%时认为桥墩已经破坏[20];当预应力筋应力超过极限强度即1 860 MPa的80%时,预应力筋已丧失工作能力,此时也认为桥墩破坏[21]。

3.2 动力时程分析

桥墩试件分组如表3。选取表中YS304-5、YS608-5试件来研究桥墩高度为5 m时BRB屈服强度的影响,选取YS608-5、K40-5来研究桥墩高度为5 m时弹簧刚度的影响。然后提高墩高至9 m,重复以上工作,以探究高墩是否也具备稳定的性能。

表3 桥墩试件参数

施加表2中5种不同的地震波,得到不同地震波下的墩顶位移时程曲线,以墩高为5 m的试件的时程曲线为例,如图7、图8。全部试件的详细地震动响应数据如表4,其括号内为相应的最大墩顶位移角、残余位移角。

表4 动力时程分析结果

图8 弹簧刚度对墩顶位移的影响

根据3.1节中的破坏准则,各试件均未发生破坏。两种高度的桥墩在地震过程中的最大墩顶位移角均在2%左右,远低于5%的破坏界限,这说明BS-RSC桥墩在地震过程中具有稳定的抗震性。

对于墩高为5 m的试件,随着BRB屈服强度的增加,墩顶位移有效降低,最大墩顶位移得到显著降低,BRB屈服强度提高为原来的2倍时,最大墩顶位移均可下降为原来的65%左右,残余位移也随着BRB屈服强度的提高而降低。根据表4,在Borrego波、San Fernando波加载下,弹簧的使用会提高最大墩底位移,但最大墩顶位移角远低于破坏界限。5 m试件的残余位移都处于较低的值,所以弹簧对残余位移的影响相对微弱,但仍有降低的趋势。但9 m试件的残余位移相对较高,可以明显发现弹簧能够显著降低震后残余位移。

对于墩高为9 m的试件,最大墩顶位移与BRB屈服强度之间的关系并不密切,原因是在墩高过高情况下,BRB产生的应变相响应降低,所以BRB可能在地震波加载下仍处于弹性阶段或只参与微弱的耗能。对于BS-RSC桥墩,墩高不宜过高,这不仅是为了能够更好的利用BRB的耗能能力,也是为了防止单柱墩发生失稳破坏。

4 结 论

1)采用防屈曲支撑(BRB)作为外置耗能器,以弹簧为外置复位器的自复位(BS-RSC)桥墩,滞回曲线且呈饱满的“旗帜形”,展现出较强的滞回性能,BRB屈服强度的提高能有效提高桥墩耗能。

2)增加弹簧刚度后,BS-RSC桥墩滞回曲线变得细长而不饱满。但通过定量计算,发现弹簧刚度的增加虽然会引起滞回环不饱满,但累计耗能并没有明显降低。说明控制弹簧刚度可在不影响整体耗能下控制残余位移。

3)对BS-RSC桥墩进行动力时程分析,结果表明:在罕遇地震下,BRB屈服强度提高为原来的2倍时,最大墩顶位移可下降为原来的65%左右;残余位移也处于低值。说明BS-RSC桥墩是一种分工明确,损伤可控的新型桥墩。

4)BS-RSC桥墩的墩高不宜过高,过高会导致BRB的耗能能力得不到充分利用。