外置耗能角鋼承插式橋墩滯回性能研究

趙奇

摘 要：為提高承插式橋墩的抗震性能，以單柱式橋墩為研究對象，利用ABAQUS建立有限元模型。在承插式橋墩柱底與承臺連接處設置外置耗能角鋼，與整體式橋墩、不設外置耗能角鋼的承插式橋墩進行擬靜力分析對比，從滯回曲線和骨架曲線兩方面，分析結構的有效性和實用性。結果表明，外置角鋼的承插式橋墩與整體式橋墩抗震性能基本一致，在橋墩柱底設置耗能角鋼可以有效提高承插式橋墩的最大承載能力、剛度和耗能能力。

關鍵詞：承插式橋墩;滯回曲線;耗能角鋼;有限元模型

中圖分類號：U443.2? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）10-0158-03

裝配式建筑具有現(xiàn)場施工時間短、結構質量高和生態(tài)環(huán)保等優(yōu)點，逐漸成為我國重要的施工方式。裝配式橋墩是橋墩構件在預制場預制完成后，運至施工現(xiàn)場裝配、連接的橋墩結構。為了縮短施工工期，提高施工質量，大量裝配式混凝土墩柱應用于公路橋梁工程中[1]。由于主要構件都是在預制場生產，構件質量可控，唯一需要注意的是構件連接接縫處的力學性能是否可靠。根據連接方式的差別導致的預制拼裝橋墩與現(xiàn)澆式橋墩抗震性能的差異，可將連接方式分為兩大類，即非等同現(xiàn)澆體系及等同現(xiàn)澆體系兩類[2-3]。非等同現(xiàn)澆體系指后張預應力節(jié)段拼裝式橋墩，孫治國[4]、王震[5]等針對節(jié)段拼裝式橋墩進行了大量研究。等同現(xiàn)澆體系主要有灌漿套筒連接、金屬波紋管連接、插槽式連接和承插式連接等多種類型，這一體系的特點是結構的受力機制與力學性能和現(xiàn)澆橋墩接近，因此在抗震設防等級較高的地區(qū)有著很好的應用前景[6]。滯回曲線是指結構或構件在反復荷載作用下的荷載-變形的關系曲線，是分析結構抗震性能的基礎。它體現(xiàn)出結構在低周反復荷載作用下的變形情況、耗能能力以及剛度退化等性能特征，是確定恢復力模型和進行非線性地震反應分析的依據[7]。本文提出在承插式連接的基礎上，在柱與承臺連接處安裝外置耗能角鋼，以提升橋墩的耗能和承載能力。為此本文利用ABAQUS有限元軟件建立現(xiàn)澆式橋墩、承插式橋墩和外附耗能角鋼承插式橋墩有限元模型，探究外置耗能角鋼對承插式橋墩滯回性能的影響，分析外置耗能角鋼承插式橋墩在實際應用中的可行性。

1建立有限元模型并驗證

為驗證所建模型的正確性，本文對文獻[8]中的試驗模型進行數值模擬。文獻[8]對整體式橋墩進行了試驗，試件由墩帽、柱身和承臺三個構件組成，示意圖如圖1所示，尺寸如表1所示;采用C50混凝土，柱縱向設置12根直徑25mm的HRB400鋼筋，箍筋由直徑12mm和直徑16mm的HRB400鋼筋組成，箍筋間距設置為100mm，材料特性如表2所示。

軸壓比為0.1，豎向施加715635N的豎向軸壓力，水平加載采用控制位移的低周循環(huán)加載，加載制度為0.3Δy，0.6Δy，1Δy，1.5Δy，2Δy，3Δy，4Δy，5Δy，6Δy，7Δy。其中，1Δy后每等級加載3次，Δy為屈服位移，Δy =15.4mm。試件滯回曲線如圖2所示。

利用ABAQUS建立現(xiàn)澆式有限元模型，其中混凝土本構關系采用塑性損傷模型，單元采用C3D8R六面體單元，鋼筋本構關系采用方自虎基于雙折線模型開發(fā)的鋼筋本構模型[9]，單元采用T3D2桁架單元;不考慮鋼筋與混凝土粘結滑移影響，采用內置區(qū)域令鋼筋與混凝土共同受力，模型如圖3所示。

在柱頂施加上述軸壓和水平位移加載曲線，每個加載等級循環(huán)一次，試件與有限元模型滯回曲線對比如圖4所示，由滯回曲線提取骨架曲線，對比如圖5所示。

對比骨架曲線可知，二者剛度退化趨勢較為吻合，最大誤差為二者正向最大承載能力，誤差為13.6%，小于15%，滿足精度要求，說明本文數值模擬方法可較為準確地模擬試件的滯回性能，可以進行后續(xù)建模分析工作。

2裝配式橋墩模型

承插式橋墩構造示意圖如圖6所示。預制構件及灌漿料均采用C50混凝土，耗能裝置采用型號為L203×203×22.2，長度為300mm的Q195角鋼，如圖7所示，在柱底四周設置共4個。采用建立整體式模型所用本構關系。

采用內置區(qū)域約束將鋼筋嵌入混凝土中;耗能角鋼與柱、承臺接觸面采用綁定約束;灌漿料與預制構件間粘結良好，接觸面采用綁定約束;考慮到實際工程中柱底與承臺接觸面采用水泥砂漿抹面，故柱與承臺接觸面法向方向采用“硬接觸”，切向采用“罰”函數摩擦公式，摩擦系數設為0.1[10]，仍采用文獻[8]中加載幅值，每級荷載只循環(huán)一次。三種橋墩滯回曲線數值模擬結果如圖8所示。

提取骨架曲線如圖9所示，計算得骨架曲線特征點如表3所示。

從圖8可以看出，三者滯回曲線滯回環(huán)均為典型的弓形曲線，說明兩種承插式橋墩是等同現(xiàn)澆體系橋墩;整體式橋墩和外置耗能裝置承插式橋墩骨架曲線較為貼合，表明二者抗震性能接近，通過表3可知，無耗能裝置的承插式橋墩承載力明顯小于整體式橋墩，而外置耗能角鋼的承插式橋墩最大承載力略大于整體式橋墩。

3結論

對外置耗能角鋼承插式橋墩、承插式橋墩和整體式橋墩的有限元數值模擬，通過對比三者的滯回曲線和骨架曲線，可以得出以下結論：

（1）本文采用ABAQUS有限元軟件可以有效模擬橋墩在低周循環(huán)荷載作用下的力學性能;

（2）兩種承插式橋墩為典型的等同現(xiàn)澆體系橋墩，力學性能與整體式橋墩接近;

（3）設置耗能角鋼的承插式橋墩與現(xiàn)澆式橋墩骨架曲線貼合程度較高，兩者滯回性能基本一致;

（4）對比不設耗能角鋼承插式橋墩，柱底外置耗能角鋼可以有效的提高承插式橋墩的最大承載力、剛度和耗能能力。

參考文獻：

[1]吳順.基于灌漿套筒式的裝配式鋼筋混凝土橋墩施工技術及應用研究[J].公路工程，2020，45（03）：134-138.

[2]Yahya C. Kurama， Sri Sritharan， Robert B. Fleischman， Jose I. Restrepo， Richard S. Henry， Ned M. Cleland， S. K. Ghosh， Patricio Bonelli. Seismic-Resistant Precast Concrete Structures： State of the Art[J]. Journal of Structural Engineering，2018，144（4）

[3]王景全，王震，高玉峰，諸鈞政.預制橋墩體系抗震性能研究進展：新材料、新理念、新應用[J].工程力學，2019，36（03）：1-23.

[4]孫治國，趙泰儀，石巖，王東升.搖擺-自復位橋墩抗震性能數值建模方法研究[J].應用基礎與工程科學學報，2019，27（06）：1357-1369.

[5]王震. 自復位預制拼裝UHPC空心墩抗震性能及設計方法研究[D].東南大學，2018.

[6]Cancan Yang， Pinar Okumus. Ultrahigh-Performance Concrete for Posttensioned Precast Bridge Piers for Seismic Resilience[J]. Journal of Structural Engineering，2017，143（12）.

[7]劉豐. 節(jié)段拼裝預應力混凝土橋墩擬靜力試驗和分析研究[D].同濟大學，2008.

[8]劉傳飛. 裝配式橋墩UHPC連接節(jié)點力學性能研究[D].華南理工大學，2019.

[9]方自虎，甄翌，李向鵬.鋼筋混凝土結構的鋼筋滯回模型[J].武漢大學學報（工學版），2018，51（07）：613-619.

[10]耿佳碩.采用UHPC現(xiàn)澆濕接縫連接的裝配式橋墩抗震性能研究[D].鄭州大學，2019.