1、前沿動態(tài)
自復(fù)位橋梁墩柱節(jié)點是當前國際上橋梁墩柱結(jié)構(gòu)的研究熱點之一。目前國際上的研究集中在單墩柱的試驗研究以及分析，清華大學(xué)土木系正在開展自復(fù)位橋梁單墩柱、自復(fù)位橋梁雙墩柱排架以及外置耗能器的系列研究。由于自復(fù)位橋梁墩柱節(jié)點出現(xiàn)的時間還比較短，其力學(xué)分析模型尚未建立，因此建立合理的自復(fù)位墩柱節(jié)點分析模型，對了解自復(fù)位橋梁墩柱的力學(xué)行為特點以及抗震耗能性能有著重要的作用。本文限于篇幅，僅討論自復(fù)位單墩柱節(jié)點體系。
傳統(tǒng)觀點認為，由于預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)只能表現(xiàn)出彈性性能，在地震作用中較難形成塑性鉸，塑性屈服耗能能力較弱，而研究表明
[1-2]自復(fù)位節(jié)點體系能夠有效的將預(yù)應(yīng)力構(gòu)件與耗能組件結(jié)合起來，使它們共同作用，從而擁有穩(wěn)定的耗能能力，并且能夠顯著的控制殘余變形，因此該體系成為近年來一種很有希望的抗震節(jié)點體系。自復(fù)位橋梁墩柱節(jié)點由無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋與耗能組件共同組成，其受力特點為：1、分布在墩柱截面周邊的屈服耗能組件如耗能鋼筋等保證了截面具有足夠的延性耗能能力；2、貫穿于全墩柱軸心位置的預(yù)應(yīng)力鋼束將原本分開澆筑的墩柱與基座夾緊連接，橫向地震荷載作用過后，由于預(yù)應(yīng)力鋼筋的線彈性特性，可以產(chǎn)生恢復(fù)力，使得該節(jié)點重新回到初始位形，而不產(chǎn)生殘余變形，其作用機理如圖1所示。近年來，越來越多的文獻證說明了控制結(jié)構(gòu)殘余變形的重要性
[3-5]，例如在日本兵庫縣南部地震中，有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。因此，除了將“最大變形”作為結(jié)構(gòu)設(shè)計標準外，還應(yīng)對“殘余變形”做適度的考量與計算，以保證結(jié)構(gòu)震后的正常使用性能，而自復(fù)位節(jié)點體系的特點恰好切合了以上兩點對于結(jié)構(gòu)抗震的要求。
圖1 自復(fù)位節(jié)點作用機理（彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系）
自復(fù)位節(jié)點體系由美國的“預(yù)制抗震結(jié)構(gòu)系統(tǒng)研究”項目（PRESSS）最早提出，Nakaki等
[6]在他們的文章中全面總結(jié)了該項目的研究進程與成果，并介紹了一個包含自復(fù)位節(jié)點等4種不同混凝土節(jié)點的5層框架結(jié)構(gòu)試驗，他們對該結(jié)構(gòu)進行了擬靜力、擬動力及倒三角形荷載三種方式的加載，自復(fù)位節(jié)點的提出對傳統(tǒng)的通過產(chǎn)生塑性鉸而耗能的節(jié)點產(chǎn)生了重大挑戰(zhàn)。2002年，Christopoulos等
[7]將自復(fù)位體系延伸至鋼框架中，并證明了該類結(jié)構(gòu)良好的耗能能力和自復(fù)位能力。在橋梁墩柱體系上面，Palermo等
[8]全面闡述了自復(fù)位橋梁墩柱節(jié)點體系的特點，并定義參數(shù)，得出的最優(yōu)值位于1-1.5間時該體系受力性能最好。該文將SDOF數(shù)值簡化模擬方法通過擬靜力及非線性時程分析的方式應(yīng)用于單個橋墩及不對稱整體橋梁中，充分證明了自復(fù)位體系在不降低承載力的條件下沒有或只有極少殘余位移的優(yōu)點。此外，清華大學(xué)的潘振華、潘鵬等
[9]對自復(fù)位鋼框架節(jié)點做了詳細的試驗研究以及有限元參數(shù)分析。
2、自復(fù)位橋梁墩柱節(jié)點試驗研究
2.1 試驗概況
本文選擇某實際橋梁為工程參照背景，原橋柱高5.1m，上方箱梁及其他恒載共重1960KN，橋墩截面為1200mm×1200mm的正方形，本試驗將橋墩縮尺為原本的1/3，柱高1.7m，橫截面為邊長400mm×400mm的正方形，柱頂端恒載重220KN，基座尺寸為500mm×900mm×1400mm，如圖2所示。試驗采用電液伺服加載結(jié)構(gòu)試驗機進行低周期反復(fù)荷載作用下的擬靜力加載，加載點采用50t油壓千斤頂。整個加載過程采用位移控制，千斤頂荷載值及位移值由千斤頂下面與計算機相連的傳感器量測控制。荷載橫向位移幅值最大控制在3.5%左右，分級加載，最大橫向加載位移約60mm(3.5%)。
2.2 試驗結(jié)果
經(jīng)過數(shù)據(jù)整合處理、去除基座底部水平位移以及系統(tǒng)誤差后，水平荷載位移曲線見圖3。從圖上可以看出，不同于傳統(tǒng)橋梁墩柱形成塑性鉸變形的典型飽滿滯回曲線，自復(fù)位節(jié)點在力的作用為0時，位移也顯著回歸零點，最后即使在3.5%的橫向水平位移作用后，殘余位移仍接近于0，顯示該節(jié)點體系良好的自恢復(fù)特點，并且該滯回曲線同樣飽滿，證明了自復(fù)位體系還同時擁有穩(wěn)定的耗能能力。該節(jié)點系統(tǒng)的極限承載力Fu約為190.5KN，對應(yīng)的最大橫向位移為60mm，混凝土裂縫最大寬度約為0.3mm。
圖2 試驗構(gòu)件
圖3 柱頂端力與位移關(guān)系
3、基于Euler梁理論的自復(fù)位橋梁墩柱分析模型
圖4 自復(fù)位橋梁墩柱分析簡化模型示意圖
為了更為清楚的了解自復(fù)位橋梁墩柱節(jié)點的受力機理與性能，本文選用了如圖4所示的簡化分析模型模擬自復(fù)位節(jié)點在水平地震力作用下的地震反應(yīng)。如果能夠正確得出自復(fù)位橋梁墩柱承載力大小以及它與水平位移的關(guān)系，就能更加準確的把握該體系的受力特點，揭示自復(fù)位原理的本質(zhì)，也同時為設(shè)計自復(fù)位體系提供參考依據(jù)，如準確把握合適的無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋長度使得它在受力階段始終保持彈性性能而不進入塑性屈服階段，以此保證完美的自復(fù)位性能，有效減少殘余位移；又如準確考察耗能鋼筋的滯回特點，使得體系擁有足夠的耗能能力等。由于自復(fù)位墩柱節(jié)點中存在著無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋，并且耗能鋼筋在基礎(chǔ)與柱交界處也具有長度為無粘結(jié)段（均勻應(yīng)力分布，以防止耗能鋼筋由于局部應(yīng)力集中而造成損傷），使得柱截面內(nèi)各材料間應(yīng)變局部不協(xié)調(diào)，不再符合傳統(tǒng)的平截面假定，給自復(fù)位墩柱分析帶來了某種程度的復(fù)雜性，分析方法也有別于傳統(tǒng)鋼筋混凝土截面應(yīng)用應(yīng)變協(xié)調(diào)的方法，解決此問題的方法根據(jù)復(fù)雜程度的不同，求解精度也不同。
由于試驗中柱與豎直軸最大轉(zhuǎn)角僅為3.5%，所以可近似認為給定轉(zhuǎn)角
此外，考慮到實際橋墩中存在柱橫向位移遠小于其高度的情況，即柱的彎曲半徑與柱截面邊長相比大很多時，彎曲變形為主要變形，故此處計算考慮柱彎曲變形的影響，忽略剪切變形與轉(zhuǎn)動慣量的影響。
3.1 計算步驟
步驟一：給定轉(zhuǎn)角，通過柱豎向力整體平衡條件求解柱底端截面混凝土受壓區(qū)寬度。
4 、數(shù)值計算
本文將上部分計算公式編制程序，求解與擬靜力試驗對應(yīng)的簡化模型的力與位移關(guān)系，所得結(jié)果如圖6所示。計算程序中構(gòu)件尺寸，材料等級、強度、容重，保護層厚度等按照擬靜力試驗相關(guān)數(shù)據(jù)選取，其中耗能鋼筋本構(gòu)根據(jù)材性試驗結(jié)果選取理想彈塑性模型，如圖5所示，等級為HPB400，直徑為20mm，無粘結(jié)段長度為100mm，采用玻璃膠填充，混凝土等級為C60，無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋為1860級，直徑15.2mm，共四根，每根初張拉力為80KN。結(jié)果以橫向力-水平位移的形式比較。
圖5 鋼筋材性試驗結(jié)果
圖6 分析模型計算結(jié)果與試驗結(jié)果對比（水平力-位移）
通過對比發(fā)現(xiàn)，本程序計算結(jié)果與試驗吻合較好，應(yīng)用等效矩形應(yīng)力圖法和平截面假定法所得的結(jié)果差別不大，在平截面假定法中，系數(shù)在耗能鋼筋達到屈服強度前取為0.9，達到屈服強度后取為1.0。同時，程序還可以自動給出不同橫向位移對應(yīng)的不同混凝土受壓區(qū)面積、無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉力以及耗能鋼筋應(yīng)變等，從而可以了解自復(fù)位體系的受力全過程。由于數(shù)值計算中耗能鋼筋選用的是理想彈塑性本構(gòu)模型，而材性試驗表明實際鋼筋存在明顯的強化段，所以數(shù)值模型的屈曲后剛度略低于試驗所得的屈曲后剛度，但這也表明應(yīng)用此數(shù)值模型設(shè)計自復(fù)位橋梁墩柱節(jié)點體系是安全可靠的。
5 、結(jié)論
本文從數(shù)值模擬的角度出發(fā)，考慮了彎曲變形的影響，考慮了耗能鋼筋的無粘結(jié)長度，考慮了鋼筋與混凝土間應(yīng)變差產(chǎn)生的滑移效應(yīng)，給出了自復(fù)位橋梁墩柱體系的簡化數(shù)值模型，并與試驗所得值進行了對比，吻合較好。由于無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋以及耗能鋼筋無粘結(jié)段的存在，導(dǎo)致柱截面內(nèi)應(yīng)變不協(xié)調(diào)，不能應(yīng)用傳統(tǒng)的平截面假定，本文給出了等效矩形應(yīng)力圖法和平截面假定兩種近似方法。通過本文給出的簡化數(shù)值模型，可以把握自復(fù)位橋梁墩柱節(jié)點受力全過程，揭示自復(fù)位體系受力機理與性能，所得結(jié)果可作為結(jié)構(gòu)設(shè)計的有效參考依據(jù)。
