ABSTRACT

Based on finite element analysis software OpenSees, the numerical models of integral cast-in-place pier (RC), the prefabricated concrete pier with grouted sleeves (PCS) and the prefabricated and prestressed concrete pier with strands and grouted sleeves (PCSS) continuous girder bridges are established. Nonlinear time history analysis of three types of bridges is carried out and the displacement of pier top, re-centering capacity and hysteretic energy dissipation are compared. The results show that the displacement response of pier top of continuous girder bridge with prefabricated pier is less than that of cast-in-place pier continuous girder bridge, the residual displacement of PCSS continuous girder bridge is small, and it has better re-centering capacity. The hysteretic energy dissipation of PCS continuous girder bridge is similar to that of RC continuous girder bridge. The simulation method of prefabricated pier in this paper can be applied to the seismic analysis of bridge system.

Keywords:Prefabricated Piers, Continuous Girder Bridges, Seismic Performance

装配式钢筋混凝土连续梁桥抗震性能分析

杨光，辛光涛，陈彦江，许维炳

北京工业大学，建筑工程学院，北京

收稿日期：2019年4月22日；录用日期：2019年5月7日；发布日期：2019年5月14日

摘 要

基于OpenSees有限元分析软件，建立了整体现浇墩(RC)、套筒连接装配式墩(PCS)和预应力套筒连接装配式墩(PCSS)连续梁桥的数值模型，以墩顶位移、自恢复能力和滞回耗能为指标，对比分析了三种类型桥梁的抗震性能。结果表明：整体装配式连续梁桥的抗震性能优于现浇连续梁桥；PCSS连续梁桥整体抗震性能最好，其残余位移小，具有一定的自复位能力；PCS连续梁桥的整体抗震性能与RC连续梁桥相近；本文中装配式桥墩模拟方法可以应用于桥梁体系的抗震分析研究。

关键词 :装配式桥墩，连续梁桥，抗震性能

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1. 引言

随着我国经济的不断发展，城市交通网的建设任务越来越繁重，装配式桥墩施工方法在桥梁建设中被广泛使用，其具有施工质量高、施工周期短、对交通及环境影响小等优点，特别适用于施工作业平台有限的城市桥梁以及施工环境恶劣的跨海大桥。现阶段我国已经在东海大桥、杭州湾大桥等跨海桥梁中采用装配式桥墩技术，但多使用湿接缝实现桥墩与承台的连接 [1] [2] [3] 。目前，装配式桥梁多应用于设防烈度较低的地区，其在强震区的应用仍需进一步的研究。

国内外对装配式单墩的抗震性能开展了系列研究。Mander等 [4] 对干接缝预应力连接的节段拼装桥墩进行了拟静力试验研究，得出摇摆墩柱体系具有很强的自复位能力；Hewes等 [5] 对胶接缝外包钢套筒节段拼装桥墩试件进行了拟静力试验研究，得出采用套筒约束方案可以提高墩柱的延性性能；魏红一等 [6] 对套筒预埋位置不同的装配式墩进行拟静力试验，得出预制墩在合理的设计下抗震性能优于现浇墩；贾俊峰等 [7] 对利用灌浆波纹管锚固连接的节段拼装桥墩与现浇桥墩进行拟静力试验，得出节段拼装桥墩抗侧能力与现浇墩基本相同，节段拼装桥墩主要破坏于底层节段塑性铰区域；薛兴伟等 [8] 用OpenSees软件对钢筋混凝土柱在循环荷载下进行数值模拟，分别对材料本构模型参数、轴压比和配箍率进行变参数分析；王志强等 [9] 用OpenSees软件对东海大桥引桥桥墩进行有限元建模分析，得出无粘结预应力筋可减小桥墩的残余位移，截面中心布置预应力筋可提高桥墩抗震性能。

现阶段国内外研究成果主要集中于装配式单墩的抗震性能研究，缺少对整体装配式桥梁结构体系的研究。本文首先对研究较为广泛的装配式桥梁单墩的数值分析方法进行了对比分析，在此基础上，建立整体装配式连续梁桥数值分析模型，对整体装配式连续梁桥的抗震性能进行系列研究。

2. 装配式桥墩拟静力模拟

本文利用OpenSees有限元软件对葛继平等 [10] 所做的整体现浇墩(RC)和预应力钢绞线灌浆套筒连接的装配式墩(PCSS)拟静力试验进行了数值模拟。两种桥墩的主要设计参数如表1所示。

表1. 桥墩主要设计参数

桥墩模型混凝土本构关系选取修正的Kent-Park模型(concrete02)，普通钢筋本构关系选取Giuffré-Menegotto-Pinto模型(steel02)，灌浆套筒由弹性材料进行模拟，预应力筋由steel02施加初应力模拟，混凝土及钢筋材料的特性分别见表2和表3，墩柱选取采用基于柔度的纤维单元(Nonlinear Beamcolumn)建立，预应力筋采用桁架单元(Truss)建立，其顶部、底部节点分别与墩柱顶部、承台底部节点用刚臂连接。接缝单元选取ENT (Elastic-Notension Material)本构关系，即只受压本构关系模拟，弹性模量取3.25 GPa。由于墩柱剪跨比为5.89大于2，属于长柱，墩身变形以弯曲为主，可忽略接缝处剪切变形的影响。为了简化模型，把桥墩自重作为集中质量施加于顶部节点。

表2. 钢筋材料特性

表3. 混凝土材料特性

RC墩和PCSS墩的荷载–位移滞回曲线对比如图1所示。

图1. 滞回曲线对比

由图1可知，模拟的滞回曲线在出现下降段之前与试验结果较为接近，初始刚度以及极限承载力相差不大，但滞回曲线出现下降段后，模拟结果未能反映结构真实的刚度退化，由于模型并未考虑在反复荷载下钢筋断裂、混凝土损伤等问题；两者模拟的骨架曲线与试验基本一致，并且均有着明显的捏拢效应。虽然模拟结果存在一定的误差，但整体上可以模拟RC墩和PCSS墩的实际受力行为，证明了此种模拟方法的正确性，可以应用于下文整桥的研究。

3. 连续梁桥概况

本文研究对象为某一连续梁桥中的一联，跨径组合为3 × 25 m，桥梁全宽12 m，主梁采用C40预应力混凝土单箱双室箱梁截面，下部结构采用矩形截面双柱墩，截面尺寸为2.2 m × 1.4 m，墩高10 m，承台厚2.2 m，不考虑基础形式，桥型布置如图2所示。桥墩采用C40混凝土，钢筋采用HRB400钢筋，截面配筋率为1.5%，体积配箍率为1.79%。

图2. 桥梁布置图(单位：cm)

4. 有限元模型的建立

4.1. 上部结构

由于震害多出现于桥梁下部结构，因此在模拟主梁时不考虑其非线性因素，选用弹性单元(Elastic Beam Column)进行模拟，材料为单轴弹性材料，并赋予其箱梁的截面特征值，每1 m划分一个单元，仅考虑自重及二期恒载，二期恒载取30 KN/m，采用集中质量进行模拟，将每个单元的质量平均分配到两侧的节点上。将主梁放于盖梁的中心，用支座将主梁与盖梁连接。

4.2. 下部结构

盖梁采用弹性单元(Elastic Beam Column)进行模拟，赋予其盖梁的截面特征值，每个盖梁划分为4个单元。桥墩的建模方法与单墩建模方法相同，桥墩每1 m划分一个单元；为保证分析结果的精准度，桥墩纤维截面约束混凝土划分数量为10 × 10；装配式墩划分为两个节段，每节段长5 m；预应力筋附加轴压比为10%，墩底约束取用固结，约束每个墩底六个方向的自由度。

4.3. 支座模拟

本桥中1#、3#、4#墩的支座为纵向滑动支座，2#墩的支座为固定支座。本文支座采用非线性单元进行模拟。滑动支座活动摩擦系数为2%，临界位移为2 mm。

4.4. 地震波选取

本桥所处场地为II类场地，选取EI Centro (N-S)波作为输入地震波，把EI Centro波按8度设防烈度进行调幅，调幅后地震波加速度时程曲线如图3所示。

图3. 调幅后EI Centro波

5. 分析结果

对比整体现浇墩(RC)连续梁桥、套筒连接装配式墩(PCS)连续梁桥和预应力套筒连接装配式墩(PCSS)连续梁桥之间抗震性能的异同，根据以上方法建立了三种连续梁桥有限元模型。沿单向(X向、Y向)输入地震波，以2-1#固定墩的墩顶位移、残余位移和滞回曲线为指标，对比分析三种类型桥梁的抗震性能。

5.1. X向输入结果

图4给出了三种类型桥梁在X向激励下墩顶位移时程曲线对比图，可以看出现浇墩墩顶位移明显大于装配式墩，其中PCSS墩的墩顶位移最小；以RC墩的最大墩顶位移作为参考，PCS墩最大墩顶位移减小22.5%，PCSS墩最大墩顶位移减小44.1%。峰值位移的差异主要原因是灌浆套筒提高了桥梁纵向整体刚度、及预应力筋提供了一定的轴压力和自复位能力。通过对比RC墩和PCS墩在地震作用25s后的位移响应，可见两者均出现了不可恢复的残余变形，而PCSS墩的残余变形基本为零，这也体现了PCSS墩具有良好的自复位能力，能够保证结构在强震后能够继续使用。

图4. 墩顶X向位移时程曲线

图5给出了三种类型桥墩在X向激励下的滞回曲线，可以看出装配式墩的初始刚度大于现浇墩；RC墩和PCS墩的滞回曲线比较饱满，均表现出了较强的耗能能力，PCSS墩耗能力相对较弱。耗能能力的差异主要原因是RC墩和PCS墩已经进入塑性状态，滞回环逐渐拉开表现出了良好的耗能能力；PCSS墩处于弹塑性状态，滞回环处于扩大初期，从而表现出的耗能较小。三种桥墩的最大墩底剪力都处于1500 KN左右，但残余位移相差较大，其中RC墩和PCS墩残余位移都较大，PCSS墩残余位移最小，可忽略不计，表明PCSS墩具有现浇墩所没有的自复位能力。

图5. 桥墩滞回曲线

5.2. Y向输入结果

图6给出了三种类型桥梁在Y向激励下墩顶位移时程曲线对比图，可以看出现浇墩墩顶位移明显大于装配式墩，其中PCSS墩的墩顶位移最小；以RC墩的最大墩顶位移作为参考，PCS墩最大墩顶位移减小17.8%，PCSS墩最大墩顶位移减小40.7%。峰值位移的差异主要原因是灌浆套筒提高了桥梁横向整体刚度、预应力筋提供了一定的轴压力和自复位能力。

图6. 墩顶Y向位移时程曲线

图7分别给出了三种类型桥墩在Y向激励下的滞回曲线，可以看出装配式墩的初始刚度大于现浇墩；RC墩和PCS墩的滞回环面积相对较大，PCSS墩耗能力相对较弱。耗能能力的差异主要原因是RC墩和PCS墩墩处于弹塑性状态，滞回环处于扩大初期，从而表现出的耗能能力较小，而PCSS墩处于弹性状态，从而表现出的耗能能力较小。三种桥墩的最大墩底剪力都处于2000 KN左右，但残余位移相差较大，其中RC墩和PCS墩残余位移都较大，PCSS墩残余位移最小，可忽略不计，表明PCSS墩具有现浇墩所没有的自复位能力。

图7. 桥墩滞回曲线

6. 结论

以装配式单墩数值模型为基础，分别建立了下部桥墩类型为整体现浇墩(RC)、套筒连接装配式墩(PCS)和预应力套筒连接装配式墩(PCSS)的整体装配式连续梁桥的数值模型，对比分析了三种类型桥梁的抗震性能，结果表明：

1) 本文提出基于OpenSees有限元软件，建立装配式桥墩方法可以应用到整体装配式桥梁体系的分析研究中。

2) 通过对比PCS连续梁桥和RC连续梁桥的地震响应可知，PCS墩的X向峰值位移减小22.5%，Y向峰值位移减小17.8%；由于灌浆套筒增大了整桥刚度，PCS墩残余位移相对较小；PCS墩耗能能力和RC墩相差不大。结果表明PCS连续梁桥整体抗震性能与RC连续梁桥较为接近。

3) 通过对比PCSS连续梁桥和RC连续梁桥的地震响应可知，PCSS墩X向峰值位移减小44.1%，Y向峰值位移减小40.7%；由于PCSS墩配置了预应力筋，其拥有良好的自复位能力，残余位移很小；PCSS墩耗能能力相对RC墩较弱。结果表明PCSS连续梁桥整体抗震性能比RC连续梁桥好。

文章引用

杨 光,辛光涛,陈彦江,许维炳. 装配式钢筋混凝土连续梁桥抗震性能分析
Seismic Performance Analysis of Prefabricated Reinforced Concrete Continuous Beam Bridges[J]. 土木工程, 2019, 08(03): 546-552. https://doi.org/10.12677/HJCE.2019.83064

参考文献