马腾飞 张雯雯

（嘉兴学院南湖学院，浙江 嘉兴 314000）

0 引言

由于地震发生的不确定性以及预测手段的局限性，虽然结构抗震措施及国家抗震救灾政策日益完善，地震造成的人员伤亡已显著降低，但造成的经济损失依然是巨大的。基于传统延性抗震设计理念虽然可以较好的保证桥墩结构安全，但地震导致桥墩产生较大的残余位移乃至无法修复不得不推倒重建，造成了巨大的经济损失。传统采用的桥墩隔震技术不仅隔震元件价格昂贵且施工难度较大，适应性不强。和自复位预应力框架等结构[1]相似，自复位耗能桥墩可以确保在地震作用下产生较小的残余位移，从而大大降低桥墩自身的损伤，保证整个桥梁结构的安全及正常使用。自复位耗能桥墩采用桥墩和承台分离，使桥墩在地震作用下发生摆动，并通过预应力筋的作用产生自回复力从而达到自复位的目的，再在桥墩底部安装耗能装置以吸收地震产生的能量，从而大大降低桥墩本身的地震响应。桥墩在地震作用下仅可更换耗能装置即可恢复使用，大大提高桥墩的周期使用性，对延长桥梁的使用寿命有重大益处。本文所研究的自复位耗能桥墩承重单元为钢筋混凝土桥墩本身，自复位装置由后张无粘结预应力筋提供自回复力，采用滞回性能稳定的位移型软钢金属阻尼器[2]为耗能装置吸收地震能量，桥墩和承台采用嵌合式[3]接头处理方法以保证结构连接的稳定性。

1 自复位耗能桥墩模型建立

本文基于SAP2000 有限元模拟分析平台建立自复位耗能桥墩有限元模型。为了使桥墩模型建立的更合理，使计算的更精确，此模型选取的数据在参考了相关文献的[4]基础上并做了适当的调整。本文建立的自复位耗能桥墩模型如图1所示。

图1 自复位耗能桥墩有限元模型Fig.1 Finite element model of self-reset energy-dissipating pier

该模型由五部分组成：单元1：桥墩自承重组件：桥墩柱混凝土采用C45混凝土，柱截面尺寸选取400mm×400mm，高度为1.7m，纵筋与箍筋均采用HRB400 钢筋，其中纵筋16 根，箍筋Φ8@80，混凝土保护层厚度取45mm（上部桥梁荷载仅考虑恒载，并等效为集中荷载，未考虑P-△二阶效应）。

单元2：自复位组件：本文选取的桥墩柱为框架柱单元模型，固选取了多线性弹性连接单元[5]（Multilinear Elastic）作为自复位组件，且假定在模拟地震情况下均保持弹性阶段，忽略摩擦和损失，在加载阶段无能量消散。

单元3：耗能组件：选取（Multiliner Plastic）多段线性塑性连接单元中的随动硬化模型模拟金属动态硬化行为，符合本文选取的软钢金属阻尼器。其中一端固定于大地，另一端则用刚体约束固定在同等高度的桥墩上。

单元4：缝单元：由于桥墩和承台是分离的，可认为连接处只受 压不受拉，固选择GAP 单元模拟基础与地面接触问题。由于承台初始刚度很大，因此GAP 单元的刚度可以设置很大，且初始状态下承台和桥墩是紧密结合，既认为两者是无缝连接的。

单元5：刚臂单元：为保证各组件连接的稳定及协调变形，本文选取了型钢梁模拟刚臂单元，通过刚体束缚命令约束选取节点的变形，保证GAP单元和其他单元的协调变形。

2 动力时程分析

为验证自复位耗能抗震性能的优越性，本文还建立了一座传统固接桥墩进行对比分析，该桥墩仅在底部连接处采用固端连接，其他参数相同。同时选择合适的地震动对结构的地震响应也是十分重要的，本文在参考文献[6]的基础上选取3 条地震波进行分析，如表1所示。

表1 不同地震波在8 度设防标准下的调幅

图2 Lacc1 波下柱顶水平位移Fig.2 Horizontal displacement of column top under LACC1 wave

图3 Laccz 波下柱顶水平位移Fig.3 Horizontal displacement of column top under LACCZ wave

图4 TREASURE 90 波下墩顶水平位移Fig.4 Horizontal displacement of pier top under Treasure 90 wave

地震波作用下桥墩反应结果分析如图2-图4所示。通过对两座桥墩的非线性时程分析比较可知，在地震波的作用下，自复位耗能桥墩墩顶最大位移大于传统延性桥墩，但在震后自复位耗能桥墩的残余位移也比传统桥墩的小。因此可以得到结论：无论在多遇还是罕遇地震作用下，在同一地震波的作用下，自复位耗能桥墩的墩顶最大位移都大于传统延性桥墩，残余位移小于传统桥墩。

3 结论

本文在SAP2000 有限元模拟软件的基础上，建立了基于多弹簧自复位耗能桥墩的有限元模型，并对该桥墩模型进行了数值模拟分析，验证了模型的合理性以及通过和传统固结桥墩的动力时程分析，得出自复位耗能桥墩抗震性能的优越性，可以为实际工程提供一定的设计参考。基于上述模型分析得出了如下结论：通过选取的3 条地震波对自复位耗能桥墩和传统固结桥墩进行的动力时程响应分析中发现，在地震作用下自复位耗能桥墩墩顶的最大位移大于传统固接桥墩，但震后的残余位移却明显小于传统延性桥墩。