基于数值模拟对预制节段拼装桥墩抗震性能研究

张德祥

(河北高速集团工程咨询公司 石家庄市 050035)

0 引言

随着国家经济的快速发展，桥梁工程的建设越来越多，跨海大桥、穿越峡谷的高架桥、高速公路桥及城市内快速高架桥等不断在建设，但由于桥梁工程施工难度较大，建设的规模也较大，通常在短时间内不能完成施工，因此将会影响交通等一系列问题。随着国内预制构件技术的成熟[1-2]，越来越多的结构构件采用在预制场进行预制，随后运至施工现场进行拼装，如此一来可以大大加快施工的速度，但对于预制拼装技术[3]，其抗震性如何，是一个必须研究的问题。为研究桥梁工程中预制节段拼装桥墩的抗震性能，通过ABAQUS有限元软件建立三维的模型对桥梁工程中有粘结预应力钢筋预制节段拼装墩柱与无粘结预应力钢筋预制节段拼装墩柱进行研究，希望能对桥梁工程中预制构件拼装技术的运用提供参考。

1 有限元模型的建立

对于预制节段拼装桥墩主要是通过预应力钢筋的预应力使各个墩柱节段连接在一起，而对于预应力钢筋的处理一般是通过在孔道内灌注混凝土形成整体，另外一种是不灌浆，采用无粘结的连接方式。

1.1 模型参数的设置

为对有粘结的连接方式与无粘结方式进行研究，建立两组模型进行分析。所建立的模型尺寸为180mm×240mm，模型的截面图如图1所示。在墩柱的截面上预留出预应力钢筋的道孔，节段拼装的高度为420mm，预制墩柱整体的高度为1.68m，下部承台的截面为600mm×600mm，高度为0.4m，采用C30混凝土进行模拟，在墩柱的内部采用直径为10mm的三级钢进行模拟，箍筋则采用直径为6mm的二级钢，预应力钢筋采用12.7钢绞线，预应力钢筋锚固在墩柱的上下两端，单根的预应力钢筋的预应力为24.5kN。

图1 墩柱截面图(单位：mm)

1.2 混凝土的本构模型

在ABAQUS有限元软件中[4-6]，对混凝土的模拟可以根据不同的要求选择不同的本构模型，在ABAQUS有限元软件中混凝土的本构模型包括脆性开裂模型、弥散开裂模型和塑性损伤模型,因为需模拟混凝土结构在往复荷载作用下的塑性变形、延性变形及损伤开裂，因此采用塑性损伤模型进行模拟，该模型的应力应变曲线如图2所示，具体的C30混凝土受压及受拉状态下的应力-应变关系数值见表1所示。

图2 塑性损伤模型混凝土应力应变曲线图

表1 混凝土受压及受拉的应力-应变值

1.3 钢筋的本构模型

在ABAQUS软件中，对于钢筋的模拟一般是采用线桁架单元进行模拟，与混凝土单元相同采用内置的方式进行连接，并且不考虑混凝土与钢筋之间的粘结滑移，具体的钢筋本构模型见图3所示，模拟中钢筋的参数设置见表2所示，钢筋的应力-应变曲线见图4所示。

图3 钢筋本构模型

图4 钢筋的应力-应变曲线图

表2 钢筋参数设置表

1.4 相互作用的设置

在有限元软件中对各构件的相互作用定义准确至关重要，将决定模型正确与否，相互作用定义不正确，会导致无法进行分析计算，或导致计算的结果出现错误。采用干接缝的连接方式作为墩柱节段的连接，该连接方式构件接触面可不设置软接触，采用硬接触定义各接触面，使构件在受到不同方向荷载作用时均能分析计算，例如当接触面受到压力作用时，接触面之间能起到传递荷载的作用，当接触面无竖向压力受水平作用力时，接触面能错动，发生局部分离。

1.5 模拟荷载的设置

为模拟结构在地震作用下的抗震性能，通过在墩柱施加往复的水平荷载，并且在墩柱顶部施加竖向荷载，水平荷载的加载示意图如图5所示。

图5 荷载加载图

2 模拟结果分析

2.1 骨架曲线分析

通过模拟得到模型的骨架曲线，对有粘结应力与无粘结应力的骨架曲线进行分析，具体的结果如图6所示。

图6 骨架曲线图

从图6的骨架曲线可以看出，不管是有粘结预应力钢筋的预制节段拼装墩柱还是无粘结预应力钢筋预制节段拼装墩柱，它们的骨架曲线变化趋势大致相似，不同的是有粘结预应力钢筋预制节段拼装墩柱的抗侧力比较大，在正向荷载作用下，当位移约为0.17m时，有粘结预应力钢筋墩柱抗侧力约为11115N，无粘结预应力钢筋墩柱抗侧力约为8405N，相比有粘结预应力钢筋少2710N；在反向荷载作用下，当位移约为-0.15m时，有粘结预应力钢筋墩柱抗侧力约为11115N，无粘结预应力钢筋墩柱抗侧力约为8405N，相比有粘结预应力钢筋少2710N；从图中可以看出其抗力发生较大变化的位移点约为正负0.025m处，此后有粘结预应力钢筋的预制节段拼装墩柱的抗侧力明显增大，说明此时预应力钢筋开始发挥作用，并且有粘结预应力钢筋要比无粘结的预应力发挥的效果好；但当正向位于大于0.15m后有粘结预应力钢筋的预制拼装墩柱其抗侧力变化不大，说明在反复荷载的作用下，对有粘结预应力钢筋的性能有降低的影响，不能有较好的摇摆性能。

2.2 刚度分析

从2.1的骨架曲线可以等到墩柱的刚度变化曲线，具体的结果如图7所示。

图7 刚度曲线图

从图7中可知，有粘结的预应力钢筋预制节段拼装墩柱与无粘结预应力钢筋预制节段拼装墩柱的刚度变化趋势大致相同，但无粘结预应力钢筋墩柱的刚度退化会较快，而有粘结预应力钢筋的墩柱则会出现一定的波动。

2.3 核心区混凝土

模拟得到的墩柱核心混凝土的应力[8-10]变化曲线结果如图8所示。

图8 墩柱核心区混凝土应力变化曲线图

从图8可以看出，不管是有粘结预应力钢筋的预制节段拼装墩柱还是无粘结预应力钢筋预制节段拼装墩柱，它们的核心区应力曲线变化趋势大致相似，不同的是有粘结预应力钢筋预制节段拼装墩柱的核心区混凝土应力值更大，变化的幅度也较大；当时间为14s左右，有粘结预应力钢筋的预制节段拼装墩柱核心区混凝土应力值达到最大，约为7MPa，无粘结预应力钢筋的预制节段拼装墩柱核心区混凝土应力值也达到最大，约为2.5MPa；相比有粘结预应力钢筋的预制节段拼装墩柱小4.5MPa，可见有粘结预应力钢筋能大幅度地提高核心区混凝土的抗压能力，无粘结预应力钢筋预制节段拼装墩柱的核心区混凝土变化较小，压力值也较小，较不容易出现压碎的现象。

2.4 裂缝的张开量

通过模拟得到两墩柱节段底部与承载间的裂缝张开量，具体的结果见图9所示。

图9 裂缝张开量图

从图9中可以看出，无论是有粘结预应力钢筋预制节段拼装墩柱还是无粘结预应力钢筋预制节段拼装墩柱，其墩柱与承台的裂缝张开量随着位移加载的增大而增多，并且发现无粘结预应力钢筋预制节段拼装墩柱的裂缝张开量更大，主要是因为其预应力钢筋与混凝土缺少粘结，墩柱摇摆的情况较为严重，导致裂缝出现的量较多。

3 结论

通过ABAQUS有限元软件建立三维模型对桥梁工程中有粘结预应力钢筋预制节段拼装墩柱与无粘结预应力钢筋预制节段拼装墩柱进行研究，结果表明：对预应力钢筋进行粘结处理能提高墩柱的刚度及抗侧力，并且能使墩柱核心区的混凝土应力应变范围增大，因此对于在低烈度地区可以采用有粘结的预应力拼装墩柱。