节段拼装桥墩因其施工速度快、对周围环境影响小等特点在桥梁建设中存在明显优势,目前对于该类桥墩的抗震性能研究尚不完善,而我国地处世界两大地震带之间,地震活动频繁,根据地震烈度区划显示,我国有一半以上的城市位于地震基本烈度7度及7度以上区域,这严重限制了节段拼装桥墩在桥梁建设中的应用。现如今对于节段拼装桥墩的抗震性能研究大多局限于单柱式桥墩,而实际工程中却多以双柱及多柱式桥墩为主,所以对双柱式预应力节段拼装墩桥梁抗震性能以及震后自复位性能的研究具有重要的工程意义。在此背景下,本文结合已有研究和典型工程实例,对双柱式预应力节段拼装桥墩的抗震性能展开研究。阐述了节段拼装桥墩的数值模拟方法;通过双柱式桥墩拟静力分析,比较了节段拼装桥墩与整体现浇桥墩在顺桥向以及横桥向上的抗震性能;采用全桥非线性时程分析,分别从桥墩变形与自复位能力两个方面,对比了在不同水平地震作用下,节段拼装桥墩与整体现浇桥墩在全桥体系中的地震响应以及损伤情况,对两种桥墩抗震性能进行了评估。主要研究内容及成果如下:
(1)结合已有的拟静力试验研究,基于OpenSees数值模拟平台,采用基于零长度截面单元的纤维有限元模型对预应力节段拼装墩进行模拟,对比试验结果验证了数值模型的可行性。结果表明该方法可以达到对预应力节段拼装墩的模拟,为后文对双柱式预应力节段拼装桥墩的数值模拟和进一步的抗震性能分析奠定了基础。
(2)结合工程实例,建立单墩纤维有限元模型,通过拟静力分析方法和给出的抗震性能表征参数,比较了节段拼装桥墩与整体现浇桥墩在顺桥向以及横桥向上的抗震性能。结果表明,节段拼装桥墩拥有更大的墩顶位移,其滞回曲线在一定的位移幅值下可以保持“旗帜型”,在该位移范围内具有明显的自复位特性,相比于整体现浇桥墩,等效粘滞性阻尼比和残余位移相对减小;但其耗能能力、水平承载力及初始刚度要弱于整体现浇桥墩。
(3)以三联多跨连续梁桥为背景,分别建立了采用节段拼装桥墩和整体现浇桥墩的全桥有限元模型,分别建立了基于变形和自复位能力的桥墩损伤指标,选取多条实测地震加速度时程,将其峰值加速度(PGA)分别调整至不同水平,采用非线性时程分析,以整体现浇桥墩作为对比,研究了不同水平地震作用下节段拼装桥墩在全桥体系中的地震响应以及损伤情况。结果表明,在选定的地震波及桥墩损伤指标下,节段拼装桥墩的位移响应更大,但残余位移要明显小于整体现浇桥墩;无论采用位移延性还是残余位移损伤指标,在相同水平地震作用下,节段拼装桥墩的损伤程度更低。