裝配式鋼管混凝土自復位橋墩恢復力特性分析

張雙城（中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西 西安 710043）

隨著延性抗震向韌性抗震發展，功能可恢復結構成為國內外工程抗震設計的選擇。進入新時代，預制拼裝技術是實現橋梁建設“又好又快”要求的有效途徑[1]。基于“韌性抗震”的設計理念和橋梁快速建造技術，發展裝配式自復位橋墩是未來橋梁建設領域的重要發展方向[2]。

為了降低裝配式自復位橋墩節段間接縫處混凝土的損傷，賈俊峰等[3]提出了預制拼裝CFST自復位橋墩，通過擬靜力試驗驗證了混凝土外包鋼管在提高抗震性能和底部容許損傷能力方面的優勢，但該結構體系耗能能力較低；為了提高裝配式CFST自復位橋墩的耗能能力，考慮到耗能構件震后的可更換，外置耗能鋼筋的裝配式CFST自復位橋墩被提出。和內置的耗能鋼筋相比，外置的耗能裝置（如耗能鋼筋），由于距離轉動中心更遠，除了具備足夠的耗能能力外，還可以提供更充分的抗側剛度和承載力，震后易更換，保證橋墩的震時功能可持續，震后功能可恢復。

1 纖維模型建立

采用Opensees平臺建立如圖1所示的裝配式CFST自復位橋墩的纖維模型。

圖1 裝配式CFST自復位橋墩纖維模型

1.1 CFST節段的模擬

CFST節段（承重構件）采用基于剛度法的DispBeamColumn單元，通過纖維截面模擬鋼管、核心混凝土和內部有粘結的耗能鋼筋的相互作用。其中，混凝土的本構采用OpenSees平臺提供的Concrete01材料模型，該材料基于Kent-Scott-Park連續性模型，不考慮混凝土的抗拉強度為0，應力應變關系如圖2（a）所示：為混凝土達到峰值應變時對應的峰值抗壓強度，對于鋼管混凝土取考慮約束效應的混凝土的峰值應力；f'c為混凝土達到極限壓應變時的殘余抗壓強度，取考慮約束效應的混凝土的峰值應力；fu為混凝土達到極限壓應變時的殘余抗壓強度，取峰值強度的0.8倍。鋼管和有粘結的耗能鋼筋的本構采用Steel02單軸材料本構，如圖2（b）所示，該本構能反應鋼材的包興格效應和等向強化效應。其中，fy為鋼材的屈服強度，Es和Ep分別為鋼材的初始彈性模量和屈服后切線模量（一般Ep取Es的0.01倍），R是一個用來控制彈性到塑性過度的參數。

1.2 無粘結預應力筋的模擬

無粘結預應力鋼筋（自復位構件）采用CorotTruss單元，與橋墩分離建模。和Truss單元相比，CorotTruss單元可以更好地考慮幾何非線性的影響。預應力鋼筋的頂部和橋墩共享節點，底部固定。本構關系選用Opensees中的Elastic-PP單軸材料本構，通過設置初應變的方式施加預應力。其應力應變關系如圖2（c）所示：εP和εN分別表示正向屈服應變和負向屈服應變，ε0表示初始應變。

1.3 接縫的模擬

采用ZeroLength單元和ZeroLengthSection單元并配以Elas?tic-No Tension材料模擬接縫（接縫構件），并限制水平位移。單壓材料的本構如圖2（d）所示。利用單壓材料的不抗拉模擬底節段和承臺以及上部節段間的分離和轉動。單壓材料的剛度表征了接縫處節段的轉動能力，取接縫處混凝土的彈性模量。

圖2 纖維模型相關材料本構

1.4 耗能鋼筋的模擬

耗能鋼筋(耗能構件)的無粘結段采用桁架單元進行模擬，與橋墩分離建模，本構采用Steel02單軸材料本構，不考慮鋼筋和混凝土變形不協調產生的應變滲透效應以及受壓鋼筋的屈曲。為了使耗能鋼筋與橋墩變形協調，在同一高度處采用RigidLink?Beam單元與梁柱單元連接。

2 恢復力特性分析

2.1 內外置耗能CFST自復位橋墩恢復力特性曲線對比

圖3給出了耗能鋼筋內置和外置兩種不同布置方式時CFST自復位橋墩骨架曲線的對比，可以發現兩者在承載力和剛度方面存在較大差異。特別的，從表1可以看出，和內置耗能鋼筋相比，外置耗能鋼筋的橋墩屈服和極限承載力分別提高2.682%和9.700%，初始彈性剛度和屈服后剛度分別提高20.778%和12.018%，驗證了外置耗能鋼筋在承載力和抗側剛度方面的優勢。

圖3 內外置耗能鋼筋橋墩骨架曲線對比

表1 內外置耗能鋼筋相關力學參數的對比

2.2 耗能鋼筋布置角度α的影響

為進一步研究耗能鋼筋布置角度對裝配式CFST自復位橋墩恢復力特性的影響，引入耗能鋼筋的抗側強度貢獻率λED，可以表示為：

式中，V和V0分別表示考慮耗能鋼筋和不考慮耗能鋼筋的最大側向承載力。

具體地，如圖4所示，在保持耗能鋼筋的配筋率相同的條件下，通過改變耗能鋼筋的布置角度可以分擔不同的設計彎矩，即提供不同的抗側強度貢獻率λED。尤其可以通過表2可以看出，當外置耗能鋼筋的布置角度從90°改變為45°和60°時，極限承載力提高7.39%和10.32%，彈性剛度增大16.25%和20.70%。和不布置耗能鋼筋的橋墩相比，布置角度分別為45°、60°和90°時耗能鋼筋分擔的設計彎矩分別為25.62%，27.6%和20.12%。顯然，當外置耗能鋼筋的布置角度在60°左右時，可以分擔更多的設計彎矩。

圖4 外置耗能鋼筋布置角度α對骨架曲線及λED的影響

表2 外置耗能鋼筋布置角度對相關力學參數的影響

3 結語

（1）對于裝配式CFST自復位橋墩，耗能鋼筋外置比內置可以提供更優越的承載力和抗側剛度，且震后方便更換，保證橋梁結構體系的功能可恢復。

（2）當外置耗能鋼筋的布置角度為60°時，可以最大程度分擔設計彎矩，降低橋墩的損傷。