張國(guó)平，李桃生

(1.吉安市交通工程建設(shè)有限公司 吉安市 343000； 2.蘇交科集團(tuán)股份有限公司 南京市 210019)

1 雙層排架墩結(jié)構(gòu)的概念及案例主要參數(shù)

傳統(tǒng)雙層排架墩結(jié)構(gòu)一般存在潛在的彈塑性鉸區(qū)達(dá)8個(gè)之多，通過(guò)彈塑鉸消解擺振能，以保障關(guān)鍵構(gòu)造在強(qiáng)烈震動(dòng)下不致毀塌，以及盡可能避免箍筋拉斷、縱筋屈曲以及混凝土脫落壓碎等毀壞，控制過(guò)大殘存移位，為震后功能恢復(fù)提供有力條件。探討的擺振自復(fù)位排架雙層墩結(jié)構(gòu)見圖1所示。

圖1 擺振自復(fù)位排架雙層墩結(jié)構(gòu)

擺振自復(fù)位排架雙層墩結(jié)構(gòu)可劃分為三個(gè)主要技術(shù)和功能構(gòu)成部分：承力構(gòu)件、消能構(gòu)件及自復(fù)位功能構(gòu)件。承力構(gòu)件主要指墩柱體結(jié)構(gòu)部分，主要承擔(dān)構(gòu)造上部所施加遞傳下來(lái)的垂向載荷。自復(fù)位功能構(gòu)件主要指無(wú)預(yù)應(yīng)力粘合筋，大震抗傾覆和為構(gòu)造提供自復(fù)位能力。消能構(gòu)件主要指特置角鋼，用于消解地震能量，保障墩體構(gòu)造遭遇盡可能小的地震或其他振動(dòng)破壞能。

1.1 自復(fù)位功能構(gòu)件設(shè)計(jì)

擺振自復(fù)位構(gòu)造體系中，隨擺振觸接部位的開張與合閉，預(yù)應(yīng)力無(wú)粘合筋隨構(gòu)造擺振并發(fā)生程度不同的收縮與伸長(zhǎng)。無(wú)粘合筋中的應(yīng)力狀態(tài)亦不斷隨之變化，造成一定程度的預(yù)應(yīng)力散失。此外構(gòu)造應(yīng)用過(guò)程中，混凝土的徐變、聚縮以及錨具松弛亦會(huì)引發(fā)一定程度的預(yù)應(yīng)力散失。所以，假如無(wú)粘合筋起始拉張率過(guò)小，無(wú)粘合筋中預(yù)應(yīng)力能力不足，構(gòu)造自復(fù)位能力會(huì)大受影響。另一方面，假如無(wú)粘合筋起始拉張率過(guò)大，造成無(wú)粘合筋中沒有足夠充分的預(yù)應(yīng)力冗余度，在震振載荷作用下，無(wú)粘合筋可能會(huì)出現(xiàn)屈曲，亦同樣損害構(gòu)造的自復(fù)位功能。

技術(shù)統(tǒng)計(jì)和工程經(jīng)驗(yàn)表明，起始拉張率均值在40%、無(wú)粘合筋配筋率均值在0.4%、最大拉張率均值在62%、最大移位角均值在4.92%。據(jù)此可知，當(dāng)擺振自復(fù)位墩體的移位角最大值接近5%時(shí)，無(wú)粘合筋的拉張率最大值可為66%，遠(yuǎn)沒有到達(dá)無(wú)粘合筋的名義屈曲狀態(tài)(即極值強(qiáng)度80%)，保障了構(gòu)造的自復(fù)位功效。所以，建議擺振自復(fù)位構(gòu)造體的預(yù)應(yīng)力無(wú)粘合筋起始拉張率不超越40%，配筋率不超越0.4%即可滿足需要。

1.2 消能構(gòu)件設(shè)計(jì)

由于角鋼構(gòu)件擁有易于更換和布設(shè)靈活的特征，所以選取特置角鋼構(gòu)件當(dāng)作新型擺振自復(fù)位排架雙層墩結(jié)構(gòu)構(gòu)造體系的消能構(gòu)件。與橋墩或蓋梁接連，角鋼構(gòu)件選用摩擦高強(qiáng)型螺栓作組合配件。為預(yù)防阻止拉張螺栓引發(fā)混凝土柱體結(jié)構(gòu)局部壓碎，在角鋼構(gòu)件與橋墩間可以配置鋼墊板等。角鋼構(gòu)件的用量將直接決定和影響體系消能效能的高低；過(guò)多的角鋼構(gòu)件用量則涉及工程成本控制問題，用量過(guò)少，又不能夠形成理想的消能效果。

國(guó)產(chǎn)L203×203×19角鋼構(gòu)件(角鋼構(gòu)件1)和L8-34-4角鋼構(gòu)件(角鋼構(gòu)件2)及美國(guó)產(chǎn)L8-58-4(角鋼構(gòu)件3)的力學(xué)機(jī)能指標(biāo)具體如表1所示。對(duì)應(yīng)滯回曲線如圖2所示。

表1 角鋼構(gòu)件力學(xué)機(jī)能指標(biāo)

圖2角鋼構(gòu)件滯回曲線揭示，3種角鋼構(gòu)件的滯回曲線相對(duì)都比較飽滿，可以足夠提供消能能力。配置擺振自復(fù)位墩體，一般全部截?cái)鄶[振觸接部位縱筋，所以從消能角度看，可以相對(duì)忽略混凝土抗拉強(qiáng)度。特置消能角鋼構(gòu)件消解地震能量要大于擺振觸接位置截?cái)嗫v筋消解地震能量的15%，即可滿足需要，可參考圖3和式(1)計(jì)算出擺振自復(fù)位墩體體系在要求布設(shè)的特置角鋼構(gòu)件的數(shù)量：

(a)角鋼構(gòu)件1

(b)角鋼構(gòu)件2

(c)角鋼構(gòu)件3圖2 角鋼構(gòu)件滯回曲線

圖3 擺振自復(fù)位墩結(jié)構(gòu)斷面簡(jiǎn)圖

nFyL≥15%fyAsd

(1)

式中，L為橋墩兩側(cè)角鋼構(gòu)件的距離，F(xiàn)y為特置消能角鋼構(gòu)件的屈曲力，As為橋墩一側(cè)的縱筋斷面積之和，fy為縱筋的屈曲強(qiáng)度，d為兩邊縱筋的中心距離。

1.3 案例主要參數(shù)

案例某洛塘河擺振自復(fù)位排架雙層墩高架橋位處山區(qū)，墩上層有效高程均在950cm。下層右墩有效墩高程700cm，左墩有效墩高程1000cm，系典型的不規(guī)則下層墩構(gòu)造。兩層墩均呈矩形斷面，下層墩200cm×180cm，上層墩為180cm×160cm。墩體與橫梁同寬，下橫梁梁端高260cm，跨中高180cm；上橫梁梁端高210cm，跨中高160cm。下層橋墩縱筋為2.74%配筋率，上層墩縱筋為2.46%配筋率。

2 數(shù)理模擬分析模型的建立

2.1 本構(gòu)模型

擺振自復(fù)位墩結(jié)構(gòu)和對(duì)比普通雙層排架墩結(jié)構(gòu)中的混凝土均選用Concrete01模擬，可考慮因箍筋約束效應(yīng)引發(fā)的核心混凝土強(qiáng)度增強(qiáng)和極值應(yīng)變的加大。因擺振自復(fù)位橋墩觸接位置配置了鋼板，能夠有效預(yù)防阻止混凝土結(jié)構(gòu)局部損壞。

選用Steel02對(duì)兩種墩型縱筋材料進(jìn)行模擬；擺振自復(fù)位排架墩中，選用Elastic-PP模擬預(yù)應(yīng)力無(wú)粘合筋，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系設(shè)為彈塑線性，經(jīng)過(guò)加施初應(yīng)變形式來(lái)加施起始預(yù)應(yīng)力。

對(duì)擺振自復(fù)位排架墩中各擺振觸接部位的反應(yīng)，選用5個(gè)承壓零長(zhǎng)度彈簧單元，沿?cái)[振界面均勻布設(shè)。該單元不承承拉力，僅承承壓力。承壓彈簧的剛度E選擇應(yīng)用墩軸向剛度承壓公式確定：

(2)

式中，A為橋墩混凝土斷面面積，Ec為混凝土承壓彈塑性模量，L為墩高(雙柱墩一般1/2墩高)，n為觸接位置承壓彈簧個(gè)數(shù)(本研究取5)。

2.2 數(shù)理分析模型

圖4(a)為擺振自復(fù)位排架雙層墩結(jié)構(gòu)數(shù)理分析模型。該結(jié)構(gòu)的墩身、蓋梁均選用纖維梁柱單元模擬，下層墩底部位固結(jié)。上層橋墩與上、下層蓋梁觸接部位的擺振反應(yīng)選用沿水平方向均勻布設(shè)的5個(gè)不承拉只承壓的承壓零長(zhǎng)度彈簧單元模擬，經(jīng)過(guò)各承壓彈簧單元的垂向移位差模擬擺振形變。各承壓零長(zhǎng)度彈簧單元底部節(jié)點(diǎn)間、頂部節(jié)點(diǎn)間均由剛性單元接連，并且上下側(cè)各節(jié)點(diǎn)水平移位保持一致。

選用Truss單元模擬預(yù)應(yīng)力無(wú)粘合筋。固結(jié)單元底部節(jié)點(diǎn)，通過(guò)剛臂單元實(shí)現(xiàn)上層蓋梁節(jié)點(diǎn)與頂部節(jié)點(diǎn)接連，自由度水平向與同部位的蓋梁節(jié)點(diǎn)、墩身移位耦合，自由度垂向放松其余節(jié)點(diǎn)。此外，因?yàn)?/p>

(a)擺振自復(fù)位排架雙層墩結(jié)構(gòu)

(b)常規(guī)雙層排架墩結(jié)構(gòu)圖4 雙層排架墩結(jié)構(gòu)數(shù)理分析模型

該結(jié)構(gòu)的下層為非擺振層，類似于整體現(xiàn)澆，所以選用零長(zhǎng)度轉(zhuǎn)動(dòng)彈簧單元來(lái)模擬下層橋墩兩頭縱筋的彈塑性滲透及粘合滑移形變。

圖4(b)為常規(guī)雙層排架墩結(jié)構(gòu)數(shù)理分析模型。選用纖維梁柱單元模擬上下層橋墩、蓋梁的非線性彎曲形變，固結(jié)下層墩底部位，所有單元斷面均基于纖維斷面劃分。按剛域處理梁柱節(jié)點(diǎn)間，即忽略節(jié)點(diǎn)損壞。橋墩縱筋在蓋梁、基礎(chǔ)部位的拔出形變，選用零長(zhǎng)度彈簧轉(zhuǎn)動(dòng)單元模擬，零長(zhǎng)度轉(zhuǎn)動(dòng)彈簧單元共選用8個(gè)。

3 擺振自復(fù)位排架雙層墩結(jié)構(gòu)的主要技術(shù)參數(shù)時(shí)程比對(duì)分析

3.1 最大層間移位角

關(guān)注層間移位角是為了預(yù)防阻止體系出現(xiàn)過(guò)大的形變，避免構(gòu)造傾覆倒塌，保障構(gòu)造的抗震可靠性，并且過(guò)大的形變可能導(dǎo)致無(wú)粘合筋進(jìn)入彈塑性，對(duì)構(gòu)造的自復(fù)位能力出現(xiàn)相當(dāng)大的影響。表2為兩種排架墩的上、下層層間最大移位角。上層層間移位角Ru為上層蓋梁與下層蓋梁橫向移位之差再比上上層橋墩的有效高程；下層層間移位角Rl為下層蓋梁橫向移位與下層矮墩有效高程的比值。

表2 層間最大移位角

由表2可知，擺振自復(fù)位排架雙層墩結(jié)構(gòu)的Ru值相對(duì)常規(guī)雙層排架墩結(jié)構(gòu)有所加增，Rl值則遠(yuǎn)低于常規(guī)雙層排架墩結(jié)構(gòu)，這說(shuō)明擺振自復(fù)位排架雙層墩結(jié)構(gòu)的反應(yīng)主要集中于上層擺振構(gòu)造，經(jīng)過(guò)上層擺振體系及特置消能構(gòu)件聯(lián)合作用消解地震能量，降低下層非擺振構(gòu)造的地震反應(yīng)，令其保持彈塑性階段，這樣大大加增了構(gòu)造的震后恢復(fù)能力。

3.2 層間殘存移位角

殘存移位是構(gòu)造震后可修復(fù)性的關(guān)鍵，過(guò)大的殘存形變將導(dǎo)致構(gòu)造無(wú)法修復(fù)。表3為兩種排架墩的上、下層層間殘存移位角，上層層間移位角Rru為上、下層蓋梁橫向殘存移位之差比與上層橋墩有效高程的比值；下層層間移位角Rrl為下層蓋梁橫向殘存移位與下層矮墩有效高程的比值。

表3 層間殘存移位角

能夠發(fā)現(xiàn)，常規(guī)雙層排架墩結(jié)構(gòu)的Rru值為0.71%，已然接近于日本規(guī)范規(guī)定的1%最大殘存移位角的限值，說(shuō)明普通常規(guī)雙層排架墩結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震作用下會(huì)出現(xiàn)非常大的殘存形變，震后難以修復(fù)。而擺振自復(fù)位排架雙層墩結(jié)構(gòu)的Rru值及Rrl值均遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于常規(guī)雙層排架墩結(jié)構(gòu)，這表明擺振自復(fù)位排架雙層墩結(jié)構(gòu)能夠有效降低構(gòu)造殘存形變，為構(gòu)造的震后功能迅速恢復(fù)提供了有力的保證。

3.3 下層墩體關(guān)鍵斷面縱筋響應(yīng)

表4 縱筋應(yīng)變

表4為40條近斷裂層地震動(dòng)輸入下兩種排架墩體系下層左側(cè)及右側(cè)橋墩墩底斷面的最外側(cè)縱筋的最大應(yīng)變響應(yīng)。選擇應(yīng)用縱筋的屈曲應(yīng)變?yōu)?.002，由表4可知，常規(guī)雙層排架墩結(jié)構(gòu)中下層左、右側(cè)橋墩墩底斷面縱筋均已出現(xiàn)屈曲，并且右側(cè)橋墩與左側(cè)橋墩相較屬于矮墩，受力較大，所以縱筋屈曲應(yīng)變遠(yuǎn)高于左側(cè)橋墩，這說(shuō)明常規(guī)雙層排架墩結(jié)構(gòu)體系在近端層地震動(dòng)下會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的損傷損壞。相較之下，擺振自復(fù)位排架雙層墩結(jié)構(gòu)體系中，下層的左、右側(cè)橋墩墩底斷面縱筋均處在彈塑性狀態(tài)，這是因?yàn)閿[振自復(fù)位排架雙層墩結(jié)構(gòu)的形變主要集中于上層的擺振層，下層的形變較小，所以縱筋應(yīng)變也較小，這也再次驗(yàn)證了擺振自復(fù)位體系均有顯著的損傷控制優(yōu)勢(shì)。

3.4 矮墩剪切損壞的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

因?yàn)樯絽^(qū)地形限制，雙層排架墩結(jié)構(gòu)體系中易構(gòu)成短柱，在強(qiáng)震作用下可能出現(xiàn)剪切脆性損壞。判斷墩體是否出現(xiàn)剪切損壞，一般先計(jì)算構(gòu)件的抗彎能力曲線，之后與其抗剪能力曲線實(shí)施比對(duì)，抗彎與抗剪能力曲線的交點(diǎn)代表墩體剪切損壞點(diǎn)，假如兩種曲線沒有交點(diǎn)，那么代表墩體不會(huì)出現(xiàn)剪切損壞。

本研究選擇下層排架右側(cè)橋墩(矮墩)墩底斷面為研究對(duì)象，基于纖維梁柱單元計(jì)算斷面的剪力-曲率延性常數(shù)曲線，代表斷面的抗彎能力。依照Priestley等提出的抗剪強(qiáng)度模型計(jì)算斷面的抗剪能力，計(jì)算步驟如下：

Vn=Vc+Vp+Vs

(3)

其中，Vn為斷面抗剪載承力，Vc為混凝土貢獻(xiàn)項(xiàng)，Vp為軸力貢獻(xiàn)項(xiàng)，Vs為箍筋貢獻(xiàn)項(xiàng)。

(4)

(5)

式中，D為斷面的長(zhǎng)度，c為斷面承壓區(qū)高程，a為橋墩墩底到反彎點(diǎn)的高程，P為軸力。

(6)

式中，Av為箍筋斷面積，fyh為箍筋屈曲強(qiáng)度，D′為自箍筋中心計(jì)算的斷面核心長(zhǎng)度，S為箍筋垂向間距。

k=0.39μφ≤3.0

(7)

k=0.29-0.0475(μφ-3)3.0<μφ≤7.0

(8)

k=0.1-0.00625(μφ-7)7.0<μφ≤15.0

(9)

k=0.05 15.0<μφ

(10)

式中，k為混凝土抗剪強(qiáng)度參考退化常數(shù)，μφ為曲率延性常數(shù)。

圖5為依照式(3)～式(10)計(jì)算得到的斷面抗剪強(qiáng)度與基于纖維梁柱單元計(jì)算得到的斷面抗彎強(qiáng)度的比對(duì)。要求說(shuō)明的是，圖5中所示的剪力-曲率延性常數(shù)關(guān)系為40條近斷裂層地震動(dòng)作用下構(gòu)造反應(yīng)的最大值，假如最大反應(yīng)下兩種曲線有交點(diǎn)，那么代表該體系在近斷裂層地震動(dòng)作用下，有一定出現(xiàn)剪切損壞的風(fēng)險(xiǎn)。

(a)常規(guī)雙層排架墩結(jié)構(gòu)下層右墩

(b)擺振自復(fù)位排架雙層墩結(jié)構(gòu)下層右墩?qǐng)D5 橋墩抗剪強(qiáng)度與抗彎能力比對(duì)

由圖5可知，常規(guī)雙層排架墩結(jié)構(gòu)在近斷裂層地震動(dòng)作用下，下層矮墩有出現(xiàn)剪切損壞的風(fēng)險(xiǎn)，而擺振自復(fù)位排架雙層墩結(jié)構(gòu)中因?yàn)橄聦痈男院苄?，所以避免了下層右?cè)矮墩出現(xiàn)剪切損壞的風(fēng)險(xiǎn)。

4 總結(jié)

參考案例工程案例實(shí)用數(shù)據(jù)，借助OpenSees有限元智能模擬分析系統(tǒng)，對(duì)擺振自復(fù)位排架雙層墩結(jié)構(gòu)主要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了專題模擬分析探討。主要認(rèn)識(shí)為：

(1)該雙層墩結(jié)構(gòu)的形變反應(yīng)主要集中于上層，上、下層層間殘存移位角均很小，可忽略不計(jì)，實(shí)現(xiàn)了構(gòu)造的自復(fù)位功能。

(2)提出的設(shè)計(jì)方法可當(dāng)作擺振自復(fù)位構(gòu)造的工程應(yīng)用參照，新型擺振自復(fù)位排架雙層墩結(jié)構(gòu)體系中預(yù)應(yīng)力無(wú)粘合筋最大應(yīng)力為極值應(yīng)力的60%，處在彈塑性階段，擁有較大的安全儲(chǔ)備。

(3)地震損壞主要集中于特置消能角鋼構(gòu)件，避免了擺振自復(fù)位排架雙層墩結(jié)構(gòu)自身的地震損傷，實(shí)現(xiàn)了構(gòu)造的地震損傷控制。