不同剪力键类型对预制拼装桥墩抗震性能的影响研究

摘要：为了研究不同剪力键类型对预制拼装桥墩力学性能的影响，通过有限元分析软件ABAQUS以及相关数值模拟方法，分别建立无剪力键预制拼装桥墩、混凝土剪力键预制拼装桥墩以及钢剪力键预制拼装桥墩3种混凝土桥墩模型。对不同模型采用单调循环加载方式进行拟静力分析，研究结果表明：钢剪力键的预制拼装桥墩结构的耗能性能以及滞回曲线饱满程度，明显优于混凝土剪力键预制拼装桥墩和无剪力键预制拼装桥墩，但其结构的自复位能力，介于无剪力键预制拼装桥墩和混凝土剪力键预制拼装桥墩之间。

关键词：预制拼装桥墩；剪力键；拟静力分析；抗震性能

0 引言

传统的桥墩通常采用现场浇筑混凝土的方式建造，但现场浇筑混凝土桥墩存在浇筑施工时间长、对周围环境影响大等诸多缺点[1]。近年来，节段预制桥墩开始代替传统现浇混凝土桥墩，并成为一种常见的桥墩形式[2-3]。

所谓装配式桥墩是把桥墩构件分解为一段一段构件，每个节段构件相对于整个桥墩更为轻便。构件在运输和吊装过程中，对运输和吊装的机械要求大大降低，桥墩的建设施工工期也得到相应的缩短，对周边环境的影响也更小[4-5]。同时，节段预制桥墩大多采用预应力钢筋来保持桥墩的整体性，预应力的存在可以使桥墩的自复位能力显著提高

如何在利用节段预制桥梁技术的施工周期短等一系列优势的同时，保证桥梁抗震能力成为当前研究的重点。本文通过有限元软件建立数值模型，对不同剪力键类型的预制拼装桥墩的抗震性能进行分析，为预制拼装桥墩在实际工程中的适用性提供参考。

1 预制拼装桥墩有限元建模及其验证

1.1 有限元建模

采用有限元软件ABAQUS对整体现浇桥墩试验进行数值模拟，模型混凝土采用三维实体减缩积分单元（C3D8R），来验证试验结果的准确程度。本文采用混凝土塑性损伤模型，模拟混凝土在单调循环作用下的非线性行为。

普通钢筋和预应力钢筋选用TRUSS单元（T3D2），预应力钢筋锚固端和普通钢筋均“嵌入”混凝土中。预制拼装桥墩节段之间法向关系采用“硬接触”，接触面可以允许分离且不传递压应力。同时切向关系采用“罚摩擦”，并假定接触面各向的摩擦系数一致，取0.4。试件承台底部约束所有自由度，轴压力加载方向为预制拼装桥墩的墩顶参考点垂直向下加载，位移加载沿着垂直于轴压力方向。

本文基于典型现浇混凝土桥墩试验建立数值模型[6]，模型中桥墩墩身为边长400mm的正方形，桥墩高度为1600mm。已知试验的加载高度为1400mm，试件轴压比为11%。纵筋直径为19.05mm，数量为12根。箍筋采用复合式箍筋，直径为6.35mm，间隔为52mm。混凝土规格为C30。有限元模型具体如图1所示。试验的加载为位移控制方式，且在加载过程中轴压力保持不变。

1.2 分析验证

采用上述的建模方法和加载方式，将所得结果与试验所得的位移-荷载曲线进行对比分析，对照情况见图2。从图2分析得出，数值模拟结果最大值为215.8173kN，试验所测得结果最大值为206.1403kN，差值百分比为4.68%。数值模拟的不足在于骨架曲线上升段的刚度，略大于试验曲线的刚度。分析认为，可能是数值模拟混凝土的强度比较理想化。

总体来说，本文采用的数值模拟方法和试验结果的差异是在可允许范围之内，说明利用ABAQUS的这种建模方式，能够比较准确地模拟混凝土桥墩力学行为，为预制拼装桥墩的后续研究奠定基础。

2 不同剪力键的桥墩模型单调推覆分析

2.1 建立不同剪力键桥墩模型

本文设计了3种不同剪力键预制拼装桥墩模型，分别为无剪力键预制拼装桥墩（简称DP）、混凝土剪力键预制拼装桥墩（简称CP）以及钢剪力键预制拼装桥墩（简称SP）。墩顶的轴压比取为0.1，预应力大小取为0.1，试验推覆加载采用位移加载模式，具体位移加载曲线见图3。建立3种相对应的有限元模型进行拟静力试验，并提取各方面的数据进行分析对比。

2.2 滞回曲线分析

3种不同模型的滞回曲线如图4所示。从图4可以看出，在单调往复位移加载初期，3种不同模型的桥墩荷载—位移曲线的斜率保持不变，混凝土还没有进入塑性状态，加载刚度基本没有变化，滞回环的面积趋于0。随着加载位移的增加，构件的中性轴偏离中心，桥墩接缝张开，预应力钢筋进入工作状态，普通钢筋进入屈服状态，接缝处混凝土被压碎，桥墩荷载—位移曲线斜率开始逐渐减小。

CP桥墩接缝间的构造形式对混凝土形成套箍状态，存在对混凝土的约束作用，其混凝土的损伤程度比DP桥墩的损伤程度显著多一些。从滞回曲线的饱满程度来看，SP桥墩的滞回曲线比CP桥墩的滞回曲线饱满，CP桥墩滞回曲线饱满程度大于DP滞回曲线。

2.3 骨架曲线分析

3种不同模型的桥墩骨架曲线如图5所示。从图5可以看出，SP桥墩的侧向极限承载力最大，CP桥墩的侧向承载力次之，DP桥墩的侧向承载力最小。CP桥墩节段之间由于采用混凝土剪力键的形式，使其下节段的外侧钢筋混凝土对上节段的钢筋混凝土形成约束作用，导致CP桥墩大于DP桥墩的侧向承载力。

在加载的初期，3种桥墩呈现弹性状态，桥墩依靠本身的重量来保持和平衡加载的位移，桥墩的侧向承载力提升比较快。随着单调往复加载位移增加，桥墩节段间的接缝开始张开，预应力钢筋和墩底的耗能部件开始工作，桥墩的侧向承载力有相应的提升。随着加载位移的进一步加大，桥墩结构的屈服部分也进一步加大，桥墩的侧向承载力开始出现相应下降。

2.4 滞回耗能曲线分析

3种不同模型的桥墩滞回耗能曲线如图6所示。从图6可以看出，在加载初期，3种桥墩始终处于弹性范围内，桥墩的耗能很小。随着加载位移的增加，桥墩间接缝开始张合，DP桥墩的剪力键混凝土开始出现破坏现象，使得DP桥墩的小于CP桥墩的滞回耗能。

2.5 残余位移分析

3种不同模型的桥墩残余位移曲线如图7所示。从图7可以看出，DP、CP和SP桥墩加载位移为72mm时，即使桥墩部分混凝土出现压碎情况，由于桥墩存在预应力钢筋，桥墩的残余位移基本上在0mm左右。

分析认为，CP和SP桥墩在位移加载超过72mm时，钢筋进入塑性状态和混凝土的压碎造成自我恢复能力减弱，SP桥墩墩身底部为钢剪力键，提高了桥墩的自复位性能，SP桥墩较于CP桥墩的残余位移小，自复位性能比较好。

3 结束语

本文基于桥墩试验结果对ABAQUS数值模拟方法准确性进行验证，对无剪力键桥墩（DP）、混凝土剪力键节段桥墩（CP）和钢剪力键节段桥墩（SP）3种桥墩进行了拟静力数值模拟，并从不同指标进行抗震性能的评判如下：

钢剪力键节段桥墩（SP）的滞回曲线较于无剪力键桥墩（DP）、混凝土剪力键节段桥墩（CP）的滞回曲线更饱满，说明钢剪力键节段桥墩（SP）的耗能能力最优。从混凝土的损伤程度上来看，无剪力键桥墩（DP）接缝间存在混凝土的约束作用，混凝土的损伤程度比无剪力键桥墩（DP）的损伤程度比较多，钢剪力键节段桥墩（SP）介于两者之间。

无剪力键桥墩（DP）的残余位移基本为零，混凝土剪力键节段桥墩（CP）由于塑性铰区混凝土的压碎和钢筋的屈服，混凝土退出工作，使结构的残余位移加大，自复位性能变差。钢剪力键节段桥墩（SP）较于混凝土剪力键节段桥墩（CP）的残余位移稍小，自复位性能比较好，耗能能力最优，是一种值得推广的预制拼装桥墩新形式。

参考文献

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