帶孔鋼板連接裝配式橋墩擬靜力數(shù)值分析

朱開賀

(中鐵二十四局集團安徽工程有限公司，安徽 合肥 230011)

全預(yù)制裝配式橋梁采用工廠預(yù)制構(gòu)件，運輸至現(xiàn)場進行連接的施工形式。與傳統(tǒng)現(xiàn)鋼筋混凝土橋梁的現(xiàn)場支模澆筑相比，全預(yù)制裝配式橋梁有著施工快捷、無需中斷交通、建造過程綠色環(huán)保等顯著優(yōu)點。隨著城市建設(shè)綠色低碳化轉(zhuǎn)型升級，全預(yù)制裝配式橋梁結(jié)構(gòu)形式在交通復(fù)雜的城市交通建設(shè)中得到越來越多的應(yīng)用[1-2]。

進行全預(yù)制裝配式橋梁設(shè)計和施工時，需確保預(yù)制構(gòu)件之間的連接處可靠性以滿足結(jié)構(gòu)抗震要求[3-4]。為此，常采用數(shù)值仿真和室內(nèi)試驗進行現(xiàn)澆橋墩和裝配式橋墩的擬靜力對比試驗，基于滯回曲線、剛度曲線等力學(xué)參數(shù)具體分析結(jié)構(gòu)的抗震性能[5-6]。灌漿波紋管連接是一種常見預(yù)制構(gòu)件連接方式，在混凝土構(gòu)件中預(yù)埋波紋管，連接鋼筋安置在波紋管內(nèi)，向管內(nèi)注入高強灌漿料以達到鋼筋錨固的目的[7-8]。亦有許多學(xué)者借助擬靜力數(shù)值和試驗手段進行灌漿波紋管連接強度與抗震性能研究，表明灌漿波紋管能夠滿足橋梁結(jié)構(gòu)的抗震要求[9-10]。在施工過程中，波紋管或鋼筋的位置容易發(fā)生偏移進而影響鋼筋的搭接，甚至導(dǎo)致鋼筋無法按圖紙要求插入預(yù)留孔洞中，影響結(jié)構(gòu)的實際強度。

為此，提出在墩柱底部和承臺之間設(shè)置帶孔鋼板，以確保灌漿波紋管以及縱向鋼筋的連接可靠性。本文利用ABAQUS軟件進行現(xiàn)澆橋墩、采用帶孔鋼板定位的裝配式橋墩兩種結(jié)構(gòu)形式的有限元建模，進行擬靜力數(shù)值模擬，采用不同大小的軸壓比，對比滯回曲線、最大承載力和剛度退化曲線等受力性能指標，分析帶孔鋼板連接形式是否會明顯改變橋墩的抗震性能。研究分析結(jié)果為全預(yù)制裝配式橋梁的構(gòu)件設(shè)計和施工提供一定借鑒。

1 工程概況

1.1 試件概況

現(xiàn)澆橋墩和帶孔鋼板連接裝配式橋墩采用相同的外部幾何尺寸，如圖1所示，正方形截面墩柱的邊長為400 mm，柱高為1 750 mm，墩柱和承臺的混凝土材料強度均依據(jù)C40混凝土確定。墩柱和承臺中鋼筋型號是HRB400，墩柱縱筋直徑為18 mm，承臺縱筋直徑為25 mm，箍筋直徑為8 mm，金屬波紋管直徑55 mm。墩柱底部和承臺頂部的鋼板厚度均為10 mm，孔洞圓心位置與鋼筋對應(yīng)。

1.2 加載方式

在墩柱頂部截面中心處設(shè)置參考點，加不同大小的豎向壓力，對應(yīng)不同的軸壓比工況。為模擬地震作用下結(jié)構(gòu)所受的往復(fù)作用，采用位移控制的水平往復(fù)加載方式，初步設(shè)置的水平位移加載幅值為2、4、8、12、16、24、32、44、56、68 mm，每個位移幅值循環(huán)3次。

圖1 帶孔鋼板連接裝配式混凝土橋墩尺寸圖Fig.1 Dimension drawing of fabricated concrete pier connected with perforated steel plate

2 數(shù)值模型建立

2.1 材料本構(gòu)參數(shù)確定

利用ABAQUS軟件，需要確定混凝土、鋼筋、鋼板和灌漿料的材料參數(shù)。

混凝土的單軸拉、壓應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系，依據(jù)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》確定[11]。其中混凝土單軸受壓的應(yīng)力-應(yīng)變曲線由式(1)、式(2)推算得出：

σ=(1-dc)Ecε

(1)

(2)

式中：σ為混凝土單軸受壓的應(yīng)力，MPa；ε為混凝土單軸受壓的應(yīng)變；Ec為混凝土的彈性模量，MPa；dc為混凝土單軸受壓損傷演化參數(shù)；αc為受壓曲線下降段的參數(shù)值，具體數(shù)值可按規(guī)范得出；ρc=fc,r/Ecεc,r(fc,r為混凝土單軸抗壓強度,MPa；εc,r為與fc,r對應(yīng)的混凝土峰值拉應(yīng)變)；n=Ecεc,r/(Ecεc,r-fc,r)；x=ε/εc,r。

考慮擬靜力仿真對后續(xù)室內(nèi)擬靜力試驗的指導(dǎo)作用，ABAQUS材料彈塑性參數(shù)依據(jù)相應(yīng)混凝土強度標準值進行輸入。帶孔鋼板連接裝配式橋墩的墩柱與承臺之間的接觸面，按照C60強度的混凝土確定灌漿料參數(shù)。

采用方自虎提出的鋼筋應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系滯回模型，通過定義鋼筋的循環(huán)路徑來改變鋼筋的滯回耗能性能，依此近似考慮鋼筋混凝土之間的粘結(jié)滑移效應(yīng)[12-13]。

2.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件確定

混凝土和鋼板采用八節(jié)點線性減縮積分單元C3D8R，鋼筋采用三維兩節(jié)點桁架單元T3D2，混凝土網(wǎng)格尺寸為50 mm。圖2給出了現(xiàn)澆和帶孔鋼板連接兩種結(jié)構(gòu)形式的有限元模型。圖3給出了帶孔鋼板與灌漿波紋管的定位細節(jié)圖。

a 現(xiàn)澆形式 b 帶孔鋼板連接圖2 兩種構(gòu)件形式的有限元模型Fig.2 Finite element models of two types of components

圖3 帶孔鋼板與灌漿波紋管細節(jié)圖Fig.3 Detail drawing of perforated steel plate and grouting bellows

在初始步，于承臺底部和錨固處設(shè)置3個方向的平動約束，在柱頂中心參考點處設(shè)置平面外平動約束。在分析步的第一步，施加不同情形的軸壓力。在分析步的第二步，施加制定好的水平往復(fù)位移。

2.3 擬靜力數(shù)值分析

2.3.1 滯回曲線

圖4和圖5給出不同軸壓比工況下，現(xiàn)澆形式與帶孔鋼板連接形式橋墩的滯回曲線。對比兩種結(jié)構(gòu)形式的滯回曲線，均有著較為明顯的上升階段和下降階段，上升階段隨著變形增大，混凝土與鋼筋共同受力，承載力逐漸提高，下降階段混凝土損傷較大，變?yōu)殇摻钪饕芰Γ休d力到達峰值后開始減小。隨著水平位移、軸壓比的增大，滯回環(huán)逐漸變得飽滿。承載力和曲線形狀的相似，說明帶孔鋼板連接形式的裝配式橋墩有著和現(xiàn)澆橋墩相類似的承載能力和耗能能力。

圖4 不同軸壓比工況現(xiàn)澆橋墩滯回曲線Fig.4 Hysteretic curve of cast-in-situ pier under different axial compression ratios

圖5 不同軸壓比工況帶孔鋼板連接橋墩滯回曲線Fig.5 Hysteresis curves of bridge piers connected with perforated steel plates under different coaxial pressure ratios

2.3.2 骨架曲線

圖6和圖7給出了不同軸壓比工況下，現(xiàn)澆形式與帶孔鋼板連接形式橋墩的骨架曲線。對比兩種結(jié)構(gòu)形式的骨架曲線，發(fā)現(xiàn)二者均有明顯的上升階段和下降階段。軸壓比為0.1時，兩種結(jié)構(gòu)形式的最大承載力較小，曲線隨位移增大下降較慢；軸壓比加大到0.25、0.4時，曲線隨位移增大下降較快，這是因為結(jié)構(gòu)接近破壞時，混凝土對鋼筋的約束固定作用減小。此外，隨著軸壓比的增大，兩種結(jié)構(gòu)形式的最大承載力均會隨之上升，最大承載力的數(shù)值在表1中給出。觀察最大承載力數(shù)值，發(fā)現(xiàn)軸壓力為0.1時，兩種結(jié)構(gòu)形式的最大承載力差異最大，這是因為在ABAQUS中，墩柱與承臺之間采用了接觸設(shè)置，即受拉分開，所以軸壓比的影響較大。隨著軸壓比的增大，帶孔鋼板連接結(jié)構(gòu)形式的最大承載力逐漸趕上甚至反超了現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)形式的最大承載力，這是因為隨著墩柱底部的混凝土破壞，帶孔鋼板會一定程度增強柱底強度。

圖6 不同軸壓比工況現(xiàn)澆橋墩骨架曲線Fig.6 Skeleton curve of cast-in-situ pier under different axial compression ratios

圖7 不同軸壓比工況帶孔鋼板連接橋墩骨架曲線Fig.7 Skeleton curve of pier connected with perforated steel plate under different axial compression ratios

表1 不同軸壓比工況最大承載力Table 1 Maximum bearing capacity under different axial compression ratios kN

2.3.3 剛度退化

考慮3種軸壓比工況，研究現(xiàn)澆形式與帶孔鋼板連接形式橋墩的剛度退化趨勢，對比分析不同水平位移下的結(jié)構(gòu)剛度數(shù)值大小。橋墩結(jié)構(gòu)的剛度可以用割線剛度來表示，割線剛度的定義如式(3)所示：

(3)

式中：Ki表示第i次位移循環(huán)橋墩結(jié)構(gòu)的割線剛度,kN/mm；+Fi和-Fi分別表示第i次位移循環(huán)正、負峰值點的水平力,kN；+Xi和-Xi分別表示第i次位移循環(huán)正、負峰值點的水平位移,mm。

表2和表3給出了不同軸壓比工況下，現(xiàn)澆形式與帶孔鋼板連接形式橋墩的剛度。表中割線剛度對應(yīng)的水平位移循環(huán)級別為2 mm、8 mm、16 mm、32 mm和56 mm。對比兩種結(jié)構(gòu)形式的剛度隨著水平位移的增大，兩種結(jié)構(gòu)剛度都有逐漸變小的趨勢，因為結(jié)構(gòu)進入彈塑性階段即發(fā)生了損傷，結(jié)構(gòu)的強度會減小。此外，當水平位移為2 mm時，兩種結(jié)構(gòu)形式的剛度差異較大。這與骨架曲線中承載能力差異大的現(xiàn)象一致，是因為墩柱與承臺之間采用了接觸設(shè)置，即受拉分開，所以受軸壓比、水平位移的影響較大。實際情形中裝配式橋墩的剛度會比數(shù)值模擬的結(jié)果要大一些。隨著軸壓比、水平位移的增大，帶孔鋼板連接橋墩的剛度逐漸和現(xiàn)澆橋墩的剛度趨于一致。

表2 不同軸壓比工況現(xiàn)澆橋墩剛度大小Table 2 Rigidity of cast-in-place piers under different axial compression ratios kN/mm

表3 不同軸壓比工況帶孔鋼板連接橋墩剛度大小Table 3 Rigidity of pier connected with perforated steel plate under different axial compression ratios kN/mm

3 結(jié)論

為研究帶孔鋼板連接的裝配式橋墩的抗震性能，利用仿真軟件進行擬靜力數(shù)值分析，對比分析不同軸壓比工況下結(jié)構(gòu)的抗震性能參數(shù)，具體結(jié)論如下：

(1)帶孔鋼板定位的裝配式橋墩有著和現(xiàn)澆橋墩相似的滯回曲線形狀和各級承載峰值，二者的抗震耗能性能相近。

(2)受軸壓比影響，墩柱最大承載能力隨軸壓比增大而增大，承載能力曲線下降段也隨軸壓比增大而變陡。

(3)軸壓比大于0.25時，帶孔鋼板定位的裝配式橋墩的最大承載力會逐漸超過現(xiàn)澆橋墩，帶孔鋼板對墩柱的抗震性能有一定增強作用。