《Structures》：Seismic behavior of precast segmental self-centering bridge columns with innovative hybrid steel–FRP tendon and intermediate anchorage strategies
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本研究提出中间锚固和张拉钢-FRP混合张索系统优化策略，通过有限元模拟分析锚固高度、材料组合及预加应力水平对PSC-SCBCs侧向强度、损伤模式、耗能能力及残余位移的影响，结果表明中间锚固可提升预应力分布效率，混合系统使侧向强度提高50%，残余位移降低44%。
阿姆尔·M·A·穆萨（Amr M.A. Moussa）|王欣（Xin Wang）|阿拉法·M·A·易卜拉欣（Arafa M.A. Ibrahim）|吴志深（Zhishen Wu）
教育部混凝土与 prestressed 结构重点实验室，东南大学国家及地方统一工程研究中心（玄武岩纤维生产与应用技术），南京 211189，中国
摘要
预制分段自复位桥柱（PSC-SCBCs）通常使用全长度钢束，这需要较大的预应力、较大的钢束尺寸和复杂的锚固系统，从而导致沿柱高的应力分布不均。本研究对采用两种新型钢束优化策略的 PSC-SCBCs 的抗震性能进行了全面的数值分析：钢束的中间锚固和混合钢-FRP 钢束系统。开发并使用 ABAQUS 验证了详细的有限元模型，以评估钢束锚固高度、材料组成和轴向预应力水平对柱子的侧向强度、损伤模式、能量耗散和残余位移的影响。分析了三组试件：第 I 组和第 II 组将全长度钢束的三分之一或三分之二替换为在 H/3、H/2 或 2H/3 处锚固的中间长度钢束；第 III 组采用了在指定高度结合钢束、碳纤维增强塑料（CFRP）和玄武岩纤维增强塑料（BFRP）的混合系统，并施加不同的预应力水平。结果表明，中间锚固可以改善应力分布，提高结构性能，便于钢束检查，并减少材料需求。混合钢-FRP 钢束系统在较高预应力水平下使侧向强度提高了多达 50%，残余位移减少了 44%，同时保持了与传统系统相当的能量耗散能力。钢束应力分析显示，在较低位置锚固高刚度钢束可能导致过早屈服，而 FRP 钢束在 5.5% 的位移下能够安全工作在其极限承载能力的 73% 以下。这些发现验证了所提出的钢束策略是实用、高效且具有韧性的解决方案，有助于推进抗震桥梁设计。
引言
近几十年来，预制分段自复位桥柱（PSC-SCBCs）由于其出色的重新定位能力、模块化施工性和地震后的可修复性，在抗震桥梁设计中成为一种有前景的结构解决方案 [1]、[2]。这些桥柱通常由多个预制混凝土段组成，通过非粘结钢束进行后张拉，使得系统在侧向激励时能够在段间发生摇摆，然后在载荷停止后恢复到原始位置 [3]、[4]。与整体钢筋混凝土（RC）柱相比，PSC-SCBCs 具有最小的残余位移、集中在可更换区域内的损伤以及快速恢复服务功能的特点，这些特性对于地震活跃地区的现代韧性基础设施至关重要 [5]、[6]。此外，分段施工工艺减少了现场劳动力和施工时间，为桥梁下部结构提供了一种经济高效且可控的替代方案。
尽管具有这些优势，但与传统现浇 RC 柱相比，PSC-SCBCs 的一个主要局限性是其固有的能量耗散能力较低 [7]、[8]。自复位行为限制了塑性铰链的发展，而塑性铰链是传统设计中滞回能量耗散的关键来源 [9]。为了解决这个问题，研究人员探索了许多在不影响重新定位功能的情况下增强阻尼的策略。其中，结合能量耗散组件的混合系统（如低碳钢棒、不锈钢棒或形状记忆合金）显示出了有希望的结果 [10]、[11]、[12]、[13]。此外，还开发了可外部更换的能量耗散装置，包括抗屈曲棒和外部阻尼装置，以促进维修并延长系统寿命 [14]、[15]、[16]。其他努力集中在加强柱段本身，以更好地抵抗由摇摆引起的损伤，采用的技术包括纤维增强聚合物（FRP）包裹、嵌入式钢套或高强度混凝土的应用 [17]、[18]、[19]。为了进一步推进这一领域，最近的研究引入了创新方法，如具有增强阻尼机制的混合隔离摇摆（HIR）柱 [20]、具有优化几何形状的扩口预制分段柱 [21]、用于改善滞回性能的空心混凝土能量耗散单元 [22]，以及能够在显著增加能量吸收的同时保持自复位能力的多级抗震系统 [23]。这些改进共同使得桥梁墩更加坚固、可修复且性能更高，具有更好的能量耗散能力、有限的段损伤和可控的残余变形 [24]、[25]、[26]、[27]。
上述研究中使用的非粘结钢束通常由高强度钢绞线组成，贯穿整个柱长，并在基础和盖梁处锚固，以提供连续的后张拉（PT）力 [28]、[29]、[30]。这些钢束设计为在服务载荷下保持弹性，提供使自复位机制得以实现的恢复力。然而，均匀的全长度钢束配置存在几个挑战：连续的钢束必须在两端锚固，导致需要强大的锚固系统和复杂的施工逻辑 [2]、[16]。此外，均匀的钢束应力分布与不均匀的地震力矩需求不匹配，地震力矩通常在柱底附近最大，向上逐渐减小。这种不匹配导致钢束容量的使用效率低下和材料需求过高。最近，由于玄武岩纤维增强塑料（BFRP）和碳纤维增强塑料（CFRP）具有较高的强度重量比、耐腐蚀性和良好的疲劳性能，因此被探索作为钢束的替代品 [31]、[32]。FRP 钢束在失效前表现出线性弹性行为，这有助于控制钢束伸长并提高抗震性能。然而，使用全长度 FRP 钢束也引发了关于锚固设计和钢束利用效率的担忧 [24]。这些挑战突显了需要新的设计方法，以更好地调整钢束布局和材料组合，从而最大化 PSC-SCBCs 的优势。
为了解决这些挑战，本研究提出了一种新的钢束配置策略，引入了中间钢束锚固和混合钢束材料系统，以优化机械性能和生命周期的实用性。在所提出的系统中，一部分钢束锚固在中间高度，例如柱高的三分之一或三分之二，而不是贯穿整个高度，如图 1 所示。这种方法使预应力力更好地与需求集中区对齐，特别是在柱底，并减少了不显著贡献于抗震性能的钢束的总长度和应力需求。此外，中间锚固位置便于检查和维护，并允许分阶段进行模块化更换或后张拉，这在传统的全长度系统中很少可行。此外，该研究还整合了一种混合钢束系统，其中传统钢束与根据其机械性能在不同高度锚固的 FRP 钢束（CFRP 和 BFRP）相结合。例如，较低刚度的 BFRP 钢束锚固在较低位置，而较高刚度的 CFRP 钢束锚固在较高位置，从而在较大变形下改善了应变兼容性和材料效率，如图 1 所示。
本研究使用 ABAQUS 中的有限元建模进行了详细的数值分析，模拟了采用中间钢束锚固和混合钢-FRP 系统的 PSC-SCBCs 的行为。共分析了九组试件，分为三组：第 1 组（三分之一钢束替换并采用中间锚固）、第 2 组（三分之二钢束替换）和第 3 组（不同预应力水平的混合钢-FRP 钢束）。每种配置都在最大 5.5% 的循环侧向位移下进行了评估，性能从载荷-位移响应、残余位移、钢束应力分布、能量耗散和损伤模式等方面进行了评估。本研究的主要目标是：（1）评估具有不同钢束布局的 PSC-SCBCs 的抗震性能；（2）确定钢束类型和锚固位置的最佳组合；（3）为未来的应用制定基于性能的设计建议。预计这些发现将指导更韧性、可持续和可维护的抗震桥梁基础设施的发展。
部分内容摘录
提出的混合钢-FRP 钢束和中间锚固策略
为了解决 PSC-SCBCs 中传统后张拉布局的局限性，本研究提出了一种基于两项集成创新的新钢束优化策略。首先是使用具有中间锚固的可变长度非粘结预应力钢束，其次是实施结合钢束和 FRP 钢束的混合系统。这些策略共同旨在提高抗震性能，增强应变兼容性，并优化...
有限元建模
本节介绍了用于模拟预制分段自复位桥柱（PSC-SCBCs）非线性抗震行为的有限元（FE）模型的开发、实现和验证。这些模型是在 Abaqus 6.14 中构建的 [36]，以复制大规模实验测试，并提供有关混合钢束系统和 FRP-钢增强策略效果的见解。关键建模组件包括详细的分段几何形状表示、材料...
设计参数和试件矩阵
为了系统地研究所提出的 PSC-SCBC 系统的性能并评估钢束布局和材料组合的影响，进行了全面的数值研究。目的是确定影响抗震响应的关键设计参数，并为优化配置提出建议。该研究通过一系列有限元模拟进行，其中保持了几何形状、加载条件和材料属性...
损伤模式分析
图 9 展示了所有试件在循环侧向载荷下的预制分段自复位桥柱的损伤模式。损伤评估基于 ABAQUS 输出的标量刚度退化变量（SDEG）。该参数特别有助于可视化整个柱段中的损伤空间范围和强度，并允许不同钢束配置之间的比较评估。
在第 I 组中，其中三分之一的全长度...
初步经济评估
所提出系统的经济可行性是其工程应用的关键因素。虽然完整的生命周期成本分析超出了本数值研究的范围，但基于材料和施工复杂性的初步评估是必要的。中间锚固策略通过显著减少所需的钢束材料体积提供了明显的施工成本优势。对于优化后的试件，钢束长度减少了多达三分之二...
结论
本研究对采用两种钢束优化策略的 PSC-SCBCs 的抗震行为进行了详细的数值分析：（1）用中间锚固的钢束部分替换全长度钢束；（2）结合钢束和 FRP 钢束的混合钢束系统。在 ABAQUS 中开发了一系列经过验证的有限元模型，以评估钢束布局、锚固高度和预应力水平对关键抗震响应参数（包括侧向强度）的影响...
CRediT 作者贡献声明
阿姆尔·M·A·穆萨（Amr M.A. Moussa）：撰写 – 原始草稿、验证、软件、调查、概念化。易卜拉欣·阿拉法·M·A（Ibrahim Arafa M. A.）：可视化、方法论、数据管理。王欣（Xin Wang）：撰写 – 审稿与编辑、监督、调查、资金获取。吴志深（Zhishen Wu）：监督、项目管理、调查。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
作者衷心感谢 中国国际科技合作计划（2024YFE0198400）、中央高校基本科研业务费（编号 2242024k30039, 2242024k30050）和 国家自然科学基金（52278244）提供的财政支持。
