图3 预制拼装高架桥混凝土桥墩截面图 下载原图

Figure 3 Sectional view of concrete piers of prefabricated and assembled viaduct

从结构功能方面来看，自复位构建能够在振动结束后，实现桥墩整体的弹性复位，重新连接各个构件和阶段，尽量让桥墩恢复到初始刚度。在自复位构件的选择上需要选用强度高、弹性抗拉性能材料。通过耗能构件的安装解决拼装桥墩耗能能力比较弱的问题，耗能构件通过拉压变形来消耗能量，使结构更安全、更稳定。所以，可选用延性耗能钢筋、各类减振器等耗能构件。桥墩中的承重构件主要对应的是墩身位置，是承载纵向重力、压力和振动作用下的水平荷载的主要元件，具体表现为钢筋混凝土墩台、组合墩等。纵向主钢筋按照图3所示分布，共16条纵向主钢筋，横向钢筋纵向距离为0.05 m, 每一个界面采用12条钢筋，共70个截面，这些钢筋稳固混凝土并增加试件纵向最大应力。另外，接头构件为连接螺栓，作用是连接桥墩上的承重构件和墩台部分。

在此基础上分析构件本身的组成材料，建立相应的材料本构模型。一般情况下高架桥混凝土桥墩由钢筋和混凝土这2种材料混合共同组成，因此在材料模型的构建过程中，需要将钢筋和混凝土各自的材料特性集中体现出来。混凝土纤维的本构模型对纤维模型的正确性有较大的影响。通过修正材料处理后，在外力的作用影响下，混凝土应力-应变关系如图4所示。

图4 混凝土应力-应变关系曲线 下载原图

Figure 4 Concrete stress-strain relationship curve

图4表示的混凝土应力-应变关系曲线可以用分段函数的形式表示为：

fc=⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪Kf′c[2εc0.002K−(εc0.002K)2],  εc≤0.002KKf′c[1−Zm(εc−0.002K)],  εc>0.002K         (1)fc={Κf′c[2εc0.002Κ-(εc0.002Κ)2],  εc≤0.002ΚΚf′c[1-Ζm(εc-0.002Κ)],  εc>0.002Κ         (1)

式中：f ′c为混凝土圆柱体抗压强度标准值；εc为混凝土桥墩应变数值；K和Zm为混凝土强度增强系数和应变软化阶段斜率，上述参数K和Zm的求解公式如下：

⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪K=1 ρsf′yhf′cZm=0.53 0.29f′c145f′c−1000 0.75ρsh′′Sh√−0.002K         (2){Κ=1 ρsf′yhf′cΖm=0.53 0.29f′c145f′c-1000 0.75ρsh″Sh-0.002Κ         (2)

式中：ρs和fyh分别为箍筋桥墩混凝土屈服强度和箍筋相对于桥墩混凝土的含量；h″为混凝土板每米宽度；Sh表示箍筋间距。由此可以得出混凝土桥墩结构中钢筋部分的模型变形规则为：

σ∗=bε∗ (1−b)ε∗(1 ε*R)1R=σ0−σrσ0−σr         (3)σ*=bε* (1-b)ε*(1 ε*R)1R=σ0-σrσ0-σr         (3)

式中：变量ε*可以表示为：

ε∗=ε−εrε0−εr         (4)ε*=ε-εrε0-εr         (4)

式中：σ0、σr、ε0和εr依次表示为钢筋屈服最小应力值和反向点处的应力与应变数值；b和R分别为钢筋的应变硬化率和过渡影响参数。同理可以得出高架桥混凝土桥墩中混凝土材料部分的模型构建结果。最终结合图1表示的桥墩组成结构，以及各个构件之间的作用关系，得出预制拼装城市高架桥混凝土桥墩有限元模型的构建结果。在模型的构建过程中，需要考虑各个元件之间的内部相互作用，由于部分空心元件内部为不规则形状，因此，在网格划分工作中，需要利用多面体扫描方式，定义网格的划分单元为100。在完成混凝土节段模型构建后，建立钢筋骨架模型，并对其进行嵌入。基座和加载端都是解析刚体，所以混凝土墩台与节段以刚体-柔体的形式接触。通过有限元模型的建立方便桥墩变形量的精准测量。

对混凝土桥墩进行抗震性能研究时，振动波的选取对结构的动力时程响应有直接的影响。选择合理的振动波，保证结构响应分析结果的可靠性。此次试验研究中选择远断层地震动和近断层地震动作为试验的2组地震波，其中，近断层地震波主要由TCU051、TCU054、TCU052、TCU068等脉冲组成。选择的地震波样本时程变化特征如图5所示。

图5 地震波形图 下载原图

Figure 5 Seismic waveform

为了还原地震的荷载作用特性，采用循环荷载加载的方式，通过反复循环荷载试验，控制结构荷载或变形量，使结构反复加载和卸载过程。按照静力试验的要求，对桥墩试件水平方向加载进行了100 t电液伺服加载，并用6根高强度螺栓将盖梁和执行机构设备固定保证连接的牢固性。为了加强承台与地槽的连接，在承台负荷端上各设置一根压梁，并通过地锚连接压梁与地锚。设计并安装好的振动加载装置如图6所示。

图6 加载装置示意图 下载原图

Figure 6 Schematic diagram of loading device

在考虑实验目的、试件结构等多种因素的前提下，确定振动加载方案。载荷的作用可以分为2个阶段，分别为预载荷和正式载荷。预载荷能够有效确保试件和地面的接触程度，避免出现试件底面放置不稳而产生的移动，间接的影响抗震性能的测试结果。预加载阶段结束后，进入正式加载阶段，按照相同的加载方式继续施加垂直轴力，轴力按每级200 kN逐级加载到800 kN,然后将轴力降至设计值700 kN。利用图6表示的加载装置，确定具体的水平振动加载方案，如表2所示。

表2 水平振动加载方案 下载原图

Table 2 horizontal vibration loading scheme