基于嚴(yán)寒環(huán)境下Y型橋墩單調(diào)加載時(shí)受力分析

范長(zhǎng)春

(沈陽(yáng)建筑大學(xué)交通工程學(xué)院 遼寧 沈陽(yáng) 110168)

在現(xiàn)代橋梁設(shè)計(jì)中，人們對(duì)橋墩的要求越來(lái)越偏向占地面積小且造型優(yōu)美，滿足受力要求的同時(shí)也為城市增加色彩，因此獨(dú)柱式Y(jié)型橋墩以其較小的占地面積、較美的造型成為了今后城市橋梁系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。同時(shí)國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于鋼筋混凝土橋墩也進(jìn)行了大量有意義的研究工作，取得了豐碩的研究成果[1-4]。

一、工程背景

遼寧省某市新二環(huán)路建設(shè)全線采用城市高架橋Y型預(yù)應(yīng)力混泥土橋墩如圖1所示，墩底截面尺寸為160 cm × 500 cm，兩墩肢截面尺寸為 160 cm × 190 cm，兩肢臂彎曲處的半徑為1500cm，墩頂以下30cm處設(shè)置兩肢臂間的橫向聯(lián)系梁，墩頂以下440cm處設(shè)置高度為60cm，半徑為70cmU形槽。

圖1 高架橋Y型橋墩

二、有限元模型的建立

(一)計(jì)算參數(shù)的選取

對(duì)于C40混凝土，泊松比：0.1667，彈性模量：3.25×104Mpa，容重為26.5kN/m3。對(duì)于HRB335鋼筋，泊松比：0.1667，彈性模量：2×105MPa。對(duì)于預(yù)應(yīng)力精軋螺紋鋼筋，張拉噸位：635kN，泊松比：0.3，彈性模量：1.95×105MPa，容重為 82.5kN/m3，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度：930MPa。對(duì)于軸壓比，分別選用0.3、0.5、0.7的大小，對(duì)于墩高，分別選取8m、10m、12m的高低進(jìn)行數(shù)值分析。

(二)有限元模型

假設(shè)鋼筋和混泥土之間的粘結(jié)是理想性，利用ABAQUS有限元仿真軟件對(duì)高架橋Y型橋墩進(jìn)行理想彈塑性模型的模擬，取8節(jié)點(diǎn)六面體單元C3D8R的混凝土構(gòu)件，取兩節(jié)點(diǎn)三維桁架單元 T3D2的鋼筋，有限元模型取8米橋墩為例如圖2所示。

(a)橋墩混凝土 (b)橋墩鋼筋籠

(三)載荷施加與邊界條件

(1)荷載施加

本文建立的城市高架橋Y型橋墩的有限元模型，共分成四個(gè)分析步來(lái)進(jìn)行荷載施加：

第一步是整體溫度荷載的施加。本文研究在嚴(yán)寒環(huán)境的背景下，根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》考慮最高的有效溫度為34℃，最低的有效溫度為-23℃，采取溫降的方式進(jìn)行有限元分析[5]。

第二步是施加預(yù)應(yīng)力。直接施加預(yù)應(yīng)力會(huì)比較繁瑣，故此采用溫差法來(lái)模擬預(yù)應(yīng)力筋對(duì)鋼筋的預(yù)加力的作用。

第三步施加軸壓比的作用。

第四步是位移加載，采用一次函數(shù)的單調(diào)加載方式。

(2)邊界條件

橋墩的墩底限制6個(gè)自由度，橋墩頂部自由無(wú)約束，墩頂?shù)慕孛嫣幨┘虞S向壓力。圖3為模型的邊界條件及加載示意圖。

圖3 模型的邊界條件及加載示意圖

三、參數(shù)分析

橋墩的墩頂邊界條件對(duì)橋墩的受力性能有很大的影響，墩頂?shù)募s束越多，橋墩的受力性能就會(huì)明顯提高。因此，在實(shí)際工程中應(yīng)采取相應(yīng)的有效措施來(lái)保證節(jié)點(diǎn)所受的約束。本文討論了軸壓比、橋墩高度對(duì)城市高架橋Y型橋墩受力性能的影響規(guī)律。由于Y型橋墩截面形狀的特殊性，為了更貼合實(shí)際，考慮了兩個(gè)方向進(jìn)行位移加載，即：順橋向加載和橫橋向加載。各個(gè)參數(shù)的受力性能分析是基于橋墩模型單調(diào)加載后的荷載位移曲線，其中Pu表示極限荷載，Δu表示極限荷載對(duì)應(yīng)的位移。

(一)軸壓比的影響

由于軸壓比的大小對(duì)模型的靜力性能有較大的影響[6]。本文在有限元模型分析中，采用軸壓比分別為0.3、0.5和0.7。軸壓比參數(shù)分析模型見(jiàn)表1。

表1 軸壓比相關(guān)參數(shù)

橋墩的荷載與位移曲線是橋墩靜載試驗(yàn)的一個(gè)基本要求和重要結(jié)果。通過(guò)對(duì)軸壓比三組不同的模型進(jìn)行單調(diào)加載模擬，得到不同軸壓比下的橋墩荷載位移曲線如圖4和圖5所示，其分別表示不同軸壓比在順橋向和橫橋向加載時(shí)的荷載位移曲線，可以看出無(wú)論是在順橋向加載還是橫橋向加載，軸壓比大小的變化對(duì)橋墩極限荷載和其對(duì)應(yīng)的位移的影響在圖形形狀趨勢(shì)走向表現(xiàn)一致。

圖4 不同軸壓比荷載位移曲線(順橋向)

圖5 不同軸壓比荷載位移曲線(橫橋向)

橋墩的初始剛度在不同軸壓比下基本保持一致，橋墩的極限荷載大小隨著軸壓比的增大而增大，其對(duì)應(yīng)的位移卻逐漸減小，也就是說(shuō)，隨著軸壓比的增大橋墩達(dá)到極限荷載所需時(shí)間也越來(lái)越小。

從表2和表3可以推出：與軸壓比0.5相比較，軸壓比0.3的極限荷載降低幅度要大于軸壓比0.7的提升幅度，結(jié)合橋墩的初始剛度變化不大，可得出軸壓比由0.3增大到0.7時(shí)，軸壓比的增加對(duì)橋墩的受力性能的影響幅度開(kāi)始減小。

表2 不同軸壓比分析結(jié)果(順橋向)

表3 不同軸壓比分析結(jié)果(橫橋向)

(二)墩高的影響

橋墩的高度對(duì)橋墩的受力特性有著很大的影響，一般來(lái)說(shuō)，在截面不變的條件下橋墩越高結(jié)構(gòu)越柔。本節(jié)建立了三種不同高度的Y型橋墩模型，橋墩高度分別為8m、10m、12m，軸壓比取0.7，表4為不同墩高的相關(guān)參數(shù)。

表4 墩高的相關(guān)參數(shù)

Y型橋墩在三種不同墩高下的荷載位移曲線見(jiàn)圖6和圖7，可以看出橋墩高度的變化對(duì)其初始剛度、極限荷載有很大的影響，而且墩高在順橋向的影響要大于橫橋向，由于截面形式的不同，順橋向極限荷載相對(duì)于橫橋向較小。橋墩越高，初始剛度和極限荷載就越小，說(shuō)明了隨著橋墩高度的增加，橋墩中部易發(fā)生彎曲，影響其受力性能，從而導(dǎo)致其承載能力下降。所以，在條件允許的情況下，盡可能的降低橋墩高度有利于提高橋墩的受力性能。

圖6 不同墩高荷載位移曲線(順橋向)

圖7 不同墩荷載位移曲線(橫橋向)

表5 不同墩高分析結(jié)果(順橋向)

表6 不同墩高分析結(jié)果(橫橋向)

四、結(jié)論

(1)在嚴(yán)寒環(huán)境下，城市高架橋Y型橋墩的軸壓比的增加能顯著的影響橋墩的受力性能，橋墩的承載能力會(huì)隨著軸壓比的增大而提升。所以，選取合適的軸壓比可以提高Y型橋墩的受力性能。

(2)在嚴(yán)寒環(huán)境下，城市高架橋Y型橋墩的墩高越高，初始剛度和極限荷載就越小，因此，在工程中盡可能的降低橋墩高度有利于提高橋墩的承載能力。