防屈曲支撑在双柱式墩连续梁桥中的应用研究

董尧一;徐岳;刘文强

【摘 要】文章以某实桥工程(一座双柱式桥墩三跨连续梁桥)为例,采用开源有限元程序OpenSees建立有限元模型,分析了设置不同形式的BRB(防屈曲支撑)桥梁在横向地震荷载作用下的地震需求、不同支座类型的桥梁设置BRB后的抗震能力.分析结果表明:BRB对双柱式墩连续梁桥有明显的抵抗地震作用的能力,根据设置方式不同,抵抗地震的能力也不尽相同;BRB对采用各种类型支座的桥梁都有明显抵抗地震作用的能力,其中盆式橡胶支座桥梁采用BRB对桥梁抗震作用最为明显. 【期刊名称】《西部交通科技》 【年(卷),期】2019(000)003 【总页数】5页(P116-119,122)

【关键词】防屈曲支撑;桥梁;支座;地震需求;OpenSees 【作 者】董尧一;徐岳;刘文强

【作者单位】长安大学公路学院,陕西西安710054;长安大学公路学院,陕西西安710054;长安大学公路学院,陕西西安710054 【正文语种】中 文 【中图分类】U448.21+5 0 引言

在桥梁结构设计中，我们遵循“小震不坏，中震可修，大震不倒”的原则，引入了

延性设计的概念，通过在桥墩处形成塑性铰或者在主梁与盖梁或桥墩之间设置减、隔震支座来增加结构的延性，进而耗散地震的能量。近年来防屈曲支撑在桥梁工程中的应用研究逐渐广泛。防屈曲支撑(Buckling-restrained Braces，简称BRB)是一种新型耗能减震金属构件，在建筑工程领域已经获得广泛的应用。BRB一般由三部分组成：芯板、外层约束单元以及无粘结材料，如图1所示。 图1 防屈曲支撑横向构成图

本文基于OpenSees软件平台，以一座双柱式桥墩三跨连续梁桥为例，在横桥向地震荷载作用下，对设置不同形式的防屈曲支撑桥梁产生的地震响应及防屈曲支撑和不同类型支座结合桥梁产生的地震响应进行了分析研究。 1 实桥资料

本文以某城市高架桥的设计资料为基础，该桥为3跨预应力混凝土连续梁桥，标准跨径为30 m+30 m+30 m，单幅桥面宽11.25 m，桥梁立面布置如图2所示。主梁采用C50预应力混凝土等截面T梁，横断面构造如图3所示。 图2 桥面立面布置图 图3 T梁横断面构造图

下部结构采用双柱式墩，材料均为C30混凝土，混凝土设计水灰比为0.4。桥墩高10 m，直径为1.2 m，顶部设有盖梁，盖梁高1.3 m，宽1.5 m，且端部为变截面。支座均采用板式橡胶支座GJZ 250×450×52，承台下侧采用桩基础，桩径为1.2 m，桥梁下部结构构造如图4所示。算例桥梁处于二类场地条件，设防烈度为8度，结构阻尼比为0.05。由《中国地震动参数区划图》得到，桥梁所在地区的设计基本地震动加速度为0.2 g，反应谱特征周期为0.4 s。 图4 桥梁下部结构示意图 2 桥梁有限元建模 2.1 有限元模型

本文采用OpenSees软件对算例桥梁进行有限元建模。在地震作用下，混凝土桥梁上部结构和桩基础一般处于弹性状态，因此采用OpenSees单元库中的Elastic Beam Column(弹性梁单元)模拟桥梁上部结构及桩基础；桥梁上部结构自重和二期铺装等荷载以附加质量的形式作用在弹性梁单元上；混凝土桥墩采用Nonlinear Beam Colum(非线性梁单元)模拟，并划分纤维截面，如图5所示。桥墩混凝土本构关系采用Mander本构模型，如下页图6所示，计算参数见下页表1。 图5 桥墩纤维截面划分示意图

图6 Mander本构模型示意图表1 Mander本构模型计算参数表

位置非约束混凝土抗压强度(MPa)约束混凝土抗压强度(MPa)峰值压应变极限压应变极限压应变对应的强度(MPa)桥墩25.528.5490.003 1950.008 25923.32 算例中采用的板式支座通过OpenSees单元库中的Zerolength(零长度单元)输入各个方向的刚度进行模拟；活动盆式橡胶支座采用Zerolength单元配合理想弹塑性材料本构模拟；铅芯橡胶支座采用ElastomericBearing单元模拟。两类支座恢复力模型如图7和图8所示。 图7 活动盆式橡胶支座恢复力模型图 图8 铅芯橡胶支座恢复力模拟图

桥梁桩-土-结构相互作用通过集中质量法模拟，沿着桩基长度每2 m设置一个集中质量点，然后添加相应的弹簧，土弹簧刚度通过规范中“m”法进行计算。 对于BRB，文献[5]Steve Meritt等进行了一个防屈曲支撑滞回性能实验，文献[3]张辉用Truss单元进行了模拟，得出的滞回曲线与实验基本吻合。因此本文采用OpenSees单元库中的Truss单元进行模拟，其材料本构关系采用张辉提供的Steel02材料参数：fy=306.87 MPa，E=206 GPa，b=0.01，cR1=0.9，cR2=0.15，a1=0.2，a2=4.5，a3=0.2，a4=4.5。单根BRB设计承载力的计算方法见式(1)。

Nb=0.9fyA1 (1)

式中fy——芯板钢材强度标准值； A1——约束屈服段的钢材截面面积； Nb——单根BRB设计承载力。

因此通过设置Truss单元的面积来改变单根BRB设计承载力。本文采用同一种型号的BRB进行分析计算，面积为3 200 mm2。 2.2 地震动输入

根据结构场地条件，选取50年超越概率2%的三条加速度时程曲线(PGA为0.2 g)作为地震动输入，输入方向为Y方向(横桥向)，地震反应取三条波计算的包络图。 2.3 时程分析

为了分析BRB对双柱式墩桥梁的影响及设置不同支座的桥梁与BRB结合产生的影响，本文设置了如图9所示的三种BRB布置方案，以及如表2所示的八种工况，利用OpenSees软件进行了非线性动力时程分析。 (a)第一种布置方案 (b)第二种布置方案

(c)第三种布置方案图9 BRB布置方案图表2 工况划分表

工况防屈曲支撑布置方案支座类型1无防屈曲支撑板式橡胶支座2无防屈曲支撑盆式橡胶支座3无防屈曲支撑铅芯橡胶支座4第一种布置方案板式橡胶支座5第二种布置方案板式橡胶支座6第三种布置方案板式橡胶支座7第一种布置方案盆式橡胶支座8第一种布置方案铅芯橡胶支座

算例桥梁的桥墩经过延性抗震设计，强震作用下可通过桥墩端部塑性变形耗散地震能量。本文仅取墩顶位移作为地震需求进行考虑。地震作用下，桥梁结构惯性力主要由固定墩承担，导致固定墩的受力更为不利。因此，本文主要考虑算例桥梁4#

固定墩在横桥向的地震需求。

工况一、工况二、工况三在地震作用下桥梁墩顶位移如图10所示。由图10可知，工况一(采用板式橡胶支座)在地震作用下，所产生的墩顶位移最大，工况二(采用盆式橡胶支座)次之，而工况三(采用铅芯橡胶支座)所产生的墩顶位移最小，仅为工况一的60%。这与减隔震支座设置的目的相符。 图10 工况一、工况二、工况三桥梁墩顶位移对比图 图11 工况一、工况四、工况五、工况六桥梁墩顶位移对比图

工况一、工况四、工况五、工况六在地震作用下桥梁墩顶位移如图11所示。由图11可知，工况一(未设置BRB)产生的墩顶位移最大，工况四(采用第一种BRB布置方式)产生的墩顶位移最小，仅为工况一的66%，减震率为34%。工况五(采用第二种BRB布置方式)、工况六(采用第三种BRB布置方式)产生的墩顶位移分别为工况一的79%和90%，减震率分别为21%和10%。

工况四、工况七、工况八分别为设置第一种BRB支撑方式的板式橡胶支座桥梁、盆式橡胶支座桥梁和铅芯橡胶支座桥梁。如图12所示，采用盆式橡胶支座的桥梁设置BRB后的墩顶位移仅为未设置BRB桥梁的38%；采用板式橡胶支座的桥梁设置BRB后的墩顶位移为未设置BRB桥梁的66%；采用铅芯橡胶支座的桥梁设置BRB后的墩顶位移仅为未设置BRB桥梁的57%。因此对于采用盆式橡胶支座的桥梁，设置BRB后的减震效率更为明显。 图12 各类型支座设置BRB后墩顶位移变化对比图 3 结语

(1)在双柱式墩桥梁中，减隔震支座对于减少墩顶位移具有明显的效应。设置铅芯橡胶支座的桥梁在地震作用下产生的墩顶位移仅为设置普通板式橡胶支座桥梁墩顶位移的60%。

(2)对于如图9所示的三种BRB设置方式，其减震率各有不同。第一种BRB布置

减震效率最大，第三种BRB布置减震效率次之，第二种BRB布置减震效率最小。普通板式橡胶支座桥梁第一种BRB设置减震率为34%，第二种BRB设置减震率为21%，第三种BRB设置减震率为10%。

(3)采用第一种BRB布置方式时，配有盆式橡胶支座的桥梁的减震率最大，其墩顶位移仅为未采用BRB桥梁的38%，因此对于采用盆式橡胶支座的桥梁，BRB更能体现其抗震效果。 参考文献

【相关文献】

[1]郭彦林，童精中，周 鹏.防屈曲支撑的型式、设计理论与应用研究进展[C].包头：全国结构工程学术会议，2016.

[2]张家广，吴 斌，梅 洋.基于OpenSees的防屈曲支撑加固钢筋混凝土框架数值模拟[J].防灾减灾工程学报，2014，34(5)：637-642.

[3]张 辉.防屈曲支撑钢框架的抗地震倒塌与抗连续倒塌能力分析[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2012.

[4]李贵乾.钢筋混凝土桥墩抗震性能试验研究及数值分析[D].重庆：重庆交通大学，2010. [5]Steve M，Chia M U，Gianmario B.Subassemblage Testing of Core brace Buckling-Restrained Braces[R].San Diego：University of California，2003.9-45.

[6]K.Kimura，Y.Takeda，K.Yoshioka，N.Furuya and Y.Takemoto.An Experimental Study on Braces Encased in Steel Tube and Mortar[C].Annual Meeting of the Architectural Institute of Japan，1976.

[7]王 凯.连续梁桥减隔震支座参数设计与优化[D].成都：西南交通大学，2014.

[8]信 坤.基于Opensees的无粘结预应力混凝土桥墩数值模拟与抗震性能分析[D].北京：北京交通大学，2013.