基于高性能材料SMA和ECC的橋墩塑性鉸研究

黃亮傳　蘇允匯

【摘 要】提出將形狀記憶合金（SMA）和工程用水泥基復(fù)合材料（ECC）取代普通鋼筋和普通鋼筋混凝土用于橋墩塑性鉸區(qū)。并以某三聯(lián)公路橋?yàn)槔?，采用SAP2000軟件，進(jìn)行時程分析。結(jié)果表明：兩種材料的運(yùn)用能有效地減小墩頂?shù)臍堄辔灰?，且大大減小塑性鉸區(qū)的殘余轉(zhuǎn)角。

【關(guān)鍵詞】塑性鉸;形狀記憶合金;工程用水泥基復(fù)合材料;時程分析

中圖分類號：TU111.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）10-0086-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.10.035

Study on Plastic Hinge of Bridge Pier Based on SMA and ECC

HUANG Liang-chuan SU Yun-hui

（School of Civil Engineering Guangzhou University， Guangzhou Guangdong 510006， China）

【Abstract】The shape memory alloy （SMA） and Engineered Cementitious Composites （ECC） are used in plastic hinge area of bridge piers instead of ordinary reinforcement and ordinary reinforced concrete. Taking a triple highway bridge as an example， SAP2000 software was used for Time- history analysis. The results show that the application of the two materials can effectively reduce the residual displacement of the pier top and the residual rotational angle of the plastic hinge area.

【Key words】Plastic hinge; Shape memory alloy; Engineered Cementitious Composites; Time- history analysis

0 引言

鋼筋混凝土橋墩一旦出現(xiàn)塑性鉸后，混凝土的破壞主要集中在塑性鉸區(qū)域，而且塑性鉸區(qū)混凝土的損傷及破壞程度在較大程度上影響橋墩的抗震性能。如果用反復(fù)變形優(yōu)越的材料代替塑性鉸區(qū)的局部混凝土，當(dāng)遭遇強(qiáng)地震時，橋墩結(jié)構(gòu)具有良好的變形能力和延性，而且塑性鉸區(qū)混凝土的損傷和破壞得到有效的控制和減輕。形狀記憶合金（SMA）以其出色的超彈性性能和滯回耗能能力，被應(yīng)用于各種結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震設(shè)計[1-2]。傳統(tǒng)水泥基材料其宏觀開裂發(fā)展模式為單一裂紋，而工程用水泥基復(fù)合材料（ECC），可將單一裂紋實(shí)現(xiàn)向多重細(xì)微裂紋穩(wěn)態(tài)開裂模式的轉(zhuǎn)變，顯著增加了材料的韌性、非線性變形和能量吸收能力[3]。以SMA棒取代普通鋼筋，以ECC取代普通鋼筋混凝土，有望獲得具有自恢復(fù)能力、耗能能力和高延性能力的橋墩塑性鉸。

1 超彈性形狀記憶合金

形狀記憶合金（SMA）具有形狀記憶效應(yīng)和超彈性的優(yōu)良特點(diǎn)，適合用于大型結(jié)構(gòu)構(gòu)件的防震抗震設(shè)計，在土木領(lǐng)域具有十分寬廣的應(yīng)用前景。SMA的超彈性效應(yīng)是應(yīng)力造成馬氏體變形而引起的一種性能。對多數(shù)的SMA，均有馬氏體相變開始溫度小于奧氏體相變開始溫度，而在這兩個溫度之間，馬氏體和奧氏體可以共存[6]。SMA的變形恢復(fù)能力與材料所處環(huán)境的溫度有較大關(guān)系。當(dāng)環(huán)境溫度高于奧氏體相變結(jié)束溫度時，SMA在外荷載作用后表現(xiàn)出的變形恢復(fù)性能比較明顯[4]。簡化后的SMA本構(gòu)模型（應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系）如圖1所示，其中σ為應(yīng)力，ε為應(yīng)變。

2 工程用水泥基復(fù)合材料

工程用水泥基復(fù)合材料（Engineered Cementitious Composites，簡稱ECC）是根據(jù)斷裂力學(xué)和微觀力學(xué)相關(guān)原理對纖維、基體和纖維基體界面進(jìn)行有意識的設(shè)計、選擇和調(diào)整，結(jié)果得到的硬化后的復(fù)合材料，且其纖維體積摻量不超過2%、極限拉應(yīng)變能力穩(wěn)定地超過3%，抗拉能力大約為混凝土的100～300倍，抗壓應(yīng)變能力大約混凝土的2倍[7-8]。

3 橋墩模型運(yùn)算結(jié)果

運(yùn)用SAP2000建立某三聯(lián)公路橋的模型，如圖3所示。用作比較的原橋梁模型塑性鉸選用的材料為：C50混凝土、72根Φ32mm的HRB335鋼筋;新型模型采用ECC和72根Φ32mm的SMA棒。對兩模型用時程方法運(yùn)算，以P4#的數(shù)據(jù)為代表，比較其墩頂節(jié)點(diǎn)位移及墩底塑性鉸轉(zhuǎn)角大小。

使用不同材料塑性鉸的橋梁模型，經(jīng)過時程運(yùn)算后，4#墩的墩頂節(jié)點(diǎn)位移時程曲線如圖4所示。新型模型墩頂位移隨時間的變化幅度、最大位移、殘余位移都更小。其殘余位移減少了80.69%。

使用不同材料塑性鉸的橋梁模型，經(jīng)過時程運(yùn)算后，4#墩的墩底塑性鉸轉(zhuǎn)角時程曲線如圖5所示。新型模型墩底塑性鉸轉(zhuǎn)角隨時間的變化幅度、最大位移、殘余位移都更小。新型模型墩底塑性鉸的最大轉(zhuǎn)角減少了72.1%，殘余轉(zhuǎn)角減少了89.8%。

4 結(jié)語

到目前為止，國內(nèi)外的科研人員對SMA和ECC均做了比較深入的研究，但對兩者結(jié)合應(yīng)用的研究相對較少。采用兩者結(jié)合的新型塑性鉸模型具有較高的耗能能力和延性能力，值得進(jìn)一步研究。

【參考文獻(xiàn)】

[1]Mitoulis S， Rodriguez Rodriguez J. Seismic Performance of Novel Resilient Hinges for Columns and Application on Irregular Bridges[J]. Journal of Bridge Engineering， 2016，DOI：http：//dx.doi.org/10.1061/（ASCE）BE.1943-5592.0000980.

[2]Saiidi M ， Varela S. A bridge column with superelastic NiTi SMA and replaceable rubber hinge for earthquake damage mitigation[J]. Smart Material Structures， 2016， 25（7）：075012.

[3]Shrestha K C ， Saiidi M S ， Cruz C A . Advanced materials for control of post-earthquake damage in bridges[J]. Smart Materials and Structures， 2015， 24（2）：025035.

[4]苗曉瑜，王社良，唐嫻，翁光遠(yuǎn).SMA-橡膠復(fù)合支座的力學(xué)性能及在橋梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2012，44（01）：28-32.

[5]周?？?，徐希，劉海鋒.簡支梁橋形狀記憶合金裝置減震防落研究[J].振動與沖擊，2015，34（21）：194-199.

[6]周博，王振清，梁文彥.形狀記憶合金的細(xì)觀力學(xué)本構(gòu)模型[J].金屬學(xué)報，2006（09）：919-924.

[7]徐世烺，李賀東.超高韌性水泥基復(fù)合材料研究進(jìn)展及其工程應(yīng)用[J].土木工程學(xué)報，2008（06）：45-60.

[8]蔡向榮.PVA-UHTCC單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€[A].