彎曲螺栓連接節段拼裝橋墩側向承載性能分析

魏贊洋 亓路寬 陳娜寧

(北京工業大學建筑工程學院，北京 100124)

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彎曲螺栓連接節段拼裝橋墩側向承載性能分析

魏贊洋 亓路寬 陳娜寧

(北京工業大學建筑工程學院，北京 100124)

設計了一種用于節段拼裝橋墩的彎曲螺栓連接構造，采用數值模擬方法對帶連接橋墩和常規橋墩進行對比分析，結果表明：與常規橋墩相比，拼裝橋墩初始剛度和破壞形態不變，極限側向力承載能力下降很少，設計方案可行。

節段拼裝橋墩，側向承載性能，有限元數值分析

0 引言

隨著我國城市化建設的加快，土地資源的日趨緊缺，更多的橋梁建設工程不得不面對施工場地狹小、施工時段受限、工期緊等問題。預制拼裝技術是解決這一矛盾的有效方法。但是相對于橋梁上部結構，橋墩的預制拼裝技術尚不成熟。傳統的預制拼裝橋墩多帶有貫通各個節段的預應力鋼束，為了保證橋墩的側向承載能力通常需要施加較大的預應力荷載。橋墩除了承受上部結構重力外還要承受額外的預應力，因而必須加大截面或采用高標號混凝土，導致造價提高。

為了克服以上不足，本文設計了一種采用彎曲螺栓的連接構造，并建立了三維仿真模型。模型中考慮接觸和材料非線性的影響，對彎曲螺栓連接節段拼裝橋墩的側向承載性能進行分析。獲得螺栓連接預制橋墩的破壞形態和側向抗力—位移曲線，為評估彎曲螺栓連接節段拼裝橋墩的抗側向力承載能力提供一種有效手段。

1 數值模型

1.1 螺栓連接構造設計

本文選用較為常見的邊長100 cm正方形截面常規混凝土橋墩作為參照對象。常規混凝土橋墩的墩身采用C40混凝土。縱向鋼筋采用φ32 HRB335鋼筋，鋼筋間距15 cm，全截面共24根，配筋率1.93%；箍筋采用φ12 R235鋼筋，間距8 cm，保護層厚度3 cm。節段拼裝橋墩除了連接構造部分外采用與常規混凝土橋墩相同的截面。預制節段之間采用彎曲螺栓連接。螺栓強度采用8.8級高強螺栓。單側螺栓的總截面面積，依照連接段強度大于常規截面的原則由常規截面縱筋換算。最終擬定為每側4根M30螺栓，彎曲螺栓曲線半徑45 cm，單根螺栓長48 cm。

為了保證彎曲螺栓連接局部的強度及與縱筋的連接，預制節段橋墩的端部采用鋼板預埋件的方式進行加固。混凝土截面內縱筋與鋼板預埋件采用搭焊的方式連接。

彎曲螺栓連接構造如圖1所示。

1.2 材料本構

數值仿真模型中墩身混凝土采用混凝土損傷本構模型模擬，混凝土損傷本構模型基本參數如表1所示。

表1 損傷本構模型基本參數

混凝土損傷模型所需的混凝土單軸抗拉、抗壓曲線依照文獻附錄C中的公式計算。公式中極限抗壓和抗拉應力采用文獻中C40混凝土的強度標準值。損傷采用基于高斯積分求解的經典損傷理論法確定。單軸強度曲線和損傷曲線如圖2所示。

鋼筋和鋼板預埋件采用二折線經典金屬塑性本構模型模擬，HRB335縱筋和R235箍筋的屈服強度分別采用強度標準值335 MPa和235 MPa。鋼板采用Q235鋼材，屈服強度取235 MPa。

1.3 建模方法

分別建立帶彎曲螺栓連接構造的節段拼接橋墩和常規混凝土橋墩的實體仿真模型。橋墩承受的豎向荷載按軸壓比0.3考慮；水平力加載點距連接面高度5.5 m，位移控制加載。由于模擬對象為對稱結構，為了降低計算成本建立1/2模型。

為了保證計算的收斂性，分析過程采用顯式算法。預制節段連接面之間、螺栓與栓孔之間采用接觸模擬。法線方向接觸性質定義為硬接觸，切面方向接觸性質定義為罰公式，摩擦系數取0.03。在幾何形狀復雜處墩身混凝土采用線性四面體實體單元(C3D4)；幾何形狀規則處采用線性非協調六面體實體單元(C3D8I)；鋼板預埋件采用線性殼單元(S4R,S3R)；鋼筋采用線性桁架單元(T3D2)模擬。鋼筋、鋼板、混凝土單元之間共用節點。預制拼裝橋墩網格劃分如圖3所示。

2 數值模擬結果

2.1 抗側向力—位移曲線

水平側向抗力與墩頂位移關系曲線如圖4所示。由圖4可見，相比于相同截面的常規混凝土橋墩，采用彎曲螺栓連接的節段拼裝橋墩抗水平力初始剛度基本不變，水平抗側力極限承載力略有下降。

2.2 破壞形態

預制拼裝橋墩和常規混凝土橋墩的壓碎損傷云圖和開裂損傷云圖如圖5所示。

由圖5可見預制拼裝橋墩和常規混凝土橋墩的破壞形態較為相似。開裂損傷均表現為受拉一側的水平裂縫。壓碎損傷表現為受壓一側墩底混凝土壓碎。但節段拼裝橋墩因端部鋼板預埋件的加固作用使損傷發生在連接構造上方的常規截面區段上。可以認為鋼板件預埋有效地保證了連接構造區域的強度，實現強節點弱構件的設計原則。

3 結語

與相同截面的常規混凝土橋墩相比，帶彎曲螺栓連接構造的節段拼裝橋墩的初始剛度基本不變，極限側向力承載能力略有減小。節段拼裝橋墩的破壞形態基本表現為與常規混凝土橋墩相似的偏心受壓破壞。說明設計的鋼板預埋件能有效地對連接節點進行加固，實現強節點弱構件的概念。所以彎曲螺栓連接構造為實現節段拼裝橋墩的可行方案。

[1]王志強，葛繼平，魏紅一，等.節段拼裝橋墩抗震性能研究進展.地震工程與工程振動,2009(4):147-154.

[2]GB 50010—2010，混凝土結構設計規范.

[3]JTG D62—2004，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范.

[4]秦 浩，趙憲忠.ABAQUS混凝土損傷因子取值方法研究.結構工程師,2013(6):27-32.

Analysis of lateral force resistance of modular pier with connecting using curved bolt

Wei Zanyang Qi Lukuan Chen Naning

(BeijingUniversityofTechnology,CollegeofArchitecture&CivilEngineering,Beijing100124,China)

A kind of connecting using curved bolt for modular pier is designed in this paper. By using numerical simulation methods the performance of modular pier and conventional pier is compared. The results showed that: compared with the conventional pier, initial stiffness and failure pattern of modular pier is unchanged, lateral force resistance decreased only a little. The design is feasible.

modular pier， lateral force resistance， numerical analysis of finite element

1009-6825(2015)18-0175-02

2015-04-15

魏贊洋(1989- )，男，在讀碩士； 亓路寬(1963- )，男，教授； 陳娜寧(1988- )，女，在讀碩士

U443.3

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