任秩健

(華北水利水電大學(xué)土木與交通學(xué)院，河南 鄭州 450045)

0 前 言

我國(guó)近來(lái)地震頻發(fā)，一次大地震過(guò)后，許多橋墩發(fā)生較大的殘余應(yīng)變，這些變形往往是永久的，使得橋墩不能繼續(xù)使用，救援車輛因此不能及時(shí)到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)施救，給人民造成了巨大的損失。因此，不少學(xué)者探求新型的橋墩結(jié)構(gòu)，基于性能的自復(fù)位橋墩應(yīng)運(yùn)而生，這種橋墩著眼于結(jié)構(gòu)自身消耗地震能量和控制橋墩的殘余變形。這種橋墩結(jié)構(gòu)中，墩身和承臺(tái)是分離的，中間有一個(gè)預(yù)應(yīng)力筋連接，兩端分別錨固在墩身和承臺(tái)兩端，在地震作用下，允許構(gòu)件連接處有一定的張拉分離，預(yù)應(yīng)力受拉變形，使其終在彈性范圍內(nèi)，當(dāng)卸載后，依靠墩身的重力以及預(yù)應(yīng)力筋的拉力使橋墩復(fù)位，這種基于延性的設(shè)計(jì)理念逐步代替了現(xiàn)澆橋墩以材料彈性極限強(qiáng)度為臨界設(shè)計(jì)值的設(shè)計(jì)理念[1-2]。

自復(fù)位橋墩結(jié)構(gòu)的四大組成部分分別是：①自復(fù)位組件，②耗能組件，③承重組件，④接頭組件[2]。其中自復(fù)位組件由后張法預(yù)應(yīng)力筋構(gòu)成，耗能組件由耗能鋼筋組成，接頭組件大都使用嵌合式接頭。這四大組件協(xié)同合作，共同抵御地震作用[4]。

為了更好地看出自復(fù)位橋墩與現(xiàn)澆橋墩相比的優(yōu)越性，這里我們應(yīng)用有限元軟件ABAQUS對(duì)兩種橋墩分別進(jìn)行了建模分析，對(duì)比分析這兩種橋墩在水平往復(fù)荷載下的性能差異。

1 模型的建立

本文是基于ABAQUS有限元軟件建立的自復(fù)位橋墩模型，對(duì)其進(jìn)行擬靜力分析。自復(fù)位橋墩保護(hù)層厚度為40 mm，縱筋使用直徑16 mm的HRB335鋼筋，箍筋使用直徑10 mm的HPB300的鋼筋，間距80 mm。耗能鋼筋無(wú)粘結(jié)段的長(zhǎng)度為700 mm，預(yù)應(yīng)力筋采用4φs15.2的1860級(jí)鋼絞線，兩端由墊塊固定?，F(xiàn)澆的橋墩配筋率和結(jié)構(gòu)尺寸與自復(fù)位橋墩相同，兩者分別受相同的豎向荷載和往復(fù)的水平位移荷載。

2 現(xiàn)澆橋墩和自復(fù)位橋墩模擬結(jié)果的對(duì)比

在ABAQUS中得到的受力云圖如圖1所示，這里我們選取的是同一時(shí)刻，相同受力情況下的兩個(gè)橋墩的受力云圖。

(a)自復(fù)位橋墩受力云圖

(b)現(xiàn)澆橋墩受力云圖

通過(guò)觀察受力云圖，我們可以清晰地看到，在荷載作用下，不論是自復(fù)位橋墩還是現(xiàn)澆橋墩的應(yīng)力都集中在墩底的兩端，從云圖的顏色上看，現(xiàn)澆橋墩的顏色要比自復(fù)位橋墩的顏色深，通過(guò)有限元軟件的查看，自復(fù)位橋墩底部應(yīng)力為1.9 MPa，現(xiàn)澆橋墩底部應(yīng)力為3.5 MPa，說(shuō)明現(xiàn)澆橋墩的墩底混凝土比自復(fù)位橋墩的墩底更容易損壞。這是因?yàn)楝F(xiàn)澆橋墩是橋墩和承臺(tái)是一體的，自復(fù)位橋墩墩身和承臺(tái)是分開的，在荷載作用下，橋墩左右搖擺，相當(dāng)于隔震系統(tǒng)，耗能鋼筋消耗地震能量，再依靠自身重力和預(yù)應(yīng)筋提供回復(fù)力使橋墩回歸原位，減輕底部混凝土受到的力。

對(duì)于墩頂位移，通過(guò)軟件ABAQUS處理后數(shù)據(jù)，得到自復(fù)位橋墩的墩頂位移是7.83 mm，現(xiàn)澆橋墩的去墩頂位移是7.94 mm，發(fā)現(xiàn)兩者的位移基本相近，從而證明了自復(fù)位橋墩也具有良好的抗側(cè)性能，這是因?yàn)樽詮?fù)位橋墩由于由預(yù)應(yīng)力鋼筋的約束，即使橋墩和承臺(tái)分離，也不會(huì)降低其抗側(cè)性能。

現(xiàn)澆橋墩和自復(fù)位橋墩的滯回曲線如圖2所示。其中荷載是墩底剪力，位移是墩頂水平位移。

圖2 自復(fù)位橋墩和現(xiàn)澆橋墩滯回曲線

對(duì)比兩者的滯回曲線圖，不難發(fā)現(xiàn)自復(fù)位橋墩因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)的特殊性其曲線為旗幟型的回環(huán)，兩端較為飽滿，整體受到的地震能量跟現(xiàn)澆的橋梁比起來(lái)要少很多，這是因?yàn)樽詮?fù)位橋墩在地震中能夠通過(guò)自身?yè)u擺耗散較多的地震能量，從而保護(hù)了結(jié)構(gòu)，使其不被破壞。

在墩頂位移較小的時(shí)候，我們看到現(xiàn)澆橋墩的墩底剪力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于自復(fù)位橋墩的荷載，當(dāng)墩頂位移是5 mm的時(shí)候，現(xiàn)澆橋墩的墩底剪力為155.4 kN，自復(fù)位橋墩的墩底剪力為77.5 kN，這個(gè)數(shù)值是現(xiàn)澆橋墩的50%，由于自復(fù)位橋墩的預(yù)應(yīng)力筋存在，而且預(yù)應(yīng)力筋有初始的張拉應(yīng)力，在水平往復(fù)荷載下，豎向荷載往往先要平衡預(yù)應(yīng)力筋中的預(yù)應(yīng)力，從而減小了墩底的剪力。

圖2中，從滯回曲線回環(huán)的面積來(lái)看，與自復(fù)位橋墩相比現(xiàn)澆橋墩的整體很飽滿，說(shuō)明現(xiàn)澆橋墩的耗能能力比起自復(fù)位橋墩要強(qiáng)一些。

觀察兩個(gè)橋墩的滯回曲線，兩者剛開始都處于彈性階段，曲線斜率比較大，隨著位移加大，曲線明顯偏向位移坐標(biāo)軸，說(shuō)明這時(shí)的構(gòu)件已經(jīng)進(jìn)入塑性階段了，從圖2中還可以看出，自復(fù)位橋墩和現(xiàn)澆橋墩的極限承載力分別為126.9 kN和173.5 kN，這證明了現(xiàn)澆橋墩的整體性要高于自復(fù)位橋墩。

3 結(jié) 論

本文對(duì)自復(fù)位橋墩和現(xiàn)澆橋墩進(jìn)行有限元模擬，通過(guò)對(duì)比受力云圖和滯回曲線，揭示自復(fù)位橋墩受力機(jī)理，以及和現(xiàn)澆橋墩相比的優(yōu)越性，得到了以下結(jié)論。

1)自復(fù)位和現(xiàn)澆橋墩在地震作用下，應(yīng)力主要集中在墩底左右兩側(cè)，現(xiàn)澆橋墩的墩底應(yīng)力比自復(fù)位橋墩大，底部混凝土更容易受壓遭到破壞；由于預(yù)應(yīng)力筋的存在，自復(fù)位橋墩和現(xiàn)澆橋墩一樣，都具有良好的抗側(cè)性能。

2)自復(fù)位橋墩因其結(jié)構(gòu)的特性，可以發(fā)生搖擺，能減小地震能量的傳播；現(xiàn)澆橋墩的耗能能力優(yōu)于自復(fù)位橋墩，整體性能也比自復(fù)位橋墩強(qiáng)，但是進(jìn)入塑性階段后，自復(fù)位橋墩的剛度衰減率明顯低于現(xiàn)澆橋墩。

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