耗能鋼筋配筋率對自復(fù)位橋墩抗震性能影響分析

趙建鋒，李佰冉

基于性能的抗震設(shè)計理念，著眼于結(jié)構(gòu)耗能和控制橋墩的殘余位移［1－2］，不再保守地以材料彈性極限強度為臨界設(shè)計值，而是充分考慮和使用結(jié)構(gòu)在地震中的塑性滯回耗能機制，通過預(yù)設(shè)塑性鉸來抵抗地震作用，基于延性的抗震設(shè)計理念［3－4］逐漸替代了傳統(tǒng)橋墩強度設(shè)計理念。性能的優(yōu)越使得自復(fù)位橋墩的研究成為了當(dāng)前世界范圍內(nèi)的熱點，從2010年開始，何銘華等［5］逐步介紹和報道了關(guān)于自復(fù)位橋梁墩柱的研究情況和思路。同年，Haitham［6］結(jié)合實際工程案例，利用有限元軟件對裝配式橋墩往復(fù)荷載作用下性能進行研究，分析了數(shù)據(jù)模擬準確性和可行性，并驗證了混凝土本構(gòu)模型對模擬數(shù)據(jù)的影響。2014年，包龍生等［7］探究了耗能鋼筋配筋率、預(yù)應(yīng)力筋配筋率、預(yù)應(yīng)力度等參數(shù)對節(jié)段預(yù)制無粘結(jié)后張預(yù)應(yīng)力環(huán)形截面橋墩的抗震性能的影響。2015年，Guo T等［8］嘗試自復(fù)位橋墩加置體外耗能鋼筋，且在橋墩底部加上玻璃纖維增強復(fù)合材料護套來防止橋墩發(fā)生晃動時混凝土的剝落，改變不同參數(shù)研究了自復(fù)位橋墩的結(jié)構(gòu)性能。2017年，司炳君等［9］利用 Open Sees數(shù)值分析平臺建立了RSC橋墩抗震分析模型并與整體現(xiàn)澆橋墩做對比，分析了橋墩在近斷層地震動下的地震反應(yīng)。目前為止較為先進的自復(fù)位橋墩設(shè)計理念是：把預(yù)應(yīng)力組件與耗能組件結(jié)合起來使它們共同作用從而擁有穩(wěn)定的耗能能力，并且可以有效的控制殘余位移。這種設(shè)計理念也是目前最有希望的橋墩結(jié)構(gòu)抗震體系［10－11］。

為更好的了解裝配式自復(fù)位耗能橋墩的抗震性能，以工程實例中橋墩為參考，利用ABAQUS建立有限元模型，對橋墩耗能鋼筋的配筋率進行了不同設(shè)置，分析了不同耗能鋼筋配筋率狀態(tài)下橋墩的抗震性能，從而得耗能鋼筋配筋率對橋墩抗震性能的影響，為節(jié)段拼裝橋墩的抗震設(shè)計提供理論依據(jù)。

1 自復(fù)位橋墩結(jié)構(gòu)組成和配筋率概述

對于自復(fù)位橋墩基本要素的構(gòu)成是基本保持一致的，對于其概念的表述具有一定的通用性，但是也會根據(jù)工程的實際背景對結(jié)構(gòu)做出一定的調(diào)整。自復(fù)位橋墩組成構(gòu)件之間分工明確、各司其職，共同維護橋墩的抗震性能和整體穩(wěn)定性。根據(jù)在其自身特點和在整體性能中作用的不同，自復(fù)位橋墩的構(gòu)成組件主要分為四大類：自復(fù)位組件、承重組件、耗能組件和接頭組件［12］。如圖1所示。

圖1 自復(fù)位耗能橋墩構(gòu)成要素

為了保證自復(fù)位組件能在外力作用下為橋墩提供穩(wěn)定的自復(fù)位力，減少橋墩在地震作用后的殘余變形，對于自復(fù)位組件的選材一般會是強預(yù)應(yīng)力鋼束、鋼絞線等具有高強度抗拉性能的材料；承重組件是自復(fù)位組件的主要結(jié)構(gòu)組成部分，傳遞著上部結(jié)構(gòu)的荷載，并保證橋墩具有一定的抗側(cè)能力。目前對于承重組件的結(jié)構(gòu)形式主要有鋼筋混凝土、鋼管混凝土或鋼桁架組成的橋墩墩柱［13］；耗能組件主要作用是結(jié)構(gòu)在外界荷載作用下提供一定的耗能能力，減小外界荷載對結(jié)構(gòu)的破壞，所以一般會選擇延性耗能能力較強的鋼筋或阻尼器作為橋墩的自復(fù)位組件；接頭組件是橋墩墩柱和承臺之間的一種連接形式，其主要作用是保證橋墩具有足夠的抗側(cè)能力，并能保證橋墩在外界荷載作用時，自身穩(wěn)定的前提下可以發(fā)生一定的偏轉(zhuǎn)。自復(fù)位橋墩的接頭組件的主要形式有固接接頭、平式接頭和嵌合式接頭。

我國于2011年頒布實施的《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》［14］（GB 50010—2015）對混凝土構(gòu)件配筋率進行了定義：混凝土構(gòu)建中鋼筋面積（或體積）與規(guī)定的混凝土截面面積（或體積）的比值。

式中：ρ為結(jié)構(gòu)鋼筋的配筋率；As為受拉或受壓區(qū)縱向鋼筋的截面面積；A0根據(jù)受力性質(zhì)不同而分為兩種取值情形，分別為：（1）受壓構(gòu)件的全部縱筋和一側(cè)縱向鋼筋以及軸心受拉構(gòu)件、小偏心受拉構(gòu)件一側(cè)受拉鋼筋的配筋率計算中，A0取構(gòu)件的全截面面積；（2）受彎構(gòu)件、大偏心受拉構(gòu)件一側(cè)受拉鋼筋的配筋率計算中，A0取構(gòu)件的全截面面積扣除受壓翼緣面積后的截面面積。

現(xiàn)行規(guī)范中為了保證安全質(zhì)量，保證技術(shù)經(jīng)濟效益，對縱筋和箍筋等結(jié)構(gòu)配筋率最大值和最小值做了相應(yīng)的規(guī)定。由于國內(nèi)自復(fù)位耗能橋墩的研究起步較晚，對此類橋墩的應(yīng)用較少，對其抗震性能的研究有限，目前還沒有頒布規(guī)范對自復(fù)位橋墩的耗能鋼筋的配筋率進行限定和規(guī)范，本文對耗能鋼筋的配筋率的研究具有一定的實踐意義。

2 模型的建立

2．1 模型概述

本文利用ABAQUS建立自復(fù)位橋墩有限元模型，橋墩構(gòu)造圖如圖2所示，模型包括橋墩墩柱、橋墩承臺和兩個用來在模型中模擬施加后張法預(yù)應(yīng)力張拉錨固接頭的鋼板墊塊，墩柱和承臺截面中心設(shè)置貫穿其結(jié)構(gòu)的圓形預(yù)應(yīng)力孔道，直徑為60 mm，用來放置預(yù)應(yīng)力鋼筋；橋墩墩柱底部四周設(shè)置長為400 mm、直徑為40 mm的圓形孔道，作為耗能鋼筋的無粘結(jié)段。

圖2 橋墩構(gòu)造示意圖（單位：mm）

2．2 模型試件分組

建立了6種工況橋墩模型，分別用來探究橋耗能鋼筋的配筋率對橋墩抗震性能的影響。6種工況橋墩試件中對縱筋和箍筋等普通鋼筋的設(shè)置保持一致，只耗能鋼筋的配筋率進行參數(shù)設(shè)計。模型詳細參數(shù)見表1。

表1 模型參數(shù)

3 模型材料的選擇和模型參數(shù)的設(shè)定

3．1 混凝土

本文模型選擇抗壓強度值為20．1 MPa的C30混凝土，為了更好的模擬混凝土在往復(fù)位移荷載下模型的變化、混凝土在荷載作用下的損傷及剛度恢復(fù)等行為。同時保證模型計算的收斂性和便于數(shù)據(jù)的運算和提取，混凝土在模型中的本構(gòu)模型采用由Mander提出的無側(cè)限混凝土應(yīng)力－應(yīng)變模型。

3．2 普通鋼筋

模型中的普通鋼筋和耗能鋼筋均采用屈服強度310 MPa，極限強度510 MPa的HRB335鋼筋，采用嵌入?yún)^(qū)域約束將鋼筋嵌入到混凝土中?？v向鋼筋和箍筋建模嵌入橋墩墩柱形成“鋼筋籠”，“鋼筋籠”對核心混凝土起到了約束作用。對于耗能鋼筋，從長度方向?qū)⑵洳鸱殖扇斡蚨?，其中鋼筋兩端部區(qū)域分別嵌入到橋墩和承臺混凝土中，由于耗能鋼筋無粘結(jié)段的存在，從而使得中間段耗能鋼筋可以拉伸從而起到耗能的作用。

3．3 預(yù)應(yīng)力鋼筋

模型中預(yù)應(yīng)力鋼筋采用1860鋼絞線，設(shè)定其抗拉強度值為1 860 MPa。模型中預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用桁架單元，并采用降溫法的形式來施加預(yù)應(yīng)力，在材料屬性中定義一個膨脹系數(shù)（模型中采用系數(shù)為1．2×10－5／℃），鋼筋的兩端分別耦合一個一定尺寸的鋼板墊塊，通過對鋼筋降溫，使得鋼筋收縮，從而通過鋼板墊塊對橋墩模型產(chǎn)生一定的預(yù)應(yīng)力。

3．4 接縫

在模型中墊塊與墩柱和承臺之間接觸和承臺與墩柱之間的接觸都采用通用接觸，設(shè)定法向方向為硬接觸，切向方向摩擦系數(shù)為 0．5［15］。

3．5 荷載和約束

模型中在墩柱上表面施加均布壓強模擬上部荷載對橋墩影響；為了更好的為橋墩施加位移荷載，在橋墩墩柱頂面上設(shè)置一參考點，設(shè)定參考點與墩柱頂面耦合，在該耦合點上按照實驗方案施加往復(fù)位移荷載。

4 橋墩數(shù)據(jù)結(jié)果與分析

4．1 滯回耗能能力分析

提取橋墩往復(fù)位移和在位移加載下墩側(cè)向力得到6種工況下橋墩滯回耗能曲線如圖3所示。

由圖3滯回耗能曲線可以看出：位移加載初期，不同的耗能鋼筋配筋率之下，在位移和荷載之間成線性關(guān)系，隨著位移的增加橋墩出現(xiàn)了屈服［16］，在橋墩達到極限荷載之前橋墩殘余位移一直較小，可以忽略不計，表現(xiàn)出自復(fù)位橋墩良好的自復(fù)位能力；橋墩在達到破壞之前橋墩的滯回環(huán)成旗幟型，隨著耗能鋼筋配筋率的提高，滯回環(huán)的上側(cè)逐漸提升，下側(cè)逐漸下降，從而使得橋墩滯回環(huán)的飽和度不斷調(diào)高，橋墩的耗能能力不斷提升，為了更為直觀的分析橋墩的耗能能力［17］，利用Origin軟件對滯回曲線的面積進行了求和，由于不同耗能鋼筋配筋率下橋墩的延性存在一定的差別，所以6種工況取工況6破壞位移作為求滯回環(huán)面積位移控制值，各個工況下橋墩耗能累計值如圖4所示。

圖3 各橋墩工況下滯回曲線圖

圖4 各工況下橋墩耗能累計值

由圖4可以直觀的看出在不同耗能鋼筋配筋率之下橋墩的耗能能力存在一定的差別，隨著耗能鋼筋配筋率的提高橋墩的耗能值也會有一定的提高。工況1的累計耗能值為10 373 N·m，工況2的累計耗能值為17 566 N·m，相對于工況1提高了69%，工況3的累計耗能值相對于工況1提高了90%，工況4的累計耗能值相對于工況1提高了123%，工況5和工況6相對于工況1也有一定的提升，但是相對于工況2—工況4的提升幅度有一定的下降，其中工況5、工況6相對于工況1提高的幅度分別為139%和148%。由此可見耗能鋼筋的配筋率影響著橋墩的耗能能力，適當(dāng)?shù)奶岣吆哪茕摻钆浣盥士梢蕴岣邩蚨盏暮哪苣芰?，但是耗能鋼筋配筋率同時影響著橋墩延性等性能，所以不可以盲目的提高橋墩耗能鋼筋配筋率來提高橋墩的耗能能力，下節(jié)將對耗能鋼筋配筋率對橋墩的延性等性能的影響進行分析。

4．2 橋墩骨架曲線分析

骨架曲線［18］基本定義為：將滯回曲線上同向（拉或壓）各次加載的荷載極值點依次相連得到的包絡(luò)曲線稱為骨架曲線。按照骨架曲線的基本定義，結(jié)合各個耗能鋼筋配筋率工況下橋墩的滯回耗能曲線對橋墩荷載骨架曲線進行提取，工況1—工況6骨架曲線如下圖5所示。從圖中可以看出各個工況下橋墩位移－荷載骨架曲線存在一定的差異，但是同時也相似之處。其中耗能鋼筋的受拉屈服點作為橋墩的屈服點，其對應(yīng)橋墩的側(cè)向荷載作為橋墩的屈服荷載，對應(yīng)位移作為橋墩的屈服位移；對于橋墩破壞荷載，由于其橋墩形式應(yīng)用較少，目前還沒有規(guī)范和學(xué)者對其進行深入探究和定義，自復(fù)位橋墩特殊的結(jié)構(gòu)組成形式，只通過自復(fù)位組件和耗能組件進行連接，橋墩整體性較差，由自復(fù)位橋墩滯回曲線中可以看出橋墩在達到極限荷載之后，橋墩底部混凝土遭到破壞，橋墩原本旗幟型滯回環(huán)變得不規(guī)則，且橋墩側(cè)向力在達到極限荷載之后下降較為明顯。為了保證橋墩性能的穩(wěn)定，本文把自復(fù)位橋墩的峰值荷載作為橋墩的極限荷載，橋墩的峰值位移作為橋墩的極限位移。從圖中可以看出，各個工況下屈服位移基本保持一致，但屈服荷載隨著耗能鋼筋配筋率的提高而提高；橋墩的峰值荷載在不同耗能鋼筋配筋率之下基本保持一致，但橋墩的極限位移隨配筋率的提高而下降。

圖5 各橋墩工況骨架曲線

為定量的分析各個工況下橋墩相關(guān)性能，所以對工況1—工況6的位移－荷載骨架特征值進行統(tǒng)計，取正負向絕對值的平均值作為研究對象，繪制變化趨勢圖來分析橋墩的相關(guān)性能，結(jié)果見圖6。由圖6可以看出不同耗能鋼筋配筋率對橋墩性能有一定的影響，為了更加直觀的比較各個工況橋墩達到同一狀態(tài)下的變化，由于橋墩的峰值荷載和極限荷載為同一數(shù)據(jù)，所以只取極限荷載進行研究，同理不對峰值位移進行研究。

圖6 骨架曲線特征值變化曲線

由圖6可以清晰的看出耗能鋼筋配筋率對橋墩性能的影響，如圖6（b）所示耗能鋼筋配筋率對橋墩的屈服位移沒有影響，各個工況下屈服位移都在16 mm上下小幅度的變化；從圖6（a）中可以看出，隨著耗能鋼筋配筋率的提高橋墩的屈服荷載不斷的提高，但當(dāng)耗能鋼筋配筋率超過0．25%時，橋墩屈服荷載值變化幅度較小，基本趨于平衡；如圖6（c）不同耗能鋼筋配筋率之下橋墩的極限荷載有一定的浮動，但基本保持121 kN～128 kN之間，上下幅度較??；從圖6（d）可以看出隨耗能鋼筋配筋率的提高橋墩的延性性能逐漸降低，工況2相對于工況1下降幅值最大，其他相鄰工況之間下降幅值基本保持一致。總結(jié)以上可以看出自復(fù)位橋墩耗能鋼筋的提高會增大橋墩的屈服，荷載降低橋墩的延性性能，但是對橋墩的屈服位移和極限荷載影響不大。

5 結(jié) 論

本文通過對不同耗能鋼筋配筋率自復(fù)位橋墩耗能、延性、屈服等橋墩性能的差異來探究耗能鋼筋對自復(fù)位橋墩抗震性能的影響。通過分析可以得到：

（1）耗能組件是自復(fù)位橋墩的重要組成部分，影響著橋墩的各方面的性能，設(shè)置耗能組件的形式加大橋墩和承臺之間的聯(lián)系，提高橋墩的整體性，同時通過耗能和產(chǎn)生阻尼的形式減小外界荷載對橋墩的影響。

（2）耗能鋼筋的配筋率影響著橋墩的耗能性能，隨著耗能鋼筋配筋率的提高，橋墩的耗能能力逐漸提高，但當(dāng)耗能鋼筋配筋率超過0．2%橋墩的耗能能力對耗能配筋率的提高幅度逐漸減小。

（3）耗能鋼筋對橋墩延性性能有一定的影響。隨著耗能鋼筋配筋率的提高，橋墩的屈服荷載和抗側(cè)力也會有一定的提高，橋墩延性性能隨著橋墩耗能鋼筋配筋率的提高而逐漸降低。

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