一種橋墩可修復(fù)塑性鉸探討

李鳳影 吳嘉生 張自強(qiáng) 黃林生

(廣州大學(xué)土木工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

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一種橋墩可修復(fù)塑性鉸探討

李鳳影 吳嘉生 張自強(qiáng) 黃林生

(廣州大學(xué)土木工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

提出了一種基于超彈性記憶合金的橋墩可修復(fù)塑性鉸，以某三聯(lián)主線橋?yàn)槔捎肧AP2000結(jié)構(gòu)分析軟件，建立了該橋的結(jié)構(gòu)分析模型，對其進(jìn)行時(shí)程分析，結(jié)果表明：橋墩可修復(fù)塑性鉸能有效地減小墩頂?shù)臍堄辔灰疲掖蟠鬁p小塑性鉸區(qū)的殘余轉(zhuǎn)角。

橋墩，可修復(fù)塑性鉸，記憶合金，混凝土

近10年來，大地震頻發(fā)，如2008年汶川大地震(M8.0)，2009年薩摩亞群島(M8.0)，2010年智利(M8.8)，以及2011年的日本宮城縣海域地震(M9.0)等。道路和橋梁是震后救援人員和救援物資迅速到達(dá)地震災(zāi)區(qū)的重要通道。

橋墩塑性鉸區(qū)域有別于橋墩其他不同部分的區(qū)域，抗震設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)變形需求給予特殊的抗震設(shè)計(jì)。目前的抗震設(shè)計(jì)方法僅僅從減少箍筋間距的角度體現(xiàn)，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足塑性鉸變形的需求。本文將探討一種采用了超彈性記憶合金(下稱SMA)的可修復(fù)塑性鉸的效率，其表現(xiàn)為足夠的能量耗散，降低地震對結(jié)構(gòu)的災(zāi)難性影響，同時(shí)提供自復(fù)位能力來減少橋墩的殘余位移。該鉸利用SMA棒來調(diào)整剛度，由此優(yōu)化橋梁的抗震設(shè)計(jì)[1,2]。此外，該鉸也是便于檢查、維修和更換的部件。

1 橋墩可修復(fù)塑性鉸

1.1 橋墩可修復(fù)塑性鉸的構(gòu)造

這種可修復(fù)塑性鉸用于橋墩的底部，連接擴(kuò)展基礎(chǔ)或樁承臺基礎(chǔ)，如圖1所示。

可修復(fù)塑性鉸有三個(gè)主要部分，如圖2所示。1)第一部分是上鋼承板：一個(gè)鋼墊片連接上部的鋼筋混凝土墩柱。基于承載能力設(shè)計(jì)原理，由于該板受到的巨大荷載將傳遞到混凝土部分，上板應(yīng)與橋墩有足夠的錨固。該板也用來錨定SMA棒[2]。2)鉸的第二部分是下鋼承板：一個(gè)鋼墊片連接到橋臺(鉸通過連接上、下鋼承板的SMA棒來約束彎矩和提供自復(fù)位。SMA棒放置在橋墩核心混凝土截面邊界)。3)鉸的第三部分是外層的多塊預(yù)制混凝土塊，外層混凝土塊包圍住核心混凝土，并由碳纖維布包裹固定。預(yù)制混凝土塊的破壞能消耗能量，且更換簡便。

SMA棒用螺栓連接鋼承板和固定在混凝土可避免該SMA棒的壓縮，從而減小因壓縮而失穩(wěn)的可能性。

1.2 橋墩可修復(fù)塑性鉸的更換步驟

施工時(shí)制作兩套預(yù)制混凝土塊，一套使用，一套備用。更換步驟如下：1)用千斤頂撐出足夠的空間便于清理破壞后的碳纖維布和預(yù)制混凝土塊。2)清理完畢后，在核心混凝土表面涂抹一層環(huán)氧樹脂，將預(yù)制混凝土塊安裝在核心混凝土外圍，預(yù)制混凝土間也用環(huán)氧樹脂涂抹粘連。3)安裝完畢后，在預(yù)制混凝土表面再涂抹一層環(huán)氧樹脂，用碳纖維布包裹，再用環(huán)氧樹脂粘結(jié)固定。4)松開千斤頂，橋梁恢復(fù)使用。

1.3 超彈性形狀記憶合金的特性

SMA超彈性效應(yīng)是由應(yīng)力誘發(fā)的馬氏體相變引起的特殊性能。具體表現(xiàn)為：當(dāng)環(huán)境溫度高于奧氏體相變結(jié)束溫度Af時(shí)，SMA材料相對于其他普通金屬在外荷載作用下具有很強(qiáng)的變形恢復(fù)能力。SMA的可恢復(fù)應(yīng)變高達(dá)6%～8%，極限變形可達(dá)20%，屈服應(yīng)力達(dá)500 MPa左右，材料的極限強(qiáng)度大于1 000 MPa[3,4]。

超彈性SMA的相變溫度低于環(huán)境常溫，以使得超彈性效應(yīng)能在現(xiàn)實(shí)狀況下更好的應(yīng)用發(fā)揮，具體如圖3所示[5]。

1.4 超彈性形狀記憶合金的本構(gòu)

超彈性SMA的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系簡化為如圖4所示(σ為應(yīng)力；ε為應(yīng)變)。

將超彈性SMA的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系換算成恢復(fù)力—位移的關(guān)系(如圖5a)所示)。超彈性SMA的恢復(fù)力—位移的關(guān)系可由一個(gè)彈性模型(如圖5b)所示)與一個(gè)耗能模型(如圖5c)所示)并聯(lián)分析得出[6]。如圖5所示(F為恢復(fù)力；d為位移)。

本文所用模型的SMA應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系、恢復(fù)力—位移關(guān)系如圖6所示[7]。

2 橋墩可修復(fù)塑性鉸的模型計(jì)算

2.1 橋墩可修復(fù)塑性鉸核心混凝土承載力

橋墩塑性鉸處核心混凝土區(qū)域的軸向承載力Nu計(jì)算公式如下[8]：

其中，ASMA為全部縱向超彈性SMA棒的面積；ESMA為SMA的彈性模量；Ec為混凝土的彈性模量。

模型相關(guān)參數(shù)為：

φ=0.79,fc=19.1N/mm2,A=2.835m2,ASMA=0.045 2m2,

ESMA=1.999×105N/mm2,Ec=3.35×104N/mm2。

則Nu=4.22×107N,大于橋墩最大軸向恒載2.51×107N，滿足要求。

2.2 橋墩可修復(fù)塑性鉸模型運(yùn)算結(jié)果

運(yùn)用SAP2000建立某三聯(lián)主線橋的模型，如圖7所示，作比較的傳統(tǒng)塑性鉸選用的材料為：C40混凝土、72根φ28mm的HPB335鋼筋。采用橋墩可修復(fù)塑性鉸的模型下稱新型模型，采用傳統(tǒng)橋墩塑性鉸的模型下稱傳統(tǒng)模型。

對兩模型用時(shí)程方法運(yùn)算，以P5號的數(shù)據(jù)為代表，作以下分析。

2.2.1 墩頂節(jié)點(diǎn)位移

采用不同塑性鉸的橋梁模型，在時(shí)程運(yùn)算后，5號墩的墩頂節(jié)點(diǎn)位移時(shí)程曲線如圖8所示。可見采用橋墩可修復(fù)塑性鉸的模型墩頂位移隨時(shí)間的變化幅度、最大位移、殘余位移都更小。傳統(tǒng)模型的殘余位移為3.812 mm，新型模型的殘余位移0.87 mm，橋墩可修復(fù)塑性鉸使殘余位移減少了77.2%。橋墩可修復(fù)塑性鉸的減小殘余位移的效果優(yōu)于傳統(tǒng)橋墩塑性鉸。

2.2.2 墩底塑性鉸轉(zhuǎn)角

采用不同塑性鉸的橋梁模型，在時(shí)程運(yùn)算后，5號墩的墩底塑性鉸轉(zhuǎn)角時(shí)程曲線如圖9所示。對比兩圖可見采用橋墩可修復(fù)塑性鉸模型的墩底塑性鉸轉(zhuǎn)角隨時(shí)間的變化幅度、最大轉(zhuǎn)角、殘余轉(zhuǎn)角都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于采用傳統(tǒng)橋墩塑性鉸模型的。傳統(tǒng)模型的墩底塑性鉸的最大轉(zhuǎn)角為5.456×10-3rad、殘余轉(zhuǎn)角為1.161×10-3rad，新型模型的墩底塑性鉸的最大轉(zhuǎn)角為2.093×10-3rad、殘余轉(zhuǎn)角為4.014×10-6rad，采用橋墩可修復(fù)塑性鉸使墩底塑性鉸的最大轉(zhuǎn)角減少了61.1%，殘余轉(zhuǎn)角減少了99.8%。可修復(fù)橋墩塑性鉸能極大的減小墩底橋墩塑性鉸的轉(zhuǎn)角。

3 結(jié)語

基于本文模型分析研究，可以得出以下結(jié)論：1)這種橋墩可修復(fù)塑性鉸破壞后的修復(fù)工序簡單、耗時(shí)短，在強(qiáng)震后，能被迅速修復(fù)，使橋梁恢復(fù)通車，為災(zāi)后救援節(jié)省出寶貴的時(shí)間。2)在地震作用下，新型可修復(fù)橋墩塑性鉸外層的預(yù)制混凝土和內(nèi)部的超彈性記憶合金的耗能能力優(yōu)越，能大大地減小橋墩在地震時(shí)的擺動(dòng)幅度，起到了良好地減震作用。3)新型可修復(fù)橋墩塑性鉸能有效地減小墩頂?shù)臍堄辔灰坪退苄糟q轉(zhuǎn)角。

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A pier repairable plastic hinge

Li Fengying Wu Jiasheng Zhang Ziqiang Huang Linsheng

(CollegeofCivilEngineering,GuangzhouUniversity,Guangzhou510006,China)

The paper puts forward a kind of pier repairable plastic hinge on the basis of super-elastic memory alloys. Taking the trigemini bridge as an example, applying SAP2000 structure analysis software, it establishes the bridge structure analysis model, and carries out time-history analysis. Results show that: the pier repairable plastic hinge can effectively reduce residual displacement of the pier top and reduce the residual corner of the plastic hinge area as much as possible.

pier, repairable plastic hinge, memory alloys, concrete

1009-6825(2017)17-0144-03

2017-03-27

李鳳影(1995- )，女，在讀本科生； 吳嘉生(1996- )，男，在讀本科生； 張自強(qiáng)(1996- )，男，在讀本科生; 黃林生(1995- )，男，在讀本科生

U443.22

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