外置耗能器與復位器的自復位橋墩抗震性能研究

王大鵬,梁銀豐

(1.蘇州科技大學 土木工程學院,江蘇 蘇州 215011; 2.江蘇省結構工程重點實驗室,江蘇 蘇州 215011)

0 引 言

傳統鋼筋混凝土橋墩震后殘余位移大,修復成本高[1-2],故研究震后自恢復能力強、修復成本低的搖擺結構是當前工程抗震領域的重要課題。損傷控制的搖擺自復位(RSC)橋墩承臺與橋墩底部之間是搖擺界面,當在強震中發生搖擺時,由預應力筋提供復位,由內置耗能鋼筋或外置耗能器提供耗能降低結構的殘余位移,可降低震后修復成本[3-4]。

國外首先對僅設有無粘結預應力筋和內置耗能鋼筋的RSC橋墩進行了擬靜力試驗,僅設預應力筋的RSC橋墩有幾乎可忽略不計的殘余變形,但耗能較弱[5]。耗能鋼筋可有效提高RSC橋墩的耗能能力,但同時也會提高橋墩的殘余變形[6],且修復成本高。為了便于RSC橋墩的震后修復,學者們開始研究外置耗能器的方案。M.POLLINO等[7]首次將防屈曲支撐(BRB)作為外置耗能器運用于橋墩底部;R.AHMAD 等[8]研究了底部配置BRB的搖擺鋼橋墩,發現配置BRB后,搖擺鋼橋墩的抗側剛度與耗能能力有了大幅提高;魏博等[9]在墩底布置耗能鋼板,通過試驗確定了耗能器材的抗側強度不宜超過40%;石巖等[10]將鉛擠壓阻尼器作為耗能器布置在RSC雙柱墩的墩底,通過擬靜力證明了該方案的可行性,但也發現若耗能部件過多也會造成橋墩震后殘余位移變大。故有學者開始研究可降低殘余位移的方案;張哲熹等[11]對超彈性形狀記憶合金(SMA)拉索RSC橋墩進行了擬靜力試驗,發現在4%位移角加載范圍內,殘余變形可忽略不計;F.CHENG等[12]將SMA構件作為外置復位器,提出了具有外置 SMA碟簧的RSC 橋墩,該外置復位器功能明確,易于更換,可實現對橋墩自復位能力的控制。目前,對外置耗能器的研究已較為成熟,但對于RSC橋墩中外置復位器的研究較少。

筆者設計了一種同時外置耗能器與復位器的自復位(BS-RSC)橋墩。BRB有較大的初始剛度與較小的屈服后剛度[13]和卓越的耗能能力[14],選其作為耗能器;外置復位器選用彈簧,可為內置預應力筋的RSC橋墩提供額外的恢復力,且震后修復較為快捷,成本較低,彌補了預應力筋修復難度大的問題。通過Opensees有限元軟件建立數值模型,進行擬靜力分析與動力時程分析,揭示BS-RSC橋墩的抗震性能。

1 BS-RSC橋墩構造與建模

1.1 BS-RSC橋墩構造

筆者設計的BS-RSC橋墩結構簡圖如圖1。墩底與承臺之間為搖擺界面,預應力筋的夾緊力使橋墩與承臺形成整體,將BRB與彈簧的兩端以鉸連接的方式沿橫橋向安裝在墩底與承臺面上。

圖1 BS-RSC橋墩構造形式

1.2 數值模型建立

數值分析模型以及采用的單元類型如圖2。

圖2 BS-RSC橋墩數值分析模型

橋墩采用彈性梁單元(elastic beam column element)模擬,忽略搖擺界面混凝土擠壓或壓碎產生的微小耗能[10]。預應力筋采用Truss單元模擬,用剛臂將預應力筋頂部節點與橋墩頂部進行耦合,保證預應力筋與墩身協調變形,其本構關系采用 Elastic-PP (elastic-perfectly plastic) 單軸材料。BRB采用 Truss單元模擬,本構關系采用雙線性模型的Steel02模擬;彈簧采用彈性梁單元模擬,BRB與彈簧均通過剛臂與墩身連接。不考慮墩身及耗能器、復位器、預應力筋等構件的自重,僅考慮上部結構自重,用設置于墩頂的集中質量進行模擬。

搖擺界面采用零長度彈簧單元(zero-length elements)模擬,本構材料為Elastic-No Tension 單壓材料。文獻[15]提出,彈簧分布方式分為Gauss積分分布、Lobatto積分分布、均布分布,其中均布方式建模效率高吻合程度好,當彈簧個數達到12～20個時,模擬結果趨于穩定值。采用均布方式建模,彈簧個數取12個,單個彈簧剛度的計算為:

(1)

式中:Ec為混凝土彈性模量,MPa;A為橋墩截面的面積,mm2;n為零長度彈簧單元的個數;H為橋墩高度,mm。

1.3 數值模型驗證

選取文獻[6]中的PT1試件與HBD1試件進行數值模型驗證。圖3(a)為PT1試件的Pushover曲線對比,由于忽略墩底在搖擺過程中發生的損壞,所以模擬曲線剛度與實際試驗相比偏大;圖3(b)為HBD1試件的滯回曲線對比,可見模擬曲線與試驗結果基本達到吻合,證明該數值模型可準確模擬RSC橋墩的反應。

圖3 數值模型模擬結果與試驗的對比

文獻[13]對國標Q235熱軋鋼材BRB進行了循環拉壓試驗,選取試件C1的滯回曲線進行驗證,如圖3(c)。

2 BS-RSC橋墩擬靜力分析

根據工程實際,擬靜力分析中所選取墩身的橋墩截面寬度B=0.9 m,橋墩高度H=5.0 m,混凝土強度為C70,預應力筋面積為2×648 mm2,預應力筋配筋率為0.16%。取外置耗能器BRB的屈服強度、外置復位器彈簧的剛度及上部結構自重產生的軸壓比與預應力筋預張拉力產生的軸壓比為研究參數,通過整理15根RSC橋墩試件的信息[6,10,16,17,18,19],發現預張拉力和上部結構自重產生的軸壓比設置范圍分別為0.03～0.09和0.026～0.100。鑒于此,筆者設計的試件分組情況如表1。

表1 試件分組情況

2.1 擬靜力分析結果

利用Opensees軟件開展BS-RSC橋墩的擬靜力分析,探討不同研究參數對BS-RSC橋墩滯回性能的影響,如圖4。

圖4 不同參數對BS-RSC橋墩滯回曲線的影響

圖4(a)為BRB屈服強度為365、668、760 kN時的BS-RSC橋墩滯回曲線。隨著BRB屈服強度增大,橋墩強度逐漸增加,滯回環的面積也逐漸增大,說明橋墩整體耗能能力有增加。

圖4(b)為彈簧剛度為0、10、20 kN/mm時的BS-RSC橋墩滯回曲線。隨著彈簧剛度增大,橋墩殘余變形逐漸減少,橋墩屈服后剛度也逐漸升高,橋墩強度進一步提高,同時滯回環也逐漸變得細長且不飽滿,說明彈簧剛度增加雖會減小殘余變形,但可能對橋墩耗能能力產生消極影響。

由圖4(c)和圖4(d)可看出:兩種荷載產生的軸壓比對滯回曲線的影響基本相同,隨著軸壓比的增大,殘余變形明顯減少;滯回環面積有所降低,即耗能降低,說明在BS-RSC橋墩抗震設計中,軸壓比取值不宜過大。

根據分析結果,上部結構自重與預應力筋預張拉力產生的總軸壓比的取值范圍宜為0.06～0.09。

2.2 彈簧剛度對耗能能力的影響

圖5為彈簧剛度對BS-RSC橋墩累計耗能的影響。由圖5可知:隨著彈簧剛度的增加,BS-RSC橋墩的累計耗能有少量降低。在低加載位移下,損耗極低;在最高加載位移下,彈簧剛度為40 kN·mm的BS-RSC橋墩相比于0 kN·mm時的情況下會有4 938.9 kN·mm的耗能損耗,但相對于高達150 000 kN·mm的累計耗能值而言,損耗不會產生顯著影響。這說明雖在滯回曲線外觀上,彈簧剛度的提升會造成滯回環的不飽滿,但通過計算可知并不會引起橋墩累計耗能的顯著降低,耗能能力取決于BRB的屈服強度。分析結果進一步證明:BRB與彈簧分工明確,BRB能顯著提高橋墩耗能能力,控制彈簧剛度可在不影響整體耗能下控制殘余位移。

圖5 彈簧剛度對BS-RSC橋墩累計耗能的影響

3 BS-RSC橋墩動力時程分析

通過擬靜力分析,探究了不同研究參數對BS-RSC橋墩滯回性能的影響,但施加往復荷載的擬靜力分析并不能完全反映結構在地震動下的真實反應,故對BS-RSC橋墩進行動力時程分析,以探討不同研究參數對BS-RSC橋墩地震動響應的影響,地震動指標選取墩頂位移與殘余位移。

3.1 地震波的選取與分析方法

研究對象所在場地的抗震設防烈度為8度,場地類型為Ⅱ類,設防級別為B級。基于規范反應譜,選取4條天然波、1條人工波(記為R波)作為加載地震波,數據如表2。按照罕遇地震進行調幅,目標峰值加速度為0.51g,得到符合中國規范的地震波,各地震波反應譜平均值與規范反應譜如圖6,縱坐標中S代表設計加速度反應譜,橫坐標中T代表周期。可見所選的地震波與目標反應譜吻合良好。

表2 地震波數據

采用Opensees有限元軟件進行動力時程分析,阻尼采用Rayleigh阻尼,阻尼比取為5%,積分法采用Newmark-β法,其中β=0.5,γ=0.25。當墩頂位移角(墩頂位移與墩高的比值)超過5%或殘余位移角(殘余位移與墩高的比值)超過1%時認為橋墩已經破壞[20];當預應力筋應力超過極限強度即1 860 MPa的80%時,預應力筋已喪失工作能力,此時也認為橋墩破壞[21]。

3.2 動力時程分析

橋墩試件分組如表3。選取表中YS304-5、YS608-5試件來研究橋墩高度為5 m時BRB屈服強度的影響,選取YS608-5、K40-5來研究橋墩高度為5 m時彈簧剛度的影響。然后提高墩高至9 m,重復以上工作,以探究高墩是否也具備穩定的性能。

表3 橋墩試件參數

施加表2中5種不同的地震波,得到不同地震波下的墩頂位移時程曲線,以墩高為5 m的試件的時程曲線為例,如圖7、圖8。全部試件的詳細地震動響應數據如表4,其括號內為相應的最大墩頂位移角、殘余位移角。

表4 動力時程分析結果

圖8 彈簧剛度對墩頂位移的影響

根據3.1節中的破壞準則,各試件均未發生破壞。兩種高度的橋墩在地震過程中的最大墩頂位移角均在2%左右,遠低于5%的破壞界限,這說明BS-RSC橋墩在地震過程中具有穩定的抗震性。

對于墩高為5 m的試件,隨著BRB屈服強度的增加,墩頂位移有效降低,最大墩頂位移得到顯著降低,BRB屈服強度提高為原來的2倍時,最大墩頂位移均可下降為原來的65%左右,殘余位移也隨著BRB屈服強度的提高而降低。根據表4,在Borrego波、San Fernando波加載下,彈簧的使用會提高最大墩底位移,但最大墩頂位移角遠低于破壞界限。5 m試件的殘余位移都處于較低的值,所以彈簧對殘余位移的影響相對微弱,但仍有降低的趨勢。但9 m試件的殘余位移相對較高,可以明顯發現彈簧能夠顯著降低震后殘余位移。

對于墩高為9 m的試件,最大墩頂位移與BRB屈服強度之間的關系并不密切,原因是在墩高過高情況下,BRB產生的應變相響應降低,所以BRB可能在地震波加載下仍處于彈性階段或只參與微弱的耗能。對于BS-RSC橋墩,墩高不宜過高,這不僅是為了能夠更好的利用BRB的耗能能力,也是為了防止單柱墩發生失穩破壞。

4 結 論

1)采用防屈曲支撐(BRB)作為外置耗能器,以彈簧為外置復位器的自復位(BS-RSC)橋墩,滯回曲線且呈飽滿的“旗幟形”,展現出較強的滯回性能,BRB屈服強度的提高能有效提高橋墩耗能。

2)增加彈簧剛度后,BS-RSC橋墩滯回曲線變得細長而不飽滿。但通過定量計算,發現彈簧剛度的增加雖然會引起滯回環不飽滿,但累計耗能并沒有明顯降低。說明控制彈簧剛度可在不影響整體耗能下控制殘余位移。

3)對BS-RSC橋墩進行動力時程分析,結果表明:在罕遇地震下,BRB屈服強度提高為原來的2倍時,最大墩頂位移可下降為原來的65%左右;殘余位移也處于低值。說明BS-RSC橋墩是一種分工明確,損傷可控的新型橋墩。

4)BS-RSC橋墩的墩高不宜過高,過高會導致BRB的耗能能力得不到充分利用。