節(jié)段拼裝雙柱墩梁橋動力響應時程分析

■范延靜 蔡東貴 林錦德 陳彩藝

（福州大學土木工程學院，福州 350116）

1 概述

目前，相當多的跨海橋引橋和城市高架橋采用了節(jié)段拼裝施工技術。如東海大橋[1]，其海上段20多公里的梁橋墩身采用節(jié)段拼裝施工技術。預制安裝施工技術的應用，加快了海橋梁的施工速度，增加安全性和耐久性，也更加可靠和環(huán)保等[2]。國外的節(jié)段技術起步早，我國預制節(jié)段拼裝技術研究和應用相對較少，已有的應用和研究主要集中在上部結構[3-4]，對于下部結構，目前總體上還處于初步的探索階段。隨著節(jié)段拼裝橋墩施工工藝的發(fā)展，越來越多的科研人員開始了節(jié)段拼裝橋墩抗震性能的研究。

目前的研究主要集中裝配式墩的試驗和計算分析方法方面，如1999-2004年，德克薩斯大學進行了節(jié)段拼裝橋墩的試驗研究[5-7]。2012年美國紐約州立大學布法羅分校Petros Sideris等[8]采用搖擺-滑頭組合節(jié)段拼裝接頭進行了大比例尺的振動臺試驗研究。2013年Motaref S，Saiidi M S等[9]在節(jié)段拼裝橋墩塑性鉸區(qū)采用高性能材料進行了振動臺破壞試驗。在國內(nèi)，2011年高婧等[12]進行了節(jié)段拼裝橋墩的循環(huán)荷載試驗。2013年賴安靜等[13]進行了裝配式鋼筋混凝土橋墩的力學性能分析。2014年劉鑫等[14]進行了干接縫節(jié)段拼裝橋墩抗震性能地震臺試驗研究，用OpenSees程序進行模擬，給出了節(jié)段拼裝橋墩在不同水平力作用下的結構地震反應的差異。2015年，王軍文等[16]進行了預應力混凝土空心墩擬靜力試驗與數(shù)值分析。對4個空心墩模型進行擬靜力試驗研究，利用OpenSees軟件，采用纖維梁柱單元模擬各空心墩在擬靜力荷載下的力學行為。

可以看出，目前對于裝配式墩橋梁整體抗震性能的分析較少。因此，利用OpenSees建立采用整體式墩和裝配式墩的連續(xù)梁橋，比較了兩者抗震性能的差異，以期為預制拼裝雙柱墩梁橋的抗震設計及工程應用提供依據(jù)。

2 兩跨連續(xù)梁橋基本情況

所研究橋梁為兩跨連續(xù)梁，單向4車道設計，上部結構由5片小箱梁組成，橋墩直徑為1.25m，墩柱高為8.3m。不考慮基礎的具體形式。橋型布置如圖1所示，橋梁上部結構橫截面如圖2所示，蓋梁橫截面尺寸如圖3所示。橋梁混凝土實際強度為C40，抗壓強度標準值為26.8MPa。縱筋采用直徑為24mm的HRB400熱軋鋼筋（三級鋼），抗拉強度標準值為400MPa；箍筋采用直徑10mm的R235（I級光圓鋼筋），抗拉強度標準值為235MPa。

圖1 橋型布置圖

原橋橋墩采用現(xiàn)澆混凝土雙柱墩，為比較研究，采用了裝配式混凝土雙柱墩，立柱與蓋梁的連接采用灌漿波紋管連接。

圖2 橋梁上部結構橫截面

圖3 蓋梁橫截面圖

3 OpenSees橋梁計算模型

3.1 模型的基本情況

OpenSees橋梁計算模型簡圖見圖4，各部分具體建模情況如下：

（1）主梁：不考慮主梁的非線性因素，采用程序中的Elastic BeamColumn單元來模擬主梁，材料為單軸彈性材料。將5根小箱梁等效為一根主梁，賦予主梁的截面特性為5根小箱梁的組合，根據(jù)計算，主梁每延米重190.9kN/m，橋跨為25m，一跨平均分為10個單元，每個單元長度為2.5m。橋梁結構采用集中質(zhì)量模型，將每個單元的質(zhì)量平均分到兩側節(jié)點上。主梁放置在雙柱墩蓋梁的中心位置，用支座將主梁與蓋梁進行連接。

（2）橋墩：考慮橋墩的材料非線性因素，橋墩采用程序中Nolinear BeamColumn單元來模擬，混凝土材料為Scott、Park 等修正的 Kent-Park 模型（Concrete02），縱筋材料為Giuffre-Menegotto-Pinto模型 （Steel02）。 墩柱高為8.3m，沿高度方向建立兩個非線性梁柱單元。對于整體現(xiàn)澆雙柱墩梁橋，模型參數(shù)與設計參數(shù)一致，同時考慮橋墩的二階效應；對于節(jié)段拼裝雙柱墩梁橋，模型中還要考慮墩底、墩頂接縫處數(shù)值模擬，采用的模擬方法為分段式建模方法，在接縫處用數(shù)根并聯(lián)彈簧模擬接縫的力學行為，其他設計參數(shù)不變。

（3）支座：目前OpenSees程序?qū)χё哪M主要有以下兩種方法：用零長度單元模擬支座，6個方向分別取不同的剛度值；采用Elastomeric Bearing Element單元等進行模擬。本文采用第一種方法來模擬支座，不考慮支座的非線性特性，對支座進行簡化處理，支座采用Zero Length單元進行模擬。主梁與三個雙柱墩連接形式不同：（a）中間雙柱墩為主梁與蓋梁固結，僅放松橋梁橫橋向的彎曲變形，保證橋梁在支座處可以正常自由變形。（b）兩側的雙柱墩，主梁與蓋梁的連接方式，除了放松橋梁橫橋向的彎曲變形，同時放松沿橋梁順橋方向的平動，保證梁橋的自由變形。

圖4 OpenSees橋梁計算模型簡圖

3.2 地震波選取

地震波選用El-Centro（N-S）原始波，輸入方式為雙向輸入，在橋梁橫橋向?qū)Φ卣鸩ㄟM行0.85倍幅值折減，不考慮豎向地震波輸入，采用經(jīng)典Rayleigh阻尼，阻尼比設為0.05。雙柱墩梁橋的地震波輸入工況見表1。

表1 地震波輸入工況

4 雙柱墩兩跨連續(xù)梁橋地震響應結果

通過雙柱墩兩跨連續(xù)梁橋非線性動力時程分析，得到整體現(xiàn)澆雙柱墩連續(xù)梁橋和節(jié)段拼裝雙柱墩連續(xù)梁橋在不同地震動作用下中墩墩頂位移時程曲線和滯回曲線。

圖5給出了在0.3g和0.5g地震動PGA作用下，兩種連續(xù)梁中墩墩頂位移時程曲線對比圖。圖5給出了在在不同地震動PGA作用下，兩種連續(xù)梁橋中墩墩頂位移峰峰值對比。可以看出，節(jié)段拼裝雙柱墩連續(xù)梁橋的墩頂位移大于整體現(xiàn)澆雙柱墩連續(xù)梁橋，在PGA為0.8g時，節(jié)段拼裝雙柱墩連續(xù)梁橋的X向中墩墩頂位移增加幅值約大25%，Y向中墩墩頂位移增加幅值約大30%。

圖7給出了0.3g地震動PGA作用下，兩種連續(xù)梁橋跨中墩頂位移滯回曲線。圖8給出了不同地震動PGA作用下，兩種連續(xù)梁橋中墩墩頂殘余曲線對比圖。從圖7可以看出，節(jié)段拼裝雙柱墩連續(xù)梁橋的剛度值小于整體現(xiàn)澆雙柱墩連續(xù)梁橋，滯回曲線形狀基本一致。從圖8可以看出，在峰值加速小于0.3g時，節(jié)段拼裝雙柱墩連續(xù)梁橋的殘余小于整體現(xiàn)澆雙柱墩連續(xù)梁橋；在峰值加速大于0.3g時，節(jié)段拼裝雙柱墩連續(xù)梁橋的殘余變形略大于整體現(xiàn)澆雙柱墩連續(xù)梁橋。由于節(jié)段拼裝雙柱墩連續(xù)梁橋的墩頂位移遠大于整體現(xiàn)澆雙柱墩連續(xù)梁橋，而且節(jié)段拼裝雙柱墩連續(xù)梁橋中沒有預應力筋等自復位材料單元的存在，在墩頂位移相差較多情況下，殘余位移基本保持一致，說明節(jié)段拼裝雙柱墩梁橋有一定的震后自復位能力。

圖5 墩頂位移時程曲線對比圖

圖6 中墩墩頂位移峰峰值對比圖

圖7 PGA為0.3g時兩種連續(xù)梁橋中墩墩頂位移滯回曲線

圖8 兩種連續(xù)梁橋中墩墩頂殘余位移對比圖

5 結論

通過雙柱墩兩跨連續(xù)梁橋非線性動力時程分析，得到整體現(xiàn)澆和節(jié)段拼裝雙柱墩連續(xù)梁橋在不同地震作用下的地震響應。對比分析可知：

（1）隨著PGA的增加，整體現(xiàn)澆和節(jié)段拼裝雙柱墩連續(xù)梁橋墩頂位移相差的越加明顯。在地震波PGA為0.8g時，節(jié)段拼裝雙柱墩連續(xù)梁橋的X向中墩墩頂位移幅值約大25%，Y向中墩墩頂位移幅值約大30%。節(jié)段拼裝雙柱墩連續(xù)梁橋的剛度值小于整體現(xiàn)澆雙柱墩連續(xù)梁橋。

（2）通過對比整體現(xiàn)澆和節(jié)段拼裝雙柱墩連續(xù)梁橋在不同地震荷載作用下的地震響應和相同地震荷載作用下地震響應的差異，節(jié)段拼裝雙柱墩連續(xù)梁橋在地震荷載作用下墩頂位移峰值較大，同時節(jié)段拼裝雙柱墩連續(xù)梁橋擁有一定的震后自復位能力，為節(jié)段拼裝雙柱墩的實際應用提供參考。

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