高鐵橋梁空心橋墩抗震性能數值分析

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的重要因素，為高速鐵路橋梁的地震彈塑性響應分析提供參考。

空心橋墩，抗震性能，有限元分析，延性

0 引言

中國高鐵的發展起步于21世紀初，因其快速、舒適、準時、運量大等特點在交通運輸領域得到廣泛應用。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。我國地處于環太平洋地震帶上，是一個地震多發的國家。因此，高鐵橋墩作為高鐵橋梁的主要抗側力構件，其抗震性能的優劣至關重要[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性能，表現為其橫向剛度大，截面長寬比適中；在反復荷載作用(如地震荷載)下，不會因為應力集中而發生局部破壞。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的沖刷作用。相關領域學者對圓端形橋墩的穩定性問題[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 進行不同參數的分析比較具有重要意義。

1 模型建立

1.1 模型參數

有限元數值模擬[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。具體參數如表1所示?？紤]到對比性試驗[5]的可靠性，混凝土標號統一采用C40，空心橋墩的壁厚統一取值為120 mm。為與今后試驗數據對比，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 模型試件的參數設置

1.2 混凝土塑性損傷本構

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

該模型采用有效應力和硬化變量來描述：

拉伸開裂應變見圖1，壓縮非彈性應變見圖2。

1.3 鋼筋本構

在有限元中，鋼筋本構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曲線在兼顧表達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力—應變關系。

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滑移效應。在加載梁端設置剛性墊塊，防止應力集中，保證計算結果收斂。

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)網格劃分技術[9]、AdvancingFront算法(進階算法)，獲得具有規則形狀的六面體網格，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進行計算結果對照，可驗證有限元模擬結果的準確性。

2 有限元模擬結果

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、配箍率等參數的不同設置，比較數值模擬結果并獲得具有指導意義的結論。

有限元數值模擬中模型網格劃分圖如圖3所示。

在墩頂建立實心的長方體加載區域，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。

試件一與試件三的骨架曲線如圖4，圖5所示，從圖4，圖5數值模擬結果可以看出，ABAQUS與ANSYS計算結果數值相近，相互印證了計算結果的可靠性。根據不同試件的計算結果可以計算得到每個試件的延性系數[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，延性系數減小。當軸壓比超過一定限值時，延性會發生明顯的下降。

2)配箍率對橋墩的延性性能影響顯著，當配箍率增大時，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起重要作用。試件分析中，在相同的截面設計前提下,剪跨比不同損傷的發展歷程不同。

從圖6，圖7試件的荷載—位移曲線模擬結果可以看出，使用混凝土塑性損傷本構及鋼筋非線性本構關系的模擬效果良好，可以反映構件在反復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，從而影響結構的抗震性能[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重要?；谠囼灛F象與數值模擬結果，從本質出發，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構經時行為分析和結構全壽命預測具有廣闊前景和重要意義。

[1] 范立礎,卓衛東.橋梁延性抗震設計[M].北京:人民交通出版社,2001:13-14.

[2]GB50111—2006,鐵路工程抗震設計規范[S].

[3] 曹新建.材料非線性對鋼筋混凝土高墩穩定性的影響[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值分析[D].重慶:重慶交通大學,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] 張戰廷,劉宇鋒.ABAQUS中的混凝土塑性損傷模型[J].建筑結構,2011,41(S2):229-231.

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[8] 過鎮海,時旭東.鋼筋混凝土原理和分析[M].北京:清華大學出版社,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,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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