基于數(shù)值模擬對(duì)預(yù)制節(jié)段拼裝橋墩抗震性能研究

張德祥

(河北高速集團(tuán)工程咨詢公司 石家莊市 050035)

0 引言

隨著國家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，橋梁工程的建設(shè)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(nèi)快速高架橋等不斷在建設(shè)，但由于橋梁工程施工難度較大，建設(shè)的規(guī)模也較大，通常在短時(shí)間內(nèi)不能完成施工，因此將會(huì)影響交通等一系列問題。隨著國內(nèi)預(yù)制構(gòu)件技術(shù)的成熟[1-2]，越來越多的結(jié)構(gòu)構(gòu)件采用在預(yù)制場進(jìn)行預(yù)制，隨后運(yùn)至施工現(xiàn)場進(jìn)行拼裝，如此一來可以大大加快施工的速度，但對(duì)于預(yù)制拼裝技術(shù)[3]，其抗震性如何，是一個(gè)必須研究的問題。為研究橋梁工程中預(yù)制節(jié)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(duì)橋梁工程中有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋預(yù)制節(jié)段拼裝墩柱與無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋預(yù)制節(jié)段拼裝墩柱進(jìn)行研究，希望能對(duì)橋梁工程中預(yù)制構(gòu)件拼裝技術(shù)的運(yùn)用提供參考。

1 有限元模型的建立

對(duì)于預(yù)制節(jié)段拼裝橋墩主要是通過預(yù)應(yīng)力鋼筋的預(yù)應(yīng)力使各個(gè)墩柱節(jié)段連接在一起，而對(duì)于預(yù)應(yīng)力鋼筋的處理一般是通過在孔道內(nèi)灌注混凝土形成整體，另外一種是不灌漿，采用無粘結(jié)的連接方式。

1.1 模型參數(shù)的設(shè)置

為對(duì)有粘結(jié)的連接方式與無粘結(jié)方式進(jìn)行研究，建立兩組模型進(jìn)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(yù)留出預(yù)應(yīng)力鋼筋的道孔，節(jié)段拼裝的高度為420mm，預(yù)制墩柱整體的高度為1.68m，下部承臺(tái)的截面為600mm×600mm，高度為0.4m，采用C30混凝土進(jìn)行模擬，在墩柱的內(nèi)部采用直徑為10mm的三級(jí)鋼進(jìn)行模擬，箍筋則采用直徑為6mm的二級(jí)鋼，預(yù)應(yīng)力鋼筋采用12.7鋼絞線，預(yù)應(yīng)力鋼筋錨固在墩柱的上下兩端，單根的預(yù)應(yīng)力鋼筋的預(yù)應(yīng)力為24.5kN。

圖1 墩柱截面圖(單位：mm)

1.2 混凝土的本構(gòu)模型

在ABAQUS有限元軟件中[4-6]，對(duì)混凝土的模擬可以根據(jù)不同的要求選擇不同的本構(gòu)模型，在ABAQUS有限元軟件中混凝土的本構(gòu)模型包括脆性開裂模型、彌散開裂模型和塑性損傷模型,因?yàn)樾枘M混凝土結(jié)構(gòu)在往復(fù)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(jìn)行模擬，該模型的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖2所示，具體的C30混凝土受壓及受拉狀態(tài)下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系數(shù)值見表1所示。

圖2 塑性損傷模型混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線圖

表1 混凝土受壓及受拉的應(yīng)力-應(yīng)變值

1.3 鋼筋的本構(gòu)模型

在ABAQUS軟件中，對(duì)于鋼筋的模擬一般是采用線桁架單元進(jìn)行模擬，與混凝土單元相同采用內(nèi)置的方式進(jìn)行連接，并且不考慮混凝土與鋼筋之間的粘結(jié)滑移，具體的鋼筋本構(gòu)模型見圖3所示，模擬中鋼筋的參數(shù)設(shè)置見表2所示，鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖4所示。

圖3 鋼筋本構(gòu)模型

圖4 鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖

表2 鋼筋參數(shù)設(shè)置表

1.4 相互作用的設(shè)置

在有限元軟件中對(duì)各構(gòu)件的相互作用定義準(zhǔn)確至關(guān)重要，將決定模型正確與否，相互作用定義不正確，會(huì)導(dǎo)致無法進(jìn)行分析計(jì)算，或?qū)е掠?jì)算的結(jié)果出現(xiàn)錯(cuò)誤。采用干接縫的連接方式作為墩柱節(jié)段的連接，該連接方式構(gòu)件接觸面可不設(shè)置軟接觸，采用硬接觸定義各接觸面，使構(gòu)件在受到不同方向荷載作用時(shí)均能分析計(jì)算，例如當(dāng)接觸面受到壓力作用時(shí)，接觸面之間能起到傳遞荷載的作用，當(dāng)接觸面無豎向壓力受水平作用力時(shí)，接觸面能錯(cuò)動(dòng)，發(fā)生局部分離。

1.5 模擬荷載的設(shè)置

為模擬結(jié)構(gòu)在地震作用下的抗震性能，通過在墩柱施加往復(fù)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(jié)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(duì)有粘結(jié)應(yīng)力與無粘結(jié)應(yīng)力的骨架曲線進(jìn)行分析，具體的結(jié)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(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋的預(yù)制節(jié)段拼裝墩柱還是無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋預(yù)制節(jié)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(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋預(yù)制節(jié)段拼裝墩柱的抗側(cè)力比較大，在正向荷載作用下，當(dāng)位移約為0.17m時(shí)，有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋墩柱抗側(cè)力約為11115N，無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋墩柱抗側(cè)力約為8405N，相比有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋少2710N；在反向荷載作用下，當(dāng)位移約為-0.15m時(shí)，有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋墩柱抗側(cè)力約為11115N，無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋墩柱抗側(cè)力約為8405N，相比有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋少2710N；從圖中可以看出其抗力發(fā)生較大變化的位移點(diǎn)約為正負(fù)0.025m處，此后有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋的預(yù)制節(jié)段拼裝墩柱的抗側(cè)力明顯增大，說明此時(shí)預(yù)應(yīng)力鋼筋開始發(fā)揮作用，并且有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋要比無粘結(jié)的預(yù)應(yīng)力發(fā)揮的效果好；但當(dāng)正向位于大于0.15m后有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋的預(yù)制拼裝墩柱其抗側(cè)力變化不大，說明在反復(fù)荷載的作用下，對(duì)有粘結(jié)預(yù)應(yīng)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(jié)果如圖7所示。

圖7 剛度曲線圖

從圖7中可知，有粘結(jié)的預(yù)應(yīng)力鋼筋預(yù)制節(jié)段拼裝墩柱與無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋預(yù)制節(jié)段拼裝墩柱的剛度變化趨勢大致相同，但無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋墩柱的剛度退化會(huì)較快，而有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋的墩柱則會(huì)出現(xiàn)一定的波動(dòng)。

2.3 核心區(qū)混凝土

模擬得到的墩柱核心混凝土的應(yīng)力[8-10]變化曲線結(jié)果如圖8所示。

圖8 墩柱核心區(qū)混凝土應(yīng)力變化曲線圖

從圖8可以看出，不管是有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋的預(yù)制節(jié)段拼裝墩柱還是無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋預(yù)制節(jié)段拼裝墩柱，它們的核心區(qū)應(yīng)力曲線變化趨勢大致相似，不同的是有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋預(yù)制節(jié)段拼裝墩柱的核心區(qū)混凝土應(yīng)力值更大，變化的幅度也較大；當(dāng)時(shí)間為14s左右，有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋的預(yù)制節(jié)段拼裝墩柱核心區(qū)混凝土應(yīng)力值達(dá)到最大，約為7MPa，無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋的預(yù)制節(jié)段拼裝墩柱核心區(qū)混凝土應(yīng)力值也達(dá)到最大，約為2.5MPa；相比有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋的預(yù)制節(jié)段拼裝墩柱小4.5MPa，可見有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋能大幅度地提高核心區(qū)混凝土的抗壓能力，無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋預(yù)制節(jié)段拼裝墩柱的核心區(qū)混凝土變化較小，壓力值也較小，較不容易出現(xiàn)壓碎的現(xiàn)象。

2.4 裂縫的張開量

通過模擬得到兩墩柱節(jié)段底部與承載間的裂縫張開量，具體的結(jié)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(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋預(yù)制節(jié)段拼裝墩柱還是無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋預(yù)制節(jié)段拼裝墩柱，其墩柱與承臺(tái)的裂縫張開量隨著位移加載的增大而增多，并且發(fā)現(xiàn)無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋預(yù)制節(jié)段拼裝墩柱的裂縫張開量更大，主要是因?yàn)槠漕A(yù)應(yīng)力鋼筋與混凝土缺少粘結(jié)，墩柱搖擺的情況較為嚴(yán)重，導(dǎo)致裂縫出現(xiàn)的量較多。

3 結(jié)論

通過ABAQUS有限元軟件建立三維模型對(duì)橋梁工程中有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋預(yù)制節(jié)段拼裝墩柱與無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋預(yù)制節(jié)段拼裝墩柱進(jìn)行研究，結(jié)果表明：對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼筋進(jìn)行粘結(jié)處理能提高墩柱的剛度及抗側(cè)力，并且能使墩柱核心區(qū)的混凝土應(yīng)力應(yīng)變范圍增大，因此對(duì)于在低烈度地區(qū)可以采用有粘結(jié)的預(yù)應(yīng)力拼裝墩柱。