基于ABAQUS自復位橋墩與現澆橋墩性能對比

任秩健

(華北水利水電大學土木與交通學院，河南 鄭州 450045)

0 前 言

我國近來地震頻發，一次大地震過后，許多橋墩發生較大的殘余應變，這些變形往往是永久的，使得橋墩不能繼續使用，救援車輛因此不能及時到達現場施救，給人民造成了巨大的損失。因此，不少學者探求新型的橋墩結構，基于性能的自復位橋墩應運而生，這種橋墩著眼于結構自身消耗地震能量和控制橋墩的殘余變形。這種橋墩結構中，墩身和承臺是分離的，中間有一個預應力筋連接，兩端分別錨固在墩身和承臺兩端，在地震作用下，允許構件連接處有一定的張拉分離，預應力受拉變形，使其終在彈性范圍內，當卸載后，依靠墩身的重力以及預應力筋的拉力使橋墩復位，這種基于延性的設計理念逐步代替了現澆橋墩以材料彈性極限強度為臨界設計值的設計理念[1-2]。

自復位橋墩結構的四大組成部分分別是：①自復位組件，②耗能組件，③承重組件，④接頭組件[2]。其中自復位組件由后張法預應力筋構成，耗能組件由耗能鋼筋組成，接頭組件大都使用嵌合式接頭。這四大組件協同合作，共同抵御地震作用[4]。

為了更好地看出自復位橋墩與現澆橋墩相比的優越性，這里我們應用有限元軟件ABAQUS對兩種橋墩分別進行了建模分析，對比分析這兩種橋墩在水平往復荷載下的性能差異。

1 模型的建立

本文是基于ABAQUS有限元軟件建立的自復位橋墩模型，對其進行擬靜力分析。自復位橋墩保護層厚度為40 mm，縱筋使用直徑16 mm的HRB335鋼筋，箍筋使用直徑10 mm的HPB300的鋼筋，間距80 mm。耗能鋼筋無粘結段的長度為700 mm，預應力筋采用4φs15.2的1860級鋼絞線，兩端由墊塊固定。現澆的橋墩配筋率和結構尺寸與自復位橋墩相同，兩者分別受相同的豎向荷載和往復的水平位移荷載。

2 現澆橋墩和自復位橋墩模擬結果的對比

在ABAQUS中得到的受力云圖如圖1所示，這里我們選取的是同一時刻，相同受力情況下的兩個橋墩的受力云圖。

(a)自復位橋墩受力云圖

(b)現澆橋墩受力云圖

通過觀察受力云圖，我們可以清晰地看到，在荷載作用下，不論是自復位橋墩還是現澆橋墩的應力都集中在墩底的兩端，從云圖的顏色上看，現澆橋墩的顏色要比自復位橋墩的顏色深，通過有限元軟件的查看，自復位橋墩底部應力為1.9 MPa，現澆橋墩底部應力為3.5 MPa，說明現澆橋墩的墩底混凝土比自復位橋墩的墩底更容易損壞。這是因為現澆橋墩是橋墩和承臺是一體的，自復位橋墩墩身和承臺是分開的，在荷載作用下，橋墩左右搖擺，相當于隔震系統，耗能鋼筋消耗地震能量，再依靠自身重力和預應筋提供回復力使橋墩回歸原位，減輕底部混凝土受到的力。

對于墩頂位移，通過軟件ABAQUS處理后數據，得到自復位橋墩的墩頂位移是7.83 mm，現澆橋墩的去墩頂位移是7.94 mm，發現兩者的位移基本相近，從而證明了自復位橋墩也具有良好的抗側性能，這是因為自復位橋墩由于由預應力鋼筋的約束，即使橋墩和承臺分離，也不會降低其抗側性能。

現澆橋墩和自復位橋墩的滯回曲線如圖2所示。其中荷載是墩底剪力，位移是墩頂水平位移。

圖2 自復位橋墩和現澆橋墩滯回曲線

對比兩者的滯回曲線圖，不難發現自復位橋墩因為其結構的特殊性其曲線為旗幟型的回環，兩端較為飽滿，整體受到的地震能量跟現澆的橋梁比起來要少很多，這是因為自復位橋墩在地震中能夠通過自身搖擺耗散較多的地震能量，從而保護了結構，使其不被破壞。

在墩頂位移較小的時候，我們看到現澆橋墩的墩底剪力遠遠大于自復位橋墩的荷載，當墩頂位移是5 mm的時候，現澆橋墩的墩底剪力為155.4 kN，自復位橋墩的墩底剪力為77.5 kN，這個數值是現澆橋墩的50%，由于自復位橋墩的預應力筋存在，而且預應力筋有初始的張拉應力，在水平往復荷載下，豎向荷載往往先要平衡預應力筋中的預應力，從而減小了墩底的剪力。

圖2中，從滯回曲線回環的面積來看，與自復位橋墩相比現澆橋墩的整體很飽滿，說明現澆橋墩的耗能能力比起自復位橋墩要強一些。

觀察兩個橋墩的滯回曲線，兩者剛開始都處于彈性階段，曲線斜率比較大，隨著位移加大，曲線明顯偏向位移坐標軸，說明這時的構件已經進入塑性階段了，從圖2中還可以看出，自復位橋墩和現澆橋墩的極限承載力分別為126.9 kN和173.5 kN，這證明了現澆橋墩的整體性要高于自復位橋墩。

3 結 論

本文對自復位橋墩和現澆橋墩進行有限元模擬，通過對比受力云圖和滯回曲線，揭示自復位橋墩受力機理，以及和現澆橋墩相比的優越性，得到了以下結論。

1)自復位和現澆橋墩在地震作用下，應力主要集中在墩底左右兩側，現澆橋墩的墩底應力比自復位橋墩大，底部混凝土更容易受壓遭到破壞；由于預應力筋的存在，自復位橋墩和現澆橋墩一樣，都具有良好的抗側性能。

2)自復位橋墩因其結構的特性，可以發生搖擺，能減小地震能量的傳播；現澆橋墩的耗能能力優于自復位橋墩，整體性能也比自復位橋墩強，但是進入塑性階段后，自復位橋墩的剛度衰減率明顯低于現澆橋墩。

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