基于數值模擬對預制節段拼裝橋墩抗震性能研究

張德祥

(河北高速集團工程咨詢公司 石家莊市 050035)

0 引言

隨著國家經濟的快速發展，橋梁工程的建設越來越多，跨海大橋、穿越峽谷的高架橋、高速公路橋及城市內快速高架橋等不斷在建設，但由于橋梁工程施工難度較大，建設的規模也較大，通常在短時間內不能完成施工，因此將會影響交通等一系列問題。隨著國內預制構件技術的成熟[1-2]，越來越多的結構構件采用在預制場進行預制，隨后運至施工現場進行拼裝，如此一來可以大大加快施工的速度，但對于預制拼裝技術[3]，其抗震性如何，是一個必須研究的問題。為研究橋梁工程中預制節段拼裝橋墩的抗震性能，通過ABAQUS有限元軟件建立三維的模型對橋梁工程中有粘結預應力鋼筋預制節段拼裝墩柱與無粘結預應力鋼筋預制節段拼裝墩柱進行研究，希望能對橋梁工程中預制構件拼裝技術的運用提供參考。

1 有限元模型的建立

對于預制節段拼裝橋墩主要是通過預應力鋼筋的預應力使各個墩柱節段連接在一起，而對于預應力鋼筋的處理一般是通過在孔道內灌注混凝土形成整體，另外一種是不灌漿，采用無粘結的連接方式。

1.1 模型參數的設置

為對有粘結的連接方式與無粘結方式進行研究，建立兩組模型進行分析。所建立的模型尺寸為180mm×240mm，模型的截面圖如圖1所示。在墩柱的截面上預留出預應力鋼筋的道孔，節段拼裝的高度為420mm，預制墩柱整體的高度為1.68m，下部承臺的截面為600mm×600mm，高度為0.4m，采用C30混凝土進行模擬，在墩柱的內部采用直徑為10mm的三級鋼進行模擬，箍筋則采用直徑為6mm的二級鋼，預應力鋼筋采用12.7鋼絞線，預應力鋼筋錨固在墩柱的上下兩端，單根的預應力鋼筋的預應力為24.5kN。

圖1 墩柱截面圖(單位：mm)

1.2 混凝土的本構模型

在ABAQUS有限元軟件中[4-6]，對混凝土的模擬可以根據不同的要求選擇不同的本構模型，在ABAQUS有限元軟件中混凝土的本構模型包括脆性開裂模型、彌散開裂模型和塑性損傷模型,因為需模擬混凝土結構在往復荷載作用下的塑性變形、延性變形及損傷開裂，因此采用塑性損傷模型進行模擬，該模型的應力應變曲線如圖2所示，具體的C30混凝土受壓及受拉狀態下的應力-應變關系數值見表1所示。

圖2 塑性損傷模型混凝土應力應變曲線圖

表1 混凝土受壓及受拉的應力-應變值

1.3 鋼筋的本構模型

在ABAQUS軟件中，對于鋼筋的模擬一般是采用線桁架單元進行模擬，與混凝土單元相同采用內置的方式進行連接，并且不考慮混凝土與鋼筋之間的粘結滑移，具體的鋼筋本構模型見圖3所示，模擬中鋼筋的參數設置見表2所示，鋼筋的應力-應變曲線見圖4所示。

圖3 鋼筋本構模型

圖4 鋼筋的應力-應變曲線圖

表2 鋼筋參數設置表

1.4 相互作用的設置

在有限元軟件中對各構件的相互作用定義準確至關重要，將決定模型正確與否，相互作用定義不正確，會導致無法進行分析計算，或導致計算的結果出現錯誤。采用干接縫的連接方式作為墩柱節段的連接，該連接方式構件接觸面可不設置軟接觸，采用硬接觸定義各接觸面，使構件在受到不同方向荷載作用時均能分析計算，例如當接觸面受到壓力作用時，接觸面之間能起到傳遞荷載的作用，當接觸面無豎向壓力受水平作用力時，接觸面能錯動，發生局部分離。

1.5 模擬荷載的設置

為模擬結構在地震作用下的抗震性能，通過在墩柱施加往復的水平荷載，并且在墩柱頂部施加豎向荷載，水平荷載的加載示意圖如圖5所示。

圖5 荷載加載圖

2 模擬結果分析

2.1 骨架曲線分析

通過模擬得到模型的骨架曲線，對有粘結應力與無粘結應力的骨架曲線進行分析，具體的結果如圖6所示。

圖6 骨架曲線圖

從圖6的骨架曲線可以看出，不管是有粘結預應力鋼筋的預制節段拼裝墩柱還是無粘結預應力鋼筋預制節段拼裝墩柱，它們的骨架曲線變化趨勢大致相似，不同的是有粘結預應力鋼筋預制節段拼裝墩柱的抗側力比較大，在正向荷載作用下，當位移約為0.17m時，有粘結預應力鋼筋墩柱抗側力約為11115N，無粘結預應力鋼筋墩柱抗側力約為8405N，相比有粘結預應力鋼筋少2710N；在反向荷載作用下，當位移約為-0.15m時，有粘結預應力鋼筋墩柱抗側力約為11115N，無粘結預應力鋼筋墩柱抗側力約為8405N，相比有粘結預應力鋼筋少2710N；從圖中可以看出其抗力發生較大變化的位移點約為正負0.025m處，此后有粘結預應力鋼筋的預制節段拼裝墩柱的抗側力明顯增大，說明此時預應力鋼筋開始發揮作用，并且有粘結預應力鋼筋要比無粘結的預應力發揮的效果好；但當正向位于大于0.15m后有粘結預應力鋼筋的預制拼裝墩柱其抗側力變化不大，說明在反復荷載的作用下，對有粘結預應力鋼筋的性能有降低的影響，不能有較好的搖擺性能。

2.2 剛度分析

從2.1的骨架曲線可以等到墩柱的剛度變化曲線，具體的結果如圖7所示。

圖7 剛度曲線圖

從圖7中可知，有粘結的預應力鋼筋預制節段拼裝墩柱與無粘結預應力鋼筋預制節段拼裝墩柱的剛度變化趨勢大致相同，但無粘結預應力鋼筋墩柱的剛度退化會較快，而有粘結預應力鋼筋的墩柱則會出現一定的波動。

2.3 核心區混凝土

模擬得到的墩柱核心混凝土的應力[8-10]變化曲線結果如圖8所示。

圖8 墩柱核心區混凝土應力變化曲線圖

從圖8可以看出，不管是有粘結預應力鋼筋的預制節段拼裝墩柱還是無粘結預應力鋼筋預制節段拼裝墩柱，它們的核心區應力曲線變化趨勢大致相似，不同的是有粘結預應力鋼筋預制節段拼裝墩柱的核心區混凝土應力值更大，變化的幅度也較大；當時間為14s左右，有粘結預應力鋼筋的預制節段拼裝墩柱核心區混凝土應力值達到最大，約為7MPa，無粘結預應力鋼筋的預制節段拼裝墩柱核心區混凝土應力值也達到最大，約為2.5MPa；相比有粘結預應力鋼筋的預制節段拼裝墩柱小4.5MPa，可見有粘結預應力鋼筋能大幅度地提高核心區混凝土的抗壓能力，無粘結預應力鋼筋預制節段拼裝墩柱的核心區混凝土變化較小，壓力值也較小，較不容易出現壓碎的現象。

2.4 裂縫的張開量

通過模擬得到兩墩柱節段底部與承載間的裂縫張開量，具體的結果見圖9所示。

圖9 裂縫張開量圖

從圖9中可以看出，無論是有粘結預應力鋼筋預制節段拼裝墩柱還是無粘結預應力鋼筋預制節段拼裝墩柱，其墩柱與承臺的裂縫張開量隨著位移加載的增大而增多，并且發現無粘結預應力鋼筋預制節段拼裝墩柱的裂縫張開量更大，主要是因為其預應力鋼筋與混凝土缺少粘結，墩柱搖擺的情況較為嚴重，導致裂縫出現的量較多。

3 結論

通過ABAQUS有限元軟件建立三維模型對橋梁工程中有粘結預應力鋼筋預制節段拼裝墩柱與無粘結預應力鋼筋預制節段拼裝墩柱進行研究，結果表明：對預應力鋼筋進行粘結處理能提高墩柱的剛度及抗側力，并且能使墩柱核心區的混凝土應力應變范圍增大，因此對于在低烈度地區可以采用有粘結的預應力拼裝墩柱。