基于ABAQUS的节段拼装双柱桥墩接缝在地震下的损伤分析

汪家华

重庆大学土木工程学院 重庆大学 重庆 400045

引言

装配式桥梁结构由于其便于施工，经济节约，环保无污染等优点在桥梁工程领域得到了越来越多建设人员的偏爱。2016年，中共中央国务院《关于进一步加强城市规划建设管理工作的若干意见》中提出，大力推广装配式建筑，加大政策支持力度，力争用十年左右时间，使装配式建筑占新建建筑的比例达到30%，可以预见在未来一段时间内，预制装配式桥梁技术将得到广发的研究和应用。

桥墩是装配式桥梁结构中最薄弱且易损坏的部分，特别是遭遇地震时尤其明显，而节段式拼装桥墩由于存在接缝，在地震动作用下更易破坏。我国目前对装配式桥墩的研究多集中于单柱式桥墩，而对装配式双柱桥墩的研究较少。在我国，学者陈兴冲和虞庐松等最早开始装配式双柱桥墩研究[1-4]。研究装配式桥墩抗震性能的方法分为试验研究和理论分析，试验研究主要是振动台试验法，理论分析主要是解析法，集中塑性铰法，纤维模型法和实体有限元模型法。过去对装配式桥墩的研究多集中于静力的研究方法，如拟静力试验[5]，静力弹塑性分析法（Pushover Analysis）[6-7]等，而采用振动台试验法和实体有限元模型法则相对较少[8]。实体有限元模型法可用有限元软件如ANSYS，ABAQUS，OPENSEES等进行，随着有限元技术的发展，采用 ABAQUS 等实体单元模型进行装配式桥墩的有限元分析逐渐显现其优势。本文采用实体有限元模型法，利用ABAQUS软件对装配式节段拼装双柱桥墩建模，模拟装配式节段拼装双柱桥墩在横向地震动和竖向地震动作用下节段拼装墩柱接缝处端面的应力应变分布，分析了应力应变分布特点，为研究装配式节段拼装双柱桥墩抗震提供依据。

1 建立模型

参考高聪的试验原型[9]，结合工程实际及ABAQUS软件，设该模型包括六个墩柱节段，横梁及底座，各墩柱节段与横梁及底座用连接钢筋连接。其各装配部件尺寸如图一所示。建模时，钢筋采用HRB335钢筋，屈服强度210MPa，混凝土密度2400 kg/m3，重力加速度取9.81m/s2。节段墩柱钢筋构造及数量如图二和表一所示。

图一 模型尺寸

图二 节段墩柱尺寸及钢筋构造

表一 墩柱节段所配钢筋数量表

用ABAQUS建模时，要考虑混凝土的本构关系，ABAQUS提供了三种混凝土本构模型，包括脆性开裂模型，弥散开裂模型和塑形损伤模型。根据本文研究目的采用塑性损伤本构模型，在ABAQUS软件中设定参数时除膨胀角取30度外，其他值取ABAQUS的默认值。混凝土的应力应变关系和损伤参数在参考方自虎的实验基础上取定[10]，即混凝土拉应力上升段取直线，下降段选用我国混凝土规范中的公式。混凝土受压曲线取我国规范中的公式（公式1），ε0取欧盟规范规定的数值（即取欧盟规范规定公式中峰值应力对应的应变），并将弹性段取到混凝土强度的0.4倍(图三)。混凝土泊松比取0.16。损伤参数按照[11]计算，且取值到0.95以上。

σc为混凝土应力；?为混凝土峰值应力（即混凝土强度）；， εc为混凝土应变。，ε0为峰值应力对应的应变。

图三 混凝土受拉受压应力应变关系曲线

钢筋采用桁架单元模拟，并采用嵌入区域约束将钢筋嵌入到混凝土中。各节段墩柱之间的表面及节段墩柱与底座和盖梁表面之间的接触采用硬接触，摩擦系数取0.5。在墩柱节段与横梁和底座之间加以连接钢筋，使之成为整体。在划分单元时，钢筋骨架采用T3D2单元，混凝土实体采用C3D8R单元。建成后的模型如图所示。

图四 双柱节段拼装桥墩ABAQUS模型

2 ABAQUS有限元模型分析

本文通过在模型底部施加地震波来模拟装配式双柱节段拼装桥墩在地震下接缝处的受力及变形，所选的地震波由peer网站截取。在模型底部施加的地震波分两种，一种为横向地震波，一种为竖向地震波。所选的地震波如图五所示。

图五 地震波

2.1 施加横向地震波

在模型底座沿横向（y轴负方向）施加地震波，得各节段桥墩墩柱接缝处端面的应力分布如图六所示。从图中可以看出，并排的左右节段墩柱端面应力分布对称，在节段墩柱内夹角和外尖角处应力出现集中现象，上节段墩柱上端面和下节段墩柱下端面应力沿地震波传播的方向由负到正呈现层次性分布。

图六 横向地震波作用下各节段墩柱端面应力分布

图七是在给模型底座施加横向地震波作用下，各节段墩柱端面应变分布。从图中可看出下节段墩柱上端面和中节段墩柱上端面应变沿地震波传播的方向由负到正呈现层次性分布，上节段墩柱上端面和下节段墩柱下端面应变变化幅度较下节段墩柱上端面和中阶段墩柱上端面的应变变化幅度要小。

图七 横向地震波作用下各节段墩柱端面应变分布

2.2 施加竖向地震波

在模型底座施加竖向（z轴负方向）地震波，得各节段墩柱端面应力分布如图八所示。从图中可看出，中节段左墩柱内夹角和内边出现应力集中现象，上节段右墩柱内夹角和内边出现应力集中现象。

图八 竖向地震波作用下各节段墩柱截面应力分布

图九是在模型底座施加竖向（沿z轴负方向）地震波时，各节段墩柱端面应变分布，从图中可看出左右并排的下节段墩柱上端面和中节段墩柱上端面应变分布，左边墩柱端面应变为正，右边墩柱端面应变为负。而且各节段墩柱端面应变分布统一，由此可判断模型墩柱应变已屈服。

图九 竖向地震波作用下各节段墩柱端面应变分布

3 结论

通过以上在给装配式节段拼装双柱桥墩建模后，给模型施加以地震波并分析各节段桥墩墩柱接缝处端面的应力应变分布可得出以下结论：

（1）当装配式节段拼装双柱桥墩受横向且沿纵桥向地震动作用时，并排的左右桥墩节段墩柱接缝处应力应变分布呈现对称性。

（2）当装配式节段拼装双柱桥墩受竖向地震动作用时，并排的左右桥墩节段墩柱接缝处应力应变分布不对称，且较横向地震动作用下更易发生屈服现象。

（3）无论受横向地震动作用或竖向地震动作用时，双柱桥墩节段墩柱接缝处的内边和内夹角及外尖角处易发生应力集中现象。