新型自復(fù)位橋梁墩柱節(jié)點體系力學性能分析

新型自復(fù)位橋梁墩柱節(jié)點體系力學性能分析

近年來，基于性能設(shè)計的橋梁抗護理研究和設(shè)計越來越注重提高橋梁結(jié)構(gòu)的地震評價性能，確保交通生命線的暢通，并通過巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計將盡量減少地震損失。與上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)承臺相比,橋墩抗震性能更加重要。過去基于延性的橋墩設(shè)計主要著眼于確保結(jié)構(gòu)在遭遇極端荷載的情形下(如地震、爆炸、車船碰撞等)的結(jié)構(gòu)安全,并沒有對短暫的極端荷載作用過后的結(jié)構(gòu)性能給予足夠的重視。在地震過后,即便結(jié)構(gòu)不發(fā)生倒塌,也會因為發(fā)生了過大的不可恢復(fù)的塑性殘余變形,而最終仍然需要被拆除、重建。1995年兵庫縣南部地震中大約250座鋼筋混凝土橋墩柱和20座鋼橋墩柱在強震中倒塌;100余座橋墩因為墩柱傾斜超過1°或者頂部偏移超過1.75%,影響了繼續(xù)服役的性能需求而被拆除,造成了巨大的經(jīng)濟損失,這個教訓引發(fā)了Macrae等(1997)對殘余變形的研究,Kawashima等(1998)為抗震設(shè)計建立了殘余變形響應(yīng)譜。在過去基于延性設(shè)計中的混凝土墩柱或者鋼墩柱中,預(yù)設(shè)的截面延性變形機制主要通過墩柱的結(jié)構(gòu)材料如鋼材或者混凝土的屈服形成截面塑性鉸來實現(xiàn),在中等地震強度的情況下就會發(fā)生,導(dǎo)致不可忽略的殘余變形,帶來了4點不足:1)截面延性變形過大且難以局部恢復(fù),導(dǎo)致需要被整體拆除;2)即便延性變形在限值以內(nèi),設(shè)計截面的承載力和剛度都出現(xiàn)了明顯的下降,對繼續(xù)服役造成不利的影響;3)對于交通生命線上的橋墩拆除和重建會阻礙震后交通恢復(fù)通行;4)直接造成巨大的經(jīng)濟損失。在這樣的現(xiàn)實狀況下,工程界需要尋求更加先進的設(shè)計方案以及更為嚴格的橋梁抗震設(shè)計規(guī)范準則(見Kawashima等(1994))。如圖1所示,人體骨架自由活動關(guān)節(jié)依賴于肌肉、肌腱等約束來傳遞荷載,支撐身體運動;卸載后保證骨頭復(fù)位。本文基于性能設(shè)計的思想,類似地在橋梁墩柱節(jié)點的設(shè)計中,著眼于控制殘余變形,設(shè)置相應(yīng)的機制保證復(fù)位,提出了一系列新型自復(fù)位橋梁墩柱節(jié)點體系。1新型自復(fù)位橋梁墩柱節(jié)點早在1996年,美國華盛頓大學的Stanton就提出了混合預(yù)制框架系統(tǒng)這一概念,該系統(tǒng)選用無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋與普通粘結(jié)鋼筋共同受力的方式,經(jīng)過大量實驗,得出了混合預(yù)制混凝土框架在地震中的受力性能并不弱于傳統(tǒng)現(xiàn)澆框架這一結(jié)論。Christopoulos等(2002)通過循環(huán)加載實驗,驗證了具有自復(fù)位能力的鋼框架體系的優(yōu)越性能,他對安裝有沿梁長分布的自復(fù)位鋼絞線以及安裝在梁上翼內(nèi)側(cè),并沿梁長分布耗能鋼筋的框架梁柱節(jié)點進行了模擬分析和實驗研究。Priestley等(1999)將該雜交概念從框架推廣到了剪力墻體系。在橋梁墩柱節(jié)點方面,Palermo等(2008)做了較多工作,他們進行了大量自復(fù)位橋梁墩柱節(jié)點的擬靜力推拉實驗和非線性時程分析,并將單自由度的墩柱節(jié)點推廣到了多自由度的整橋簡化模型,在數(shù)值模擬方面,他們選用簡化的彈簧模型來模擬自恢復(fù)節(jié)點的性能,所得結(jié)果與實驗吻合較好。為了強化橋梁結(jié)構(gòu)自復(fù)位的能力,通過研究延性節(jié)點構(gòu)造以及橋梁的非線性響應(yīng)(見Kawashima等(1994)),學者開始關(guān)注殘余變形的度量和相關(guān)研究(見Kawashima等(1998)),并且逐步形成了基于性能設(shè)計在橋梁中的指標。與此同時,Palermo等(2005)給出了以Hybrid橋梁體系為代表的結(jié)構(gòu)方案,采用平齊端面對接,外加貫穿全墩柱軸心位置的預(yù)應(yīng)力鋼束進行墩柱與基礎(chǔ)連接。這個方案減小了墩柱的殘余變形,但是帶來2個問題:1)通長的預(yù)應(yīng)力鋼束對墩柱穩(wěn)定性有不利影響,特別是鋼墩柱,由于穩(wěn)定性的限制無法應(yīng)用實施;2)端面平齊對接,剪力傳遞依賴于界面摩擦,缺乏更為可靠的剪力傳遞機制,體系穩(wěn)定性較差,且可能造成高應(yīng)力狀態(tài)下預(yù)應(yīng)力鋼束的剪切破壞。如圖2所示,新型自復(fù)位橋梁墩柱節(jié)點采用了墩柱端中部相互咬合鑲嵌、外圍平面抵緊的墩柱端部接頭設(shè)計,墩柱軸心位置采用了無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼束施加預(yù)應(yīng)力,形成墩柱與基礎(chǔ)頂面的可靠連接。這里給出墩柱端接頭的兩類形式:錐入式關(guān)節(jié)接頭和球入式關(guān)節(jié)接頭(如圖3所示)。采用這些鑲嵌式的接頭,能夠保證墩柱端的剪力傳遞機制,限制柱端滑移,保護預(yù)應(yīng)力鋼索不受剪切損壞,從而形成更加可靠的連接。為了保證該關(guān)節(jié)截面有足夠的能量耗散能力,在截面周邊設(shè)置了足夠的屈服耗能組件,保證截面有足夠的延性耗能能力。如圖4所示,墩柱長細比較小時,在不影響橋墩穩(wěn)定性的情況下,預(yù)應(yīng)力鋼束可以貫穿全墩柱;墩柱長細比較大時,貫穿設(shè)置方式由于可能對墩柱的穩(wěn)定性造成明顯不利的影響,因此需要采用僅在墩柱端部設(shè)置預(yù)應(yīng)力鋼束的柱端局部式(見圖4)。新型自復(fù)位橋梁墩柱節(jié)點作為一種預(yù)設(shè)變形機制的橋梁力學體系,可以適用于當前橋梁墩柱的各類工程材料和形式。通過制作適當?shù)亩罩祟^,墩柱節(jié)點可以應(yīng)用于混凝土柱、鋼柱、鋼管混凝土柱、FRP約束混凝土柱等諸多結(jié)構(gòu)類型,適用面廣。由于新型自復(fù)位橋梁墩柱的柱端局部式(見圖4)節(jié)點有效消除了自復(fù)位預(yù)應(yīng)力鋼束對墩柱特別是柔性墩柱的整體穩(wěn)定性的消極影響,結(jié)構(gòu)更為安全,施工更為靈活,適用性強;而貫穿式又可以看成柱端局部式的一種特例,因此本文的分析將集中討論柱端局部式的自復(fù)位橋梁墩柱節(jié)點。2自復(fù)位墩柱節(jié)點如圖5所示,自復(fù)位橋梁墩柱節(jié)點的典型體系的預(yù)應(yīng)力施加方式為端部局部式,墩柱端部接頭采用了球入式接頭來實現(xiàn)剪力傳遞、保護預(yù)應(yīng)力鋼束,保證墩柱定位限位。在彈性范圍內(nèi),小變形下的墩柱端截面彎矩為:其中,MG、MU、Mys分別為結(jié)構(gòu)自重、預(yù)應(yīng)力和耗能構(gòu)件提供的截面彎矩貢獻項。結(jié)構(gòu)自重提供的彎矩MG為:其中:;Gsup為上部結(jié)構(gòu)自重,實際分析中,可以是上部結(jié)構(gòu)永久荷載與活荷載的最不利設(shè)計工況組合值;Gc為墩柱本身結(jié)構(gòu)自重;BT為橫橋向墩柱寬度。相應(yīng)地,BL為縱橋向墩柱寬度;d為接頭截面局部屈服寬度,按照(2%~5%)BT取值;H為計算墩柱高,為基礎(chǔ)頂面到上部結(jié)構(gòu)重心的垂直距離;Hc為自復(fù)位橋梁墩柱節(jié)點柱高;θ為墩柱端面轉(zhuǎn)角。如圖5預(yù)應(yīng)力鋼束截面積為AU,設(shè)無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼束的彈性模量為EU,則預(yù)應(yīng)力彎矩貢獻項為:其中:lU為預(yù)應(yīng)力鋼束長度;N0為初始預(yù)應(yīng)力。耗能組件可以采用常用的熱軋鋼筋、球墨鑄鐵等延性好的材料制作,則鋼筋在彈性變形階段提供的彎矩貢獻項為:其中:Eys1為耗能組件彈性模量;Ays1為耗能組件的面積;Lys1為截面鋼筋拉壓耗能影響長度,與耗能鋼筋預(yù)留無粘結(jié)段有關(guān)。把式(2)、式(3)、式(6)代入式(1)中,可以得到小變形彈性范圍內(nèi)墩柱端截面承載力。當θ＝0時,墩柱端面抗彎承載力為:若取d=0.04BT,則式(7)近似為:這種情況相當于墩柱完全固接邊界條件,由于預(yù)應(yīng)力和自重的預(yù)壓,當墩柱端面彎矩M≤M0的時候,無彈性轉(zhuǎn)角出現(xiàn),自復(fù)位墩柱節(jié)點處于彈性無墩柱端面轉(zhuǎn)角狀態(tài)。當θ＞0時,類似于材料穩(wěn)定性的要求,為了保證受力截面以及墩柱體系的穩(wěn)定性,要求滿足:局部穩(wěn)定性臨界轉(zhuǎn)角為局部穩(wěn)定性最低要求(見圖6)。墩柱端截面為小轉(zhuǎn)角時候,局部線性化M,則可以得到一階導(dǎo)數(shù)需要滿足非負條件:式中,KU=EUAU/lU和Kys1=Eys1Ays1/Lys1分別為無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼束和耗能鋼筋的彈性貢獻。從式(10)可以得到維持自復(fù)位橋墩局部穩(wěn)定性,預(yù)應(yīng)力鋼筋長度滿足:其中:式(11)反映了對無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼束長度要求,如果預(yù)應(yīng)力鋼束的有效長度太長,例如貫穿式布置,則有可能無法復(fù)位。為了保證預(yù)備足夠的轉(zhuǎn)動復(fù)位能力,在選定了預(yù)應(yīng)力鋼束的截面積或者鋼絲數(shù)目的情況下,必須限制預(yù)應(yīng)力鋼束錨固端間的長度,保證足夠的剛度。通過設(shè)置耗能組件,自復(fù)位墩柱節(jié)點的滯回耗能性能優(yōu)異,塑性耗能集中可控,且截面整體體現(xiàn)出零殘余變形的特性。不失一般性,假設(shè)耗能鋼筋本構(gòu)為理想彈塑性鋼材本構(gòu)關(guān)系,不考慮應(yīng)變硬化的Bauschinge效應(yīng),則單周滯回曲線如圖7所示,滯回曲線在0點處體現(xiàn)出很好的攏緊特點,無殘余變形。實際工程應(yīng)用中,端部鑲嵌式接頭可以采用高強混凝土澆制,也可以采用鋼材制作。由于混凝土的抗拉強度較低,在局部承壓時,由于應(yīng)力集中等綜合因素,容易被壓潰導(dǎo)致預(yù)設(shè)變形機制失效,為了更好地避免這種現(xiàn)象出現(xiàn),建議采用高性能鋼材(如HPS50W,HPS70W甚至HPS90W)來制作鑲嵌接頭,使得預(yù)設(shè)變形機制能得到有效保證和實現(xiàn),使得結(jié)構(gòu)更加安全可靠。3新型自復(fù)位橋梁墩與傳統(tǒng)橋墩配筋設(shè)計對比分析為了滿足公路一級橋梁抗震要求,并著眼于更強的結(jié)構(gòu)性能,本文基于性能設(shè)計,以位移控制為設(shè)計目標,頂部殘余偏移限值取1.5%墩柱高,設(shè)計如圖8所示的單墩自復(fù)位墩柱節(jié)點橋。有效計算墩高H=500cm,為基礎(chǔ)頂面至上部結(jié)構(gòu)重心的豎直距離;墩柱截面形狀為矩形,尺寸為橫橋向?qū)挾菳T=125cm,縱橋向?qū)挾菳L=100cm。自復(fù)位橋墩高寬比H/BT=4。采用HRB400作為耗能組件,彈性模量Eys=2.0×105MPa,屈服強度360MPa,極限抗拉強度400MPa;采用8.6mm鋼絞線,極限抗拉強度1860MPa,屈服強度1320MPa;混凝土選用C50,彈性模量3.45uf0b4104MPa,抗壓強度23.1MPa。公路橋梁抗震設(shè)計細則(2008)中規(guī)定,在抗震作用下,規(guī)則橋梁重力式橋墩順橋向和橫橋向的水平地震力,可采用反應(yīng)譜方法計算,且一般情況下只考慮水平方向地震作用,不考慮豎直方向,本文選用單振型反應(yīng)譜法計算該橋受到的地震力作用。細則中規(guī)定結(jié)構(gòu)在E1地震作用下在彈性范圍內(nèi)工作基本不損傷,在E2作用下結(jié)構(gòu)延性構(gòu)件可發(fā)生損傷產(chǎn)生塑性變形耗散地震能量但延性構(gòu)件的塑性鉸需具有足夠塑性變形能力。本算例橋梁抗震設(shè)防類別設(shè)為B類,抗震設(shè)防烈度為8度,抗震設(shè)防措施等級為9級,場地類型為III類。對于8度抗震設(shè)防烈度,其水平向基本地震動加速度峰值A(chǔ)=0.30g,水平設(shè)計加速度反應(yīng)譜最大值為:式中參數(shù)通過查表可知本例中,E1對應(yīng)的Ci=0.43;E2對應(yīng)的Ci=1.3,Cs=1.2,Cd=1。故對于E1地震作用,Smax=0.35g;對于E2地震作用,Smax=1.1g。本結(jié)構(gòu)基頻近似計算為:特征周期Tg=0.65s,若0.1s≤T≤Tg,則水平設(shè)計加速度反應(yīng)譜S=Smax。對于規(guī)則橋梁的柱式墩,采用反應(yīng)譜法計算時,其順橋向水平地震力為:其中,Gt為支座頂面處的換算質(zhì)點重力,本橋為20000kN,故本橋順橋向地震力分別為7000kN(E1)和22000kN(E2)。橫橋向與順橋向算法相同?；谶@樣的抗震設(shè)計條件,可以進行傳統(tǒng)橋墩以及新型自復(fù)位橋墩設(shè)計,并進行對比。按照傳統(tǒng)墩柱設(shè)計,截面處于大偏壓狀態(tài),采用雙面配筋,配筋面積不小于Ays=15204.3mm2。每側(cè)采用12根直徑40mm鋼筋,全截面共44根鋼筋。自復(fù)位墩柱節(jié)點處,預(yù)留4根直徑40mm的HRB400鋼筋作為耗能組件,選用預(yù)應(yīng)力鋼絞線截面積為1407mm2,預(yù)張拉1545kN。此外,在抗震動力性能研究中,Uang等(1990)指出可以按照SDOF體系進行分析。按照規(guī)范要求,檢驗兩種設(shè)計是否符合強度、剛度要求,即順橋向和橫橋向E1地震作用效應(yīng)和永久效應(yīng)組合,按現(xiàn)行公路橋涵設(shè)計規(guī)范相關(guān)規(guī)定驗算橋墩的強度,在E2地震作用下驗算了橋墩潛在塑性鉸區(qū)域沿順橋向和橫橋向的塑性轉(zhuǎn)動能力,對于規(guī)則橋,則可直接驗算墩頂位移。經(jīng)過驗算兩種配筋方式均滿足抗震規(guī)范中的要求?？梢猿醪脚袛?新型自復(fù)位橋梁墩柱節(jié)點設(shè)計用料量與傳統(tǒng)墩柱設(shè)計相差無幾,且能有效達到和滿足橋梁抗震設(shè)計的規(guī)范要求。與此同時,耗能組件設(shè)置簡單易于操作,結(jié)構(gòu)體系清晰,預(yù)應(yīng)力鋼束設(shè)置可以形成有效連接以及復(fù)位能力。值得說明的是,限于篇幅,本文算法未考慮殘余變形在自復(fù)位橋墩設(shè)計的作用,考慮殘余變形和基于性能的自復(fù)位橋墩設(shè)計方法將另文介紹。4有效保護墩柱節(jié)點基于性能設(shè)計的理念,本文提出了一類新型自復(fù)位橋梁墩柱節(jié)點的基本概念,對典型模型的截面彈性承載力、滯回性能等關(guān)鍵力學性能進行了初步的分析和討論,討論了自復(fù)位橋梁墩柱節(jié)點的力學特點。其主要優(yōu)點小結(jié)有:(1)設(shè)計應(yīng)用靈活。墩柱高度較小的情況下,采用貫穿式的預(yù)應(yīng)力施加方式;墩身高度大,則采用柱端局部式來施加無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋,限制墩柱節(jié)點預(yù)應(yīng)力鋼束僅分布在局部墩身。局部式施加預(yù)應(yīng)力降低了對墩柱穩(wěn)定性的要求,對墩柱高度變化不敏感,適用性更強。(2)墩柱節(jié)點端部接頭可采用高性能鋼材制作,滿足端部接頭接觸不均勻的局部承壓要求,避免混凝土