彎曲螺栓連接節(jié)段拼裝橋墩側(cè)向承載性能分析

魏贊洋 亓路寬 陳娜寧

(北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，北京 100124)

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彎曲螺栓連接節(jié)段拼裝橋墩側(cè)向承載性能分析

魏贊洋 亓路寬 陳娜寧

(北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，北京 100124)

設(shè)計(jì)了一種用于節(jié)段拼裝橋墩的彎曲螺栓連接構(gòu)造，采用數(shù)值模擬方法對(duì)帶連接橋墩和常規(guī)橋墩進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明：與常規(guī)橋墩相比，拼裝橋墩初始剛度和破壞形態(tài)不變，極限側(cè)向力承載能力下降很少，設(shè)計(jì)方案可行。

節(jié)段拼裝橋墩，側(cè)向承載性能，有限元數(shù)值分析

0 引言

隨著我國城市化建設(shè)的加快，土地資源的日趨緊缺，更多的橋梁建設(shè)工程不得不面對(duì)施工場(chǎng)地狹小、施工時(shí)段受限、工期緊等問題。預(yù)制拼裝技術(shù)是解決這一矛盾的有效方法。但是相對(duì)于橋梁上部結(jié)構(gòu)，橋墩的預(yù)制拼裝技術(shù)尚不成熟。傳統(tǒng)的預(yù)制拼裝橋墩多帶有貫通各個(gè)節(jié)段的預(yù)應(yīng)力鋼束，為了保證橋墩的側(cè)向承載能力通常需要施加較大的預(yù)應(yīng)力荷載。橋墩除了承受上部結(jié)構(gòu)重力外還要承受額外的預(yù)應(yīng)力，因而必須加大截面或采用高標(biāo)號(hào)混凝土，導(dǎo)致造價(jià)提高。

為了克服以上不足，本文設(shè)計(jì)了一種采用彎曲螺栓的連接構(gòu)造，并建立了三維仿真模型。模型中考慮接觸和材料非線性的影響，對(duì)彎曲螺栓連接節(jié)段拼裝橋墩的側(cè)向承載性能進(jìn)行分析。獲得螺栓連接預(yù)制橋墩的破壞形態(tài)和側(cè)向抗力—位移曲線，為評(píng)估彎曲螺栓連接節(jié)段拼裝橋墩的抗側(cè)向力承載能力提供一種有效手段。

1 數(shù)值模型

1.1 螺栓連接構(gòu)造設(shè)計(jì)

本文選用較為常見的邊長100 cm正方形截面常規(guī)混凝土橋墩作為參照對(duì)象。常規(guī)混凝土橋墩的墩身采用C40混凝土?？v向鋼筋采用φ32 HRB335鋼筋，鋼筋間距15 cm，全截面共24根，配筋率1.93%；箍筋采用φ12 R235鋼筋，間距8 cm，保護(hù)層厚度3 cm。節(jié)段拼裝橋墩除了連接構(gòu)造部分外采用與常規(guī)混凝土橋墩相同的截面。預(yù)制節(jié)段之間采用彎曲螺栓連接。螺栓強(qiáng)度采用8.8級(jí)高強(qiáng)螺栓。單側(cè)螺栓的總截面面積，依照連接段強(qiáng)度大于常規(guī)截面的原則由常規(guī)截面縱筋換算。最終擬定為每側(cè)4根M30螺栓，彎曲螺栓曲線半徑45 cm，單根螺栓長48 cm。

為了保證彎曲螺栓連接局部的強(qiáng)度及與縱筋的連接，預(yù)制節(jié)段橋墩的端部采用鋼板預(yù)埋件的方式進(jìn)行加固。混凝土截面內(nèi)縱筋與鋼板預(yù)埋件采用搭焊的方式連接。

彎曲螺栓連接構(gòu)造如圖1所示。

1.2 材料本構(gòu)

數(shù)值仿真模型中墩身混凝土采用混凝土損傷本構(gòu)模型模擬，混凝土損傷本構(gòu)模型基本參數(shù)如表1所示。

表1 損傷本構(gòu)模型基本參數(shù)

混凝土損傷模型所需的混凝土單軸抗拉、抗壓曲線依照文獻(xiàn)附錄C中的公式計(jì)算。公式中極限抗壓和抗拉應(yīng)力采用文獻(xiàn)中C40混凝土的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。損傷采用基于高斯積分求解的經(jīng)典損傷理論法確定。單軸強(qiáng)度曲線和損傷曲線如圖2所示。

鋼筋和鋼板預(yù)埋件采用二折線經(jīng)典金屬塑性本構(gòu)模型模擬，HRB335縱筋和R235箍筋的屈服強(qiáng)度分別采用強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值335 MPa和235 MPa。鋼板采用Q235鋼材，屈服強(qiáng)度取235 MPa。

1.3 建模方法

分別建立帶彎曲螺栓連接構(gòu)造的節(jié)段拼接橋墩和常規(guī)混凝土橋墩的實(shí)體仿真模型。橋墩承受的豎向荷載按軸壓比0.3考慮；水平力加載點(diǎn)距連接面高度5.5 m，位移控制加載。由于模擬對(duì)象為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，為了降低計(jì)算成本建立1/2模型。

為了保證計(jì)算的收斂性，分析過程采用顯式算法。預(yù)制節(jié)段連接面之間、螺栓與栓孔之間采用接觸模擬。法線方向接觸性質(zhì)定義為硬接觸，切面方向接觸性質(zhì)定義為罰公式，摩擦系數(shù)取0.03。在幾何形狀復(fù)雜處墩身混凝土采用線性四面體實(shí)體單元(C3D4)；幾何形狀規(guī)則處采用線性非協(xié)調(diào)六面體實(shí)體單元(C3D8I)；鋼板預(yù)埋件采用線性殼單元(S4R,S3R)；鋼筋采用線性桁架單元(T3D2)模擬。鋼筋、鋼板、混凝土單元之間共用節(jié)點(diǎn)。預(yù)制拼裝橋墩網(wǎng)格劃分如圖3所示。

2 數(shù)值模擬結(jié)果

2.1 抗側(cè)向力—位移曲線

水平側(cè)向抗力與墩頂位移關(guān)系曲線如圖4所示。由圖4可見，相比于相同截面的常規(guī)混凝土橋墩，采用彎曲螺栓連接的節(jié)段拼裝橋墩抗水平力初始剛度基本不變，水平抗側(cè)力極限承載力略有下降。

2.2 破壞形態(tài)

預(yù)制拼裝橋墩和常規(guī)混凝土橋墩的壓碎損傷云圖和開裂損傷云圖如圖5所示。

由圖5可見預(yù)制拼裝橋墩和常規(guī)混凝土橋墩的破壞形態(tài)較為相似。開裂損傷均表現(xiàn)為受拉一側(cè)的水平裂縫。壓碎損傷表現(xiàn)為受壓一側(cè)墩底混凝土壓碎。但節(jié)段拼裝橋墩因端部鋼板預(yù)埋件的加固作用使損傷發(fā)生在連接構(gòu)造上方的常規(guī)截面區(qū)段上?？梢哉J(rèn)為鋼板件預(yù)埋有效地保證了連接構(gòu)造區(qū)域的強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件的設(shè)計(jì)原則。

3 結(jié)語

與相同截面的常規(guī)混凝土橋墩相比，帶彎曲螺栓連接構(gòu)造的節(jié)段拼裝橋墩的初始剛度基本不變，極限側(cè)向力承載能力略有減小。節(jié)段拼裝橋墩的破壞形態(tài)基本表現(xiàn)為與常規(guī)混凝土橋墩相似的偏心受壓破壞。說明設(shè)計(jì)的鋼板預(yù)埋件能有效地對(duì)連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加固，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件的概念。所以彎曲螺栓連接構(gòu)造為實(shí)現(xiàn)節(jié)段拼裝橋墩的可行方案。

[1]王志強(qiáng)，葛繼平，魏紅一，等.節(jié)段拼裝橋墩抗震性能研究進(jìn)展.地震工程與工程振動(dòng),2009(4):147-154.

[2]GB 50010—2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范.

[3]JTG D62—2004，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范.

[4]秦 浩，趙憲忠.ABAQUS混凝土損傷因子取值方法研究.結(jié)構(gòu)工程師,2013(6):27-32.

Analysis of lateral force resistance of modular pier with connecting using curved bolt

Wei Zanyang Qi Lukuan Chen Naning

(BeijingUniversityofTechnology,CollegeofArchitecture&CivilEngineering,Beijing100124,China)

A kind of connecting using curved bolt for modular pier is designed in this paper. By using numerical simulation methods the performance of modular pier and conventional pier is compared. The results showed that: compared with the conventional pier, initial stiffness and failure pattern of modular pier is unchanged, lateral force resistance decreased only a little. The design is feasible.

modular pier， lateral force resistance， numerical analysis of finite element

1009-6825(2015)18-0175-02

2015-04-15

魏贊洋(1989- )，男，在讀碩士； 亓路寬(1963- )，男，教授； 陳娜寧(1988- )，女，在讀碩士

U443.3

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