高鐵橋梁空心橋墩抗震性能數(shù)值分析

孫 偉

(中鐵港航局集團第二工程有限公司，廣東 廣州 510800)

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高鐵橋梁空心橋墩抗震性能數(shù)值分析

孫 偉

(中鐵港航局集團第二工程有限公司，廣東 廣州 510800)

運用ABAQUS和ANSYS有限元軟件，對比分析了不同工況下高鐵橋梁空心橋墩的抗震性能，指出軸力、配箍率、截面形式及剪跨比是影響空心橋墩延性和破壞形態(tài)的重要因素，為高速鐵路橋梁的地震彈塑性響應(yīng)分析提供參考。

空心橋墩，抗震性能，有限元分析，延性

0 引言

中國高鐵的發(fā)展起步于21世紀(jì)初，因其快速、舒適、準(zhǔn)時、運量大等特點在交通運輸領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。伴隨著京津、滬杭城際、京滬高鐵等線路的投入使用，中國已成為世界上高速鐵路運營里程最長的國家。我國地處于環(huán)太平洋地震帶上，是一個地震多發(fā)的國家。因此，高鐵橋墩作為高鐵橋梁的主要抗側(cè)力構(gòu)件，其抗震性能的優(yōu)劣至關(guān)重要[1]。

目前高速鐵路橋墩常見的截面形狀為矩形截面和圓端形截面[2]。其中圓端形截面具有較好的力學(xué)性能，表現(xiàn)為其橫向剛度大，截面長寬比適中；在反復(fù)荷載作用(如地震荷載)下，不會因為應(yīng)力集中而發(fā)生局部破壞。同時較之矩形截面，圓端形無棱角，極大減小了橋下水流壓力和對橋墩基礎(chǔ)的沖刷作用。相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者對圓端形橋墩的穩(wěn)定性問題[3]也進行了較為全面的研究。針對既有的研究而言，研究重點大都集中在無軸向壓力下橋墩的抗震性能，但在實際工程中，高鐵橋墩均處于不同的軸壓作用下，因此通過大型有限元分析軟件ABAQUS和ANSYS 進行不同參數(shù)的分析比較具有重要意義。

1 模型建立

1.1 模型參數(shù)

有限元數(shù)值模擬[4]中主要考慮四個因素的影響：剪跨比、軸壓比、縱筋率和配箍率。具體參數(shù)如表1所示?？紤]到對比性試驗[5]的可靠性，混凝土標(biāo)號統(tǒng)一采用C40，空心橋墩的壁厚統(tǒng)一取值為120 mm。為與今后試驗數(shù)據(jù)對比，模型建立采用相似比為1∶10的縮尺模型，橋墩墩高為3 m～5 m。

表1 模型試件的參數(shù)設(shè)置

1.2 混凝土塑性損傷本構(gòu)

ABAQUS中混凝土本構(gòu)模型采用塑性損傷模型[6，7]。損傷概念最初是由Dougill提出的，隨著塑性力學(xué)和損傷力學(xué)的引入，混凝土塑性損傷模型不斷細(xì)化，可以較好的模擬混凝土準(zhǔn)脆性材料在反復(fù)荷載作用下的力學(xué)行為。

該模型采用有效應(yīng)力和硬化變量來描述：

拉伸開裂應(yīng)變見圖1，壓縮非彈性應(yīng)變見圖2。

1.3 鋼筋本構(gòu)

在有限元中，鋼筋本構(gòu)簡化模型主要有理想彈塑性模型、雙折線硬化模型和三線型模型[8]。其中雙折線形式的鋼筋本構(gòu)曲線在兼顧表達(dá)形式簡潔的前提下反映了鋼筋硬化特性，有利于有限元計算的收斂，故本文采用雙折線模型的鋼筋應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系。

1.4 有限元模型

ABAQUS包括Standard和Explicit兩個求解模塊[9]。前者采用隱式算法對非線性的靜力和動力問題進行求解；后者主要針對動力問題(尤其是沖擊甚至爆炸問題)進行顯式算法的求解，求解效率較高。對于特殊材料，ABAQUS還提供了不同接口滿足需求。

ANSYS模型分為分離式和整體式兩種。本文采用分離式有限元模型?；炷敛捎肧olid65單元，鋼筋采用Link8單元，未考慮混凝土與鋼筋之間的粘結(jié)滑移效應(yīng)。在加載梁端設(shè)置剛性墊塊，防止應(yīng)力集中，保證計算結(jié)果收斂。

本文擬采用軟件ABAQUS/Standard6.11模塊及ANSYS軟件完成圓端形空心橋墩模型在反復(fù)荷載作用下的抗震性能分析。以ABAQUS的建模為例，圓端形空心橋墩混凝土單元擬采用Sweep(掃掠)網(wǎng)格劃分技術(shù)[9]、AdvancingFront算法(進階算法)，獲得具有規(guī)則形狀的六面體網(wǎng)格，加快計算機收斂速度并能夠提高求解精度。針對模型，采用ABAQUS與ANSYS進行計算結(jié)果對照，可驗證有限元模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2 有限元模擬結(jié)果

本文利用大型非線性有限元軟件ABAQUS和ANSYS進行了六種不同工況下的數(shù)值模擬分析。其中工況1，2(工況3，4及工況5，6)的墩高相等，通過對軸壓比、剪跨比、配箍率等參數(shù)的不同設(shè)置，比較數(shù)值模擬結(jié)果并獲得具有指導(dǎo)意義的結(jié)論。

有限元數(shù)值模擬中模型網(wǎng)格劃分圖如圖3所示。

在墩頂建立實心的長方體加載區(qū)域，便于荷載施加，而墩身形狀采用圓端形，模擬空心橋墩的實際受力狀態(tài)。

試件一與試件三的骨架曲線如圖4，圖5所示，從圖4，圖5數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，ABAQUS與ANSYS計算結(jié)果數(shù)值相近，相互印證了計算結(jié)果的可靠性。根據(jù)不同試件的計算結(jié)果可以計算得到每個試件的延性系數(shù)[10]。

分析可知：

1)軸壓比對橋墩的延性性能影響較大，軸壓比增大，延性系數(shù)減小。當(dāng)軸壓比超過一定限值時，延性會發(fā)生明顯的下降。

2)配箍率對橋墩的延性性能影響顯著，當(dāng)配箍率增大時，可以顯著看到墩柱的延性性能、滯回特性以及耗能能力的提升，故合理的配箍率對高鐵橋墩的抗震性能有重要作用。

3)橋墩的截面形狀會影響其延性性能，空心截面橋墩具有更好的抗震性能。 同時橋墩在空心截面的前提下，空心圓端形截面較矩形截面相比延性性能更佳。

4)剪跨比對于橋墩的破壞形態(tài)起重要作用。試件分析中，在相同的截面設(shè)計前提下,剪跨比不同損傷的發(fā)展歷程不同。

從圖6，圖7試件的荷載—位移曲線模擬結(jié)果可以看出，使用混凝土塑性損傷本構(gòu)及鋼筋非線性本構(gòu)關(guān)系的模擬效果良好，可以反映構(gòu)件在反復(fù)荷載作用下的剛度退化及耗能性能的改變，對比分析進一步驗證了軸壓比、剪跨比、配箍率對橋墩延性性能的重要影響。

3 結(jié)論與展望

本文通過大型有限元分析軟件ABAQUS和ANSYS對高鐵空心橋墩進行分析計算。得出軸壓比、剪跨比、截面形狀和配箍率對橋墩的延性系數(shù)有顯著影響：延性隨軸壓比增大而降低，隨配箍率增大而提高，剪跨比影響橋墩的破壞形態(tài)，從而影響結(jié)構(gòu)的抗震性能[11]，除此之外，空心圓端形截面較之矩形截面具有更好的延性性能。

橋墩的抗震性能對研究高鐵橋梁行車安全性至關(guān)重要。基于試驗現(xiàn)象與數(shù)值模擬結(jié)果，從本質(zhì)出發(fā)，研究地震荷載作用下橋墩的損傷機理，充分利用橋墩彈塑性材料性能進行結(jié)構(gòu)經(jīng)時行為分析和結(jié)構(gòu)全壽命預(yù)測具有廣闊前景和重要意義。

[1] 范立礎(chǔ),卓衛(wèi)東.橋梁延性抗震設(shè)計[M].北京:人民交通出版社,2001:13-14.

[2]GB50111—2006,鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范[S].

[3] 曹新建.材料非線性對鋼筋混凝土高墩穩(wěn)定性的影響[J].計算機輔助工程,2007,16(3):34-37.

[4] 李貴乾.鋼筋混凝土橋墩抗震性能試驗研究及數(shù)值分析[D].重慶:重慶交通大學(xué),2010.

[5] 宋國森,李貴乾.單柱墩擬靜力試驗仿真計算案例[J].公路交通科技,2010,27(4):39-43.

[6] 張戰(zhàn)廷,劉宇鋒.ABAQUS中的混凝土塑性損傷模型[J].建筑結(jié)構(gòu),2011,41(S2):229-231.

[7]GB50010—2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[8] 過鎮(zhèn)海,時旭東.鋼筋混凝土原理和分析[M].北京:清華大學(xué)出版社,2003:352.

[9]ABAQUSUser’sManual,“Version6.7”[M].ABAQUSInc.USA,2007.

[10] 裘伯永,盛興旺,喬建東,等.橋梁工程[M].北京:中國鐵道出版社,2000:361.

[11] 弓俊青,朱 晞.空心圓端少筋混凝土墩柱延性的分析研究[J].工程力學(xué),2000(sup):589-593.

On numeric analysis of seismic performance of hollow bridge pier of expressway bridges

Sun Wei

(No.2EngineeringCo.,Ltd,ChinaRailwayPortandChannelEngineeringGroup,Guangzhou510800,China)

The paper adopts the finite element software, such as ABAQUS and ANSYS, compares the seismic performance of the hollow bridge pier of the expressway bridges under different circumstances, and points out some factors affecting the ductility and damages including the axial force, stirrup reinforcement ratio, section forms and shear span ratio, so as to provide some reference for the seismic elastic and plastic response analysis of expressway bridges.

hollow bridge, seismic performance, finite element analysis, ductility

1009-6825(2016)16-0168-03

2016-03-23

孫 偉(1980- )，男，工程師

U443.22

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