无黏结预应力钢筋混凝土桥墩抗震性能研究

信 坤，钟铁毅，韩 东

(北京交通大学 土木建筑工程学院，北京 100044)

无黏结预应力钢筋混凝土桥墩抗震性能研究

信 坤，钟铁毅，韩 东

(北京交通大学 土木建筑工程学院，北京 100044)

本文利用有限元软件OpenSees对同济大学的一项试验低周反复荷载作用下的2根钢筋混凝土桥墩和2根无黏结预应力混凝土桥墩进行数值模拟，并与已有试验结果进行对比分析。结果表明：所建模型对普通桥墩和无黏结预应力混凝土桥墩的模拟效果均良好，采用初应力法能够合理模拟无黏结预应力钢筋的预加力和自复位能力;预应力束如果被放置在截面中心处主要体现其提供轴压的作用，预应力束如果沿截面的边缘布置不仅能够体现其提供轴压的效果，还能更好地发挥其高弹性回复能力，墩柱的最大残余位移也会进一步减小。

无黏结预应力 纤维模型 滞回分析 残余位移

为了增强桥梁的耐久性，减小桥墩在温度等因素影响下的开裂程度，预应力技术越来越受到设计人员的关注。Zatar等［1］采用部分预应力配筋的方式，对混凝土墩柱进行拟静力试验和拟动力试验研究，认为由于预应力筋提供竖向预压力和自复位能力，可有效减少桥墩的残余位移，减少桥墩的裂缝宽度，同时增大桥墩抗剪强度。Kwan和 Billington［2-3］利用有限元分析方法，对无黏结预应力混凝土墩柱的滞回特性和动力反应进行研究，推演了一系列使用状态和倒塌状态下的位移能力准则。分析结果表明:由于采用后张法的施工工艺，墩柱的能量耗散能力下降，位移需求可增大20% ～30%。王志强等［4］利用有限元分析方法，证明了在矩形墩的截面中心合理布置无黏结预应力钢绞线，能够提高墩柱的抗震性能，并满足其正常使用状态下的性能需求。

从已有研究可知，采用预应力技术，可以使墩柱的自复位能力得到提高，减小墩柱震后的残余位移。也可能因为能量耗散降低的缘故，将导致位移需求的增加。因此，无黏结预应力束的存在，能否使桥墩达到期望的力学性能，并维持较低的残余变形，仍值得进一步研究。

本文结合同济大学的试验结果［5-6］，基于有限元软件OpenSees，建立并验证普通及无黏结预应力混凝土桥墩数值分析模型，进一步分析无黏结预应力束的有无及布置方式对钢筋混凝土桥墩抗震性能的影响。

1 模型的建立与验证

本文采用桁架单元模拟无黏结预应力钢筋，并采用初应力法施加预应力。

1.1 试验资料

为了验证本文所建模型的准确性，本文选用同济大学已做的2组试验进行模拟，每组试验包含同尺寸的普通及无黏结预应力混凝土桥墩各一个。其中一组桥墩编号为 S1和 S2，详细的墩柱参数见参考文献［5］。另一组桥墩编号为 RC1和 UBPC1，详细的墩柱参数见参考文献［6］。其中，S2和 UBPC1为预应力桥墩。

1.2 模拟结果与试验结果对比

4根桥墩的模拟和试验所得滞回曲线，在初始刚度、捏拢程度以及卸载刚度方面，均比较吻合。图1为试件S2墩的滞回曲线。

图1 试件S2墩模拟与试验滞回曲线对比

根据滞回曲线绘制的骨架曲线如图2所示，由图2可以看出，模拟和试验所得骨架曲线，在弹性段、屈服强化段以及软化段均吻合较好。对于破坏阶段，由于数值模拟时，未考虑混凝土急剧开裂所造成的强度退化，所以，此部分的模拟结果和试验结果有一定的误差。

骨架曲线特征值如表1所示，从表1的数据可以看出，4根桥墩的试验结果和模拟结果对比中，屈服荷载、峰值荷载和最终荷载均较吻合。为了和4个桥墩的试验加载方法保持一致，对于S1和S2，定义试件的强度下降到最大强度的85%为最终破坏;对于RC1和UBPC1，定义试件的强度下降到最大强度的80%为最终破坏。最终破坏对应的变形为极限变形。

图2 试件S2墩模拟与试验骨架曲线对比

表1 骨架曲线特征值对比

残余位移是指当荷载卸载到零时的侧向位移，相应的最大残余位移为当侧向位移达到极限位移后，卸载至零时对应的永久侧移。如果桥墩的震后残余位移比较小，不但有利于震后的继续运营，而且有利于震后构件的修复，所以残余变形指标非常重要。为了探究该模型是否能够较好地反映桥墩的残余变形指标，本文计算了各桥墩的最大残余位移，并与试验结果对比，如表2所示。从表2的数据可以看出，模拟结果和试验结果比较吻合。

表2 最大残余位移对比

4个桥墩的试验结果与模拟结果的对比表明，本文的有限元模型能够很好地模拟低周反复荷载作用下钢筋混凝土桥墩和无黏结预应力混凝土桥墩的响应。

2 钢筋混凝土桥墩及无黏结预应力混凝土桥墩对比分析

为了进一步研究预应力钢筋在桥墩中所发挥的作用，以及预应力筋的布置方式对其发挥作用有何影响，本文在已建立的有限元模型基础上，添加3种工况:①桥墩UBPC2，②桥墩S3和③桥墩RC2。

将S1，UBPC2和S3三个桥墩进行对比分析，其设计参数见表3，骨架曲线对比结果如图3。

表3 S1，UBPC2和S3桥墩的设计参数

图3 骨架曲线对比

将RC1，RC2和UBPC1三个桥墩进行对比分析，其主要参数见表4，对比结果见图4。

表4 RC1、RC2和UBPC1桥墩的设计参数

图4 骨架曲线对比

由图3和图4可以看出，预应力混凝土桥墩的初始刚度比钢筋混凝土桥墩大。这是由于预应力钢筋为桥墩提供的预压力，可以部分抵消外荷载作用产生的拉应力，推迟混凝土截面上裂缝的出现，且限制裂缝的开展。预压力的存在，也促使预应力混凝土桥墩的屈服荷载、峰值荷载等均有一定程度的提高。也是因为预应力筋为桥墩提供预压力，而且随着预应力筋的伸长，预应力筋会给桥墩提供额外轴压，所以预应力墩柱的核心混凝土会比普通钢筋混凝土墩柱的核心混凝土提早被压碎，致使试件卸载刚度减小趋势明显。

由图3和图4还可以看出，将无黏结预应力钢筋放置在桥墩截面中心的UBPC1桥墩，与RC2桥墩的骨架曲线非常接近。可见，如果将无黏结预应力钢筋放置在桥墩截面的中心处，其作用主要是为桥墩提供与张拉力等量的轴压。这是由于无黏结预应力钢筋在桥墩受力过程中长度变化有限，提供的回复力有限，而且由于与混凝土没有黏结，其参与钢筋混凝土共同受力的程度小。但是，将无黏结预应力钢筋放置在截面边缘处的UBPC2桥墩的墩顶横向力要比S3桥墩的大。随着墩顶位移的增大，两桥墩的墩顶横向力差距增大。说明预应力钢筋不仅能为桥墩提供轴压，而且能为桥墩提供回复力。这是因为预应力桥墩在低周反复荷载作用下，处于边缘的预应力钢筋长度发生变化，为桥墩提供了一部分回复力;而且在此过程中，随着桥墩墩顶截面的倾斜，受拉侧截面预应力筋有增长的趋势，而受压侧截面的预应力筋有缩短的趋势，从而两侧预应力筋提供的拉力形成阻碍构件继续变形的反弯矩，也起到了回复力的效果。

无论是在截面中心还是沿截面边缘布置预应力钢筋，由于预压力起到轴压效果，预应力混凝土桥墩的最大残余位移会比普通钢筋混凝土桥墩的最大残余位移小;而且如果将预应力筋放置在截面边缘，其发挥的回复力作用会使桥墩的最大残余位移进一步减小。

3 结论

本文利用有限元软件OpenSees建立了普通钢筋混凝土桥墩和无黏结预应力混凝土桥墩的纤维模型，并与试验结果进行对比分析，结论如下:

1)采用初应力法为模拟预应力筋的桁架单元施加预应力，能够合理模拟无黏结预应力钢筋的预加力和自复位能力。验证了有限元软件OpenSees模拟低周反复荷载作用下钢筋混凝土桥墩和无黏结预应力混凝土桥墩响应的可靠性。

2)无黏结预应力筋为试件提供预压力，推迟混凝土截面上裂缝的出现，且限制裂缝的开展，试件的初始刚度、屈服荷载和峰值荷载均有一定程度上的提高。但是，也是因为预应力筋为桥墩提供预压力，而且随着预应力筋的伸长，预应力筋会给桥墩提供额外轴压，所以预应力墩柱的核心混凝土会比普通钢筋混凝土墩柱的核心混凝土提早被压碎，致使试件卸载刚度减小趋势明显。

3)预应力束如果被放置在截面中心处，主要体现其提供轴压的作用;预应力束如果沿截面的边缘布置，不但能够体现其提供轴压的作用，也能更好地发挥其自复位能力，最大残余位移也会进一步减小。

［1］ZATAR W A，MUTSUYOSHI H．Residual displacements of concrete bridge piers subjected to near field earthquakes［J］． ACI Structural Journal，2002，99(6):740-749．

［2］KWAN W P，BILLINGTON S L． Unbonded posttensioned concrete bridge piers I:Monotonic and cyclic analysis［J］． Journal of Bridge Engineering，ASCE，2003，8(2):92-101．

［3］KWAN W P，BILLINGTON S L． Unbonded posttensioned concrete bridge piers Ⅱ:Seismic analysis［J］．Journal of Bridge Engineering，ASCE，2003，8(2):102-111．

［4］王志强，葛继平，魏红一．东海大桥预应力混凝土桥墩抗震性能分析［J］．同济大学学报:自然科学版，2008，36(11):1462-1466．

［5］刘丰．节段拼装预应力混凝土桥墩拟静力试验和分析研究［D］．上海:同济大学，2008．

［6］葛继平．节段拼装桥墩抗震性能试验研究与理论分析［D］．上海:同济大学，2008．

U443．22

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2014．01．06

1003-1995(2014)01-0021-03

2013-06-19;

2013-10-11

信坤(1988— )，男，河北廊坊人，硕士研究生。

(责任审编 赵其文)