基于ABAQUS的節(jié)段拼裝雙柱橋墩接縫在地震下的損傷分析

汪家華

重慶大學(xué)土木工程學(xué)院 重慶大學(xué) 重慶 400045

引言

裝配式橋梁結(jié)構(gòu)由于其便于施工，經(jīng)濟(jì)節(jié)約，環(huán)保無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)在橋梁工程領(lǐng)域得到了越來(lái)越多建設(shè)人員的偏愛(ài)。2016年，中共中央國(guó)務(wù)院《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)城市規(guī)劃建設(shè)管理工作的若干意見(jiàn)》中提出，大力推廣裝配式建筑，加大政策支持力度，力爭(zhēng)用十年左右時(shí)間，使裝配式建筑占新建建筑的比例達(dá)到30%，可以預(yù)見(jiàn)在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)，預(yù)制裝配式橋梁技術(shù)將得到廣發(fā)的研究和應(yīng)用。

橋墩是裝配式橋梁結(jié)構(gòu)中最薄弱且易損壞的部分，特別是遭遇地震時(shí)尤其明顯，而節(jié)段式拼裝橋墩由于存在接縫，在地震動(dòng)作用下更易破壞。我國(guó)目前對(duì)裝配式橋墩的研究多集中于單柱式橋墩，而對(duì)裝配式雙柱橋墩的研究較少。在我國(guó)，學(xué)者陳興沖和虞廬松等最早開(kāi)始裝配式雙柱橋墩研究[1-4]。研究裝配式橋墩抗震性能的方法分為試驗(yàn)研究和理論分析，試驗(yàn)研究主要是振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)法，理論分析主要是解析法，集中塑性鉸法，纖維模型法和實(shí)體有限元模型法。過(guò)去對(duì)裝配式橋墩的研究多集中于靜力的研究方法，如擬靜力試驗(yàn)[5]，靜力彈塑性分析法（Pushover Analysis）[6-7]等，而采用振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)法和實(shí)體有限元模型法則相對(duì)較少[8]。實(shí)體有限元模型法可用有限元軟件如ANSYS，ABAQUS，OPENSEES等進(jìn)行，隨著有限元技術(shù)的發(fā)展，采用 ABAQUS 等實(shí)體單元模型進(jìn)行裝配式橋墩的有限元分析逐漸顯現(xiàn)其優(yōu)勢(shì)。本文采用實(shí)體有限元模型法，利用ABAQUS軟件對(duì)裝配式節(jié)段拼裝雙柱橋墩建模，模擬裝配式節(jié)段拼裝雙柱橋墩在橫向地震動(dòng)和豎向地震動(dòng)作用下節(jié)段拼裝墩柱接縫處端面的應(yīng)力應(yīng)變分布，分析了應(yīng)力應(yīng)變分布特點(diǎn)，為研究裝配式節(jié)段拼裝雙柱橋墩抗震提供依據(jù)。

1 建立模型

參考高聰?shù)脑囼?yàn)原型[9]，結(jié)合工程實(shí)際及ABAQUS軟件，設(shè)該模型包括六個(gè)墩柱節(jié)段，橫梁及底座，各墩柱節(jié)段與橫梁及底座用連接鋼筋連接。其各裝配部件尺寸如圖一所示。建模時(shí)，鋼筋采用HRB335鋼筋，屈服強(qiáng)度210MPa，混凝土密度2400 kg/m3，重力加速度取9.81m/s2。節(jié)段墩柱鋼筋構(gòu)造及數(shù)量如圖二和表一所示。

圖一 模型尺寸

圖二 節(jié)段墩柱尺寸及鋼筋構(gòu)造

表一 墩柱節(jié)段所配鋼筋數(shù)量表

用ABAQUS建模時(shí)，要考慮混凝土的本構(gòu)關(guān)系，ABAQUS提供了三種混凝土本構(gòu)模型，包括脆性開(kāi)裂模型，彌散開(kāi)裂模型和塑形損傷模型。根據(jù)本文研究目的采用塑性損傷本構(gòu)模型，在ABAQUS軟件中設(shè)定參數(shù)時(shí)除膨脹角取30度外，其他值取ABAQUS的默認(rèn)值。混凝土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和損傷參數(shù)在參考方自虎的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上取定[10]，即混凝土拉應(yīng)力上升段取直線，下降段選用我國(guó)混凝土規(guī)范中的公式?；炷潦軌呵€取我國(guó)規(guī)范中的公式（公式1），ε0取歐盟規(guī)范規(guī)定的數(shù)值（即取歐盟規(guī)范規(guī)定公式中峰值應(yīng)力對(duì)應(yīng)的應(yīng)變），并將彈性段取到混凝土強(qiáng)度的0.4倍(圖三)?；炷敛此杀热?.16。損傷參數(shù)按照[11]計(jì)算，且取值到0.95以上。

σc為混凝土應(yīng)力；?為混凝土峰值應(yīng)力（即混凝土強(qiáng)度）；， εc為混凝土應(yīng)變。，ε0為峰值應(yīng)力對(duì)應(yīng)的應(yīng)變。

圖三 混凝土受拉受壓應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線

鋼筋采用桁架單元模擬，并采用嵌入?yún)^(qū)域約束將鋼筋嵌入到混凝土中。各節(jié)段墩柱之間的表面及節(jié)段墩柱與底座和蓋梁表面之間的接觸采用硬接觸，摩擦系數(shù)取0.5。在墩柱節(jié)段與橫梁和底座之間加以連接鋼筋，使之成為整體。在劃分單元時(shí)，鋼筋骨架采用T3D2單元，混凝土實(shí)體采用C3D8R單元。建成后的模型如圖所示。

圖四 雙柱節(jié)段拼裝橋墩ABAQUS模型

2 ABAQUS有限元模型分析

本文通過(guò)在模型底部施加地震波來(lái)模擬裝配式雙柱節(jié)段拼裝橋墩在地震下接縫處的受力及變形，所選的地震波由peer網(wǎng)站截取。在模型底部施加的地震波分兩種，一種為橫向地震波，一種為豎向地震波。所選的地震波如圖五所示。

圖五 地震波

2.1 施加橫向地震波

在模型底座沿橫向（y軸負(fù)方向）施加地震波，得各節(jié)段橋墩墩柱接縫處端面的應(yīng)力分布如圖六所示。從圖中可以看出，并排的左右節(jié)段墩柱端面應(yīng)力分布對(duì)稱(chēng)，在節(jié)段墩柱內(nèi)夾角和外尖角處應(yīng)力出現(xiàn)集中現(xiàn)象，上節(jié)段墩柱上端面和下節(jié)段墩柱下端面應(yīng)力沿地震波傳播的方向由負(fù)到正呈現(xiàn)層次性分布。

圖六 橫向地震波作用下各節(jié)段墩柱端面應(yīng)力分布

圖七是在給模型底座施加橫向地震波作用下，各節(jié)段墩柱端面應(yīng)變分布。從圖中可看出下節(jié)段墩柱上端面和中節(jié)段墩柱上端面應(yīng)變沿地震波傳播的方向由負(fù)到正呈現(xiàn)層次性分布，上節(jié)段墩柱上端面和下節(jié)段墩柱下端面應(yīng)變變化幅度較下節(jié)段墩柱上端面和中階段墩柱上端面的應(yīng)變變化幅度要小。

圖七 橫向地震波作用下各節(jié)段墩柱端面應(yīng)變分布

2.2 施加豎向地震波

在模型底座施加豎向（z軸負(fù)方向）地震波，得各節(jié)段墩柱端面應(yīng)力分布如圖八所示。從圖中可看出，中節(jié)段左墩柱內(nèi)夾角和內(nèi)邊出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，上節(jié)段右墩柱內(nèi)夾角和內(nèi)邊出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖八 豎向地震波作用下各節(jié)段墩柱截面應(yīng)力分布

圖九是在模型底座施加豎向（沿z軸負(fù)方向）地震波時(shí)，各節(jié)段墩柱端面應(yīng)變分布，從圖中可看出左右并排的下節(jié)段墩柱上端面和中節(jié)段墩柱上端面應(yīng)變分布，左邊墩柱端面應(yīng)變?yōu)檎?，右邊墩柱端面?yīng)變?yōu)樨?fù)。而且各節(jié)段墩柱端面應(yīng)變分布統(tǒng)一，由此可判斷模型墩柱應(yīng)變已屈服。

圖九 豎向地震波作用下各節(jié)段墩柱端面應(yīng)變分布

3 結(jié)論

通過(guò)以上在給裝配式節(jié)段拼裝雙柱橋墩建模后，給模型施加以地震波并分析各節(jié)段橋墩墩柱接縫處端面的應(yīng)力應(yīng)變分布可得出以下結(jié)論：

（1）當(dāng)裝配式節(jié)段拼裝雙柱橋墩受橫向且沿縱橋向地震動(dòng)作用時(shí)，并排的左右橋墩節(jié)段墩柱接縫處應(yīng)力應(yīng)變分布呈現(xiàn)對(duì)稱(chēng)性。

（2）當(dāng)裝配式節(jié)段拼裝雙柱橋墩受豎向地震動(dòng)作用時(shí)，并排的左右橋墩節(jié)段墩柱接縫處應(yīng)力應(yīng)變分布不對(duì)稱(chēng)，且較橫向地震動(dòng)作用下更易發(fā)生屈服現(xiàn)象。

（3）無(wú)論受橫向地震動(dòng)作用或豎向地震動(dòng)作用時(shí)，雙柱橋墩節(jié)段墩柱接縫處的內(nèi)邊和內(nèi)夾角及外尖角處易發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。