开孔工字钢挡块抗震性能研究

王垲文，游其勇

(武汉轻工大学,湖北 武汉 430000)

0 引言

在2008年四川汶川大地震中，桥梁主要为简支梁桥，支座多为直接搁置的板式橡胶支座[1-3]。在地震发生后，多数桥梁的桥墩震害普遍比较轻，桥梁的破坏主要发生为上部结构过大的横向、纵向位移，乃至最终落梁。桥梁上部结构与下部结构的连接处是桥梁抗震的薄弱环节。在一些中小桥梁中，使用直接搁置的板式橡胶支座并不能很好地解决上部结构位移过大的问题。

董俊等[4]对一种金属限位装置进行了研究，推导建立了其力学性能计算公式，并将其应用在某一桥梁中进行了有限元计算，结果表明，这种金属限位装置具有良好的减震耗能性能；唐志等[5]将原有的C型或E型钢阻尼元件改进为ε型元件，将其应用于某桥梁中进行有限元计算，结果表明，ε型钢阻尼减震支座具有良好的减震耗能性能，有效地减小了梁端位移和各墩柱的地震力；何维[6]对桥梁中金属耗能挡块进行了优化，通过数值仿真计算表明，优化后的挡块累计等效塑性应变明显减小，延性提升，耗能性能提升；邓开来等[7]对桥梁的耗能型挡块做了试验研究，试验结果表明，在其构造合理的情况下，挡块可以对桥梁提供充足的承载力以及具有良好的耗能性能；孟兮等[8]通过有限元软件，分析了减震榫在简支梁桥受到地震荷载时的减震性能，结果表明，减震榫通过塑性形变耗散了地震能量，延长了桥梁自振周期，降低了墩底剪力弯矩及墩顶位移。

基于此，本文设计了一种开孔工字钢挡块限位耗能构件，探讨该装置的工作机理。采用ABAQUS软件建立5种不同孔径及排列方式的弹塑性有限元模型，并对其进行拟静力仿真试验。本文通过模拟结果，探讨构件失效机理，研究孔径和排列方式对构件滞回性能的影响，并给出相关建议。

1 挡块构造及工作机理

开孔工字钢挡块布置在支座周围，主要由水平限位装置和挡块本身构成。挡块下部焊接在盖梁的预埋铁件上，挡块上部与桥梁上部结构和水平限位装置均留有一定空隙。根据当地抗震等级及桥梁实际情况，该挡块可布置多排多个来增强减震性能。

开孔工字钢挡块的减震耗能机理为：在温度、车辆等日常荷载作用下，由于挡块与限位装置存在间隙，处于非工作状态下，不会对桥梁内部产生次生应力。当桥梁处于地震作用下时，挡块利用自身软钢塑性来实现减震耗能的目的。

2 挡块设计及分析参数的确定

根据目前国内常见的中小跨径桥梁的设计构造，该挡块选用20 cm的20b型号工字钢，并在此基础上对其腹板进行开孔。横向与竖向均匀分布，孔距均相同，布置3×3、4×4和5×5这3种排列方式。挡块模型具体设计参数，如表1所示。

表1 挡块设计参数

3 有限元模型

3.1 模型建立

为研究挡块在地震作用下的应力应变情况及滞回性能，采用通用有限元计算软件ABAQUS对其进行非线性静力仿真分析。

模型材料本构关系利用ABAQUS中材料塑性中的Combined与Cycle hardening模块进行模拟[9]，具体数值，如表2所示。

表2 材料本构关系

3.2 加载曲线及破坏准则

模型采用位移控制的加载方式，在工字钢顶部耦合点处施加水平方向的往复荷载。由于挡块初期刚度较大，为保证加载初期数据记录较为准确，初期加载增量较小，之后固定增量，直至加载破坏。当挡块出现以下情况之一即可认为破坏：(1)挡块整体承载力下降至峰值承载力的85%；(2)挡块腹板出现明显屈曲。

4 有限元计算结果分析

4.1 腹板应力

以模型1为例，腹板在最大位移处的应力云图如图1所示。在中间开孔的区域和开孔区域向四角延伸的区域出现较高的应力，腹板整体应力分布较为平均。等效塑性应变如图2所示，塑性应变的分布也与上述结果吻合。塑性应变主要分布在开孔的连接处与腹板4个角点区域。靠近翼缘处的孔间塑性应变略高于中部。此挡块模型的塑性应变分布在整个腹板各处，使得整个腹板都参与了塑性耗能，较为充分地利用了整个腹板的材料性能。

图1 应力云图

图2 等效塑性应变图

4.2 滞回曲线

为研究挡块开孔的孔径及孔排列方式对滞回曲线的影响规律，本文通过有限元模拟，各挡块在低周期往复荷载作用下的滞回曲线如图3所示。各挡块模型的滞回曲线饱满并且无明显捏拢，各挡块均表现出良好的耗能性能。笔者将对各模型滞回曲线进行进一步分析，以研究不同孔径及排列方式对挡块的承载力、位移和耗能性能的影响规律。

图3 各模型滞回曲线

4.3 承载力

表3为各模型的极限承载力。模型4与模型3相对于模型2，极限承载力分别提升了46.42%与23.97%，表明孔在相同排列情况下，随着孔径的增大，极限承载力逐渐变小。模型5与模型3相对于模型1，承载力分别降低了31.02%和15.91%，表明孔径相同的情况下，随着孔数的提升，模型的极限承载力逐渐变小。

表3 极限承载力

4.4 位移

各模型极限位移如表4所示。由表4可知，模型4与模型3相对于模型2，极限位移分别提升了7.74%和7.71%，表明孔排列形式相同情况下，孔径越小，极限位移越大，但随着孔径逐渐变小，极限位移提升有限。模型5与模型3相对于模型1，极限位移分别提升了27.55%和27.43%，表明孔径相同的情况下，随着开孔数的增多，模型极限位移总体呈增大的趋势。

表4 极限位移

4.5 耗能能力

挡块的耗能能力可用荷载-位移滞回曲线所包围的面积衡量。图4为各模型耗能能力对比情况。

由图4可知，模型4与模型3相对于模型2，耗能能力分别提升了61.43%与34.25%，表明在相同孔排列形式的情况下，孔径越小，耗能能力越强。模型1与模型5相对于模型3，耗能能力分别下降了6.12%和18.75%，表明在孔径为20 mm的情况下，4×4的排列方式使得模型的耗能能力最大。

图4 挡块耗能能力

5 结论

本文建立了开孔工字钢挡块的有限元模型，分别以不同排列方式与孔径为参数，对有限元模型进行了非线性有限元分析，得到以下结论：

(1)不同排列方式与孔径挡块的滞回曲线均饱满无捏拢，有着较高的承载力与较好的变形能力，说明挡块具有稳定的耗能能力，在桥梁中起防落梁和耗能的功能是可行的。

(2)在相同排列方式情况下，孔径变小，极限承载力与耗能能力均有提升。相同孔径的情况下，孔数增加，极限承载力降低；相同排列形式下，孔径越小，极限位移越大，但随着孔径逐渐变小，极限位移提升有限。在孔径相同的情况下，总体上孔数越多，会对极限位移有小幅提升。

(3)耗能能力在4×4排列方式中最大。基于本文分析，建议挡块开孔时，选择较小的孔径，并选择适中的排列方式。