1、前沿动态
自复位桥梁墩柱节点是当前国际上桥梁墩柱结构的研究热点之一。目前国际上的研究集中在单墩柱的试验研究以及分析，清华大学土木系正在开展自复位桥梁单墩柱、自复位桥梁双墩柱排架以及外置耗能器的系列研究。由于自复位桥梁墩柱节点出现的时间还比较短，其力学分析模型尚未建立，因此建立合理的自复位墩柱节点分析模型，对了解自复位桥梁墩柱的力学行为特点以及抗震耗能性能有着重要的作用。本文限于篇幅，仅讨论自复位单墩柱节点体系。
传统观点认为，由于预应力结构只能表现出弹性性能，在地震作用中较难形成塑性铰，塑性屈服耗能能力较弱，而研究表明
[1-2]自复位节点体系能够有效的将预应力构件与耗能组件结合起来，使它们共同作用，从而拥有稳定的耗能能力，并且能够显著的控制残余变形，因此该体系成为近年来一种很有希望的抗震节点体系。自复位桥梁墩柱节点由无粘结预应力钢筋与耗能组件共同组成，其受力特点为：1、分布在墩柱截面周边的屈服耗能组件如耗能钢筋等保证了截面具有足够的延性耗能能力；2、贯穿于全墩柱轴心位置的预应力钢束将原本分开浇筑的墩柱与基座夹紧连接，横向地震荷载作用过后，由于预应力钢筋的线弹性特性，可以产生恢复力，使得该节点重新回到初始位形，而不产生残余变形，其作用机理如图1所示。近年来，越来越多的文献证说明了控制结构残余变形的重要性
[3-5]，例如在日本兵库县南部地震中，有100余座桥墩因为墩柱倾斜超过1°或者顶部偏移超过1.75%，影响了继续服役的性能需求而被拆除，造成了巨大的经济损失。因此，除了将“最大变形”作为结构设计标准外，还应对“残余变形”做适度的考量与计算，以保证结构震后的正常使用性能，而自复位节点体系的特点恰好切合了以上两点对于结构抗震的要求。
图1 自复位节点作用机理（弯矩-转角关系）
自复位节点体系由美国的“预制抗震结构系统研究”项目（PRESSS）最早提出，Nakaki等
[6]在他们的文章中全面总结了该项目的研究进程与成果，并介绍了一个包含自复位节点等4种不同混凝土节点的5层框架结构试验，他们对该结构进行了拟静力、拟动力及倒三角形荷载三种方式的加载，自复位节点的提出对传统的通过产生塑性铰而耗能的节点产生了重大挑战。2002年，Christopoulos等
[7]将自复位体系延伸至钢框架中，并证明了该类结构良好的耗能能力和自复位能力。在桥梁墩柱体系上面，Palermo等
[8]全面阐述了自复位桥梁墩柱节点体系的特点，并定义参数，得出的最优值位于1-1.5间时该体系受力性能最好。该文将SDOF数值简化模拟方法通过拟静力及非线性时程分析的方式应用于单个桥墩及不对称整体桥梁中，充分证明了自复位体系在不降低承载力的条件下没有或只有极少残余位移的优点。此外，清华大学的潘振华、潘鹏等
[9]对自复位钢框架节点做了详细的试验研究以及有限元参数分析。
2、自复位桥梁墩柱节点试验研究
2.1 试验概况
本文选择某实际桥梁为工程参照背景，原桥柱高5.1m，上方箱梁及其他恒载共重1960KN，桥墩截面为1200mm×1200mm的正方形，本试验将桥墩缩尺为原本的1/3，柱高1.7m，横截面为边长400mm×400mm的正方形，柱顶端恒载重220KN，基座尺寸为500mm×900mm×1400mm，如图2所示。试验采用电液伺服加载结构试验机进行低周期反复荷载作用下的拟静力加载，加载点采用50t油压千斤顶。整个加载过程采用位移控制，千斤顶荷载值及位移值由千斤顶下面与计算机相连的传感器量测控制。荷载横向位移幅值最大控制在3.5%左右，分级加载，最大横向加载位移约60mm(3.5%)。
2.2 试验结果
经过数据整合处理、去除基座底部水平位移以及系统误差后，水平荷载位移曲线见图3。从图上可以看出，不同于传统桥梁墩柱形成塑性铰变形的典型饱满滞回曲线，自复位节点在力的作用为0时，位移也显著回归零点，最后即使在3.5%的横向水平位移作用后，残余位移仍接近于0，显示该节点体系良好的自恢复特点，并且该滞回曲线同样饱满，证明了自复位体系还同时拥有稳定的耗能能力。该节点系统的极限承载力Fu约为190.5KN，对应的最大横向位移为60mm，混凝土裂缝最大宽度约为0.3mm。
图2 试验构件
图3 柱顶端力与位移关系
3、基于Euler梁理论的自复位桥梁墩柱分析模型
图4 自复位桥梁墩柱分析简化模型示意图
为了更为清楚的了解自复位桥梁墩柱节点的受力机理与性能，本文选用了如图4所示的简化分析模型模拟自复位节点在水平地震力作用下的地震反应。如果能够正确得出自复位桥梁墩柱承载力大小以及它与水平位移的关系，就能更加准确的把握该体系的受力特点，揭示自复位原理的本质，也同时为设计自复位体系提供参考依据，如准确把握合适的无粘结预应力钢筋长度使得它在受力阶段始终保持弹性性能而不进入塑性屈服阶段，以此保证完美的自复位性能，有效减少残余位移；又如准确考察耗能钢筋的滞回特点，使得体系拥有足够的耗能能力等。由于自复位墩柱节点中存在着无粘结预应力钢筋，并且耗能钢筋在基础与柱交界处也具有长度为无粘结段（均匀应力分布，以防止耗能钢筋由于局部应力集中而造成损伤），使得柱截面内各材料间应变局部不协调，不再符合传统的平截面假定，给自复位墩柱分析带来了某种程度的复杂性，分析方法也有别于传统钢筋混凝土截面应用应变协调的方法，解决此问题的方法根据复杂程度的不同，求解精度也不同。
由于试验中柱与竖直轴最大转角仅为3.5%，所以可近似认为给定转角
此外，考虑到实际桥墩中存在柱横向位移远小于其高度的情况，即柱的弯曲半径与柱截面边长相比大很多时，弯曲变形为主要变形，故此处计算考虑柱弯曲变形的影响，忽略剪切变形与转动惯量的影响。
3.1 计算步骤
步骤一：给定转角，通过柱竖向力整体平衡条件求解柱底端截面混凝土受压区宽度。
4 、数值计算
本文将上部分计算公式编制程序，求解与拟静力试验对应的简化模型的力与位移关系，所得结果如图6所示。计算程序中构件尺寸，材料等级、强度、容重，保护层厚度等按照拟静力试验相关数据选取，其中耗能钢筋本构根据材性试验结果选取理想弹塑性模型，如图5所示，等级为HPB400，直径为20mm，无粘结段长度为100mm，采用玻璃胶填充，混凝土等级为C60，无粘结预应力钢筋为1860级，直径15.2mm，共四根，每根初张拉力为80KN。结果以横向力-水平位移的形式比较。
图5 钢筋材性试验结果
图6 分析模型计算结果与试验结果对比（水平力-位移）
通过对比发现，本程序计算结果与试验吻合较好，应用等效矩形应力图法和平截面假定法所得的结果差别不大，在平截面假定法中，系数在耗能钢筋达到屈服强度前取为0.9，达到屈服强度后取为1.0。同时，程序还可以自动给出不同横向位移对应的不同混凝土受压区面积、无粘结预应力钢筋张拉力以及耗能钢筋应变等，从而可以了解自复位体系的受力全过程。由于数值计算中耗能钢筋选用的是理想弹塑性本构模型，而材性试验表明实际钢筋存在明显的强化段，所以数值模型的屈曲后刚度略低于试验所得的屈曲后刚度，但这也表明应用此数值模型设计自复位桥梁墩柱节点体系是安全可靠的。
5 、结论
本文从数值模拟的角度出发，考虑了弯曲变形的影响，考虑了耗能钢筋的无粘结长度，考虑了钢筋与混凝土间应变差产生的滑移效应，给出了自复位桥梁墩柱体系的简化数值模型，并与试验所得值进行了对比，吻合较好。由于无粘结预应力钢筋以及耗能钢筋无粘结段的存在，导致柱截面内应变不协调，不能应用传统的平截面假定，本文给出了等效矩形应力图法和平截面假定两种近似方法。通过本文给出的简化数值模型，可以把握自复位桥梁墩柱节点受力全过程，揭示自复位体系受力机理与性能，所得结果可作为结构设计的有效参考依据。
此外，考虑到实际桥墩中存在柱横向位移远小于其高度的情况，即柱的弯曲半径与柱截面边长相比大很多时，弯曲变形为主要变形，故此处计算考虑柱弯曲变形的影响，忽略剪切变形与转动惯量的影响。
