金鄭祿

（新疆維吾爾自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830006）

引言

橋梁作為搶險(xiǎn)救災(zāi)的生命線，在抗震防災(zāi)體系中越來(lái)越重要，橋墩更是橋梁抗震設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部件。預(yù)制拼裝橋墩由于抗震性能尚不明晰，在我國(guó)諸多地區(qū)的推廣受到限制，因此，其抗震性能研究逐漸在國(guó)內(nèi)成為熱點(diǎn)話題[1-2]。

實(shí)體有限元法相較于簡(jiǎn)化分析法、梁柱單元有限元法等宏觀模型，不僅能夠計(jì)算預(yù)應(yīng)力節(jié)段拼裝橋墩荷載-位移關(guān)系曲線，還能反應(yīng)結(jié)構(gòu)的微觀變形，描述混凝土裂縫形成、擴(kuò)展，及接縫張合[3-6]。ABAQUS分析軟件在解決土木工程、機(jī)械工程等領(lǐng)域的復(fù)雜非線性問(wèn)題具有突出優(yōu)勢(shì)，擁有豐富的單元庫(kù)與材料庫(kù)。

1 試件設(shè)計(jì)

擬靜力試驗(yàn)試件C-PT1 采用構(gòu)造相同的混凝土節(jié)段拼裝而成。各節(jié)段自下而上分為S-1、S-2、S-3 和S-4 共4 個(gè)空心節(jié)段；蓋梁與承臺(tái)中心設(shè)預(yù)應(yīng)力孔道，采用無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力將各節(jié)段串聯(lián)后壓接成為整體；為防止發(fā)生節(jié)間錯(cuò)動(dòng)，在接縫處設(shè)置剪力榫裝置。

各節(jié)段采用相同的矩形空心構(gòu)造，混凝土等級(jí)C40，外部尺寸l×b×h=450 mm×450 mm×450 mm，空心薄壁厚t=110 mm，方孔l×b×h=230 mm×230 mm×450 mm；蓋梁尺寸l×b×h=1 400 mm×500 mm×400 mm，承臺(tái)l×b×h=1 400 mm×1 400 mm×450 mm，中心處分別開(kāi)直徑φ=45 mm 圓孔，用于穿過(guò)預(yù)應(yīng)力鋼束。墩柱的有效高度h=2 000 mm，剪跨比4.4。預(yù)應(yīng)力束由7 根鋼絞線組成，采用無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)從節(jié)段空心處穿過(guò)，兩端分別錨固于蓋梁與承臺(tái)頂?shù)住?/p>

2 模型建立

依據(jù)預(yù)應(yīng)力節(jié)段拼裝空心橋墩試件的設(shè)計(jì)尺寸，建立三維實(shí)體有限元模型，見(jiàn)圖1，按照擬靜力加載工況展開(kāi)仿真分析。

圖1 三維實(shí)體有限元模型

2.1 設(shè)四類相互作用

（1）各節(jié)段間、底節(jié)段與承臺(tái)接觸面間建立“表面與表面接觸”，實(shí)現(xiàn)接縫模擬。（2）普通鋼筋籠“嵌入”約束于混凝土節(jié)段中，忽略可能發(fā)生的相對(duì)滑移。（3）預(yù)應(yīng)力鋼筋“嵌入”約束于蓋梁、承臺(tái)中，用于模擬兩端錨固效果。（4）在蓋梁加載面形心處建立參考點(diǎn)，并與加載面建立位移“耦合”約束，用于施加側(cè)向往復(fù)荷載；蓋梁底部與橋墩頂部間建立“綁定”約束，忽略相對(duì)滑移。

2.2 設(shè)立三類邊界條件

（1）承臺(tái)底部采用完全固定約束（約束平動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)自由度）；（2）根據(jù)加載工況，在蓋梁位移“耦合”參考點(diǎn)處施加往復(fù)荷載；（3）蓋梁頂部施加均布荷載模擬上部恒載效應(yīng)。預(yù)應(yīng)力荷載通過(guò)定義溫度場(chǎng)施加。

預(yù)應(yīng)力節(jié)段拼裝橋墩三維有限元模型中，混凝土采用C3D8R 單元，縱筋、箍筋以及預(yù)應(yīng)力鋼筋均采用T3D2 單元。材料特性要求選取，其中蓋梁與承臺(tái)不作為研究重點(diǎn)，混凝土按彈性材料考慮。

3 模型驗(yàn)證

采用模型開(kāi)展往復(fù)加載分析，計(jì)算得到滯回曲線與擬靜力試驗(yàn)結(jié)果（C-PT1試件）進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)圖2。

圖2 滯回曲線模擬與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

試驗(yàn)曲線的峰值承載力、加載剛度、卸載剛度、殘余位移等均得到了較好地模擬，但無(wú)法反應(yīng)曲線非對(duì)稱的特點(diǎn)（由于加載次序、施工工藝等引起），負(fù)向加載強(qiáng)化段曲線偏高。模型的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好，初步驗(yàn)證了模型在材料本構(gòu)、接觸方式、預(yù)應(yīng)力模擬方式以及邊界條件等方面選取的合理性。

4 受力變形狀態(tài)分析

開(kāi)展擬靜力試驗(yàn)了解預(yù)應(yīng)力節(jié)段拼裝橋墩抗震性能時(shí)，研究人員通常在表觀現(xiàn)象記錄與試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上進(jìn)行研究分析。受監(jiān)測(cè)設(shè)備等因素限制，數(shù)據(jù)采集過(guò)程需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)在具有代表性的部位布置測(cè)點(diǎn)，不能全面掌握試件在加載過(guò)程中的受力與變形狀態(tài)，而建立可靠的實(shí)體有限元模型能夠成為良好的補(bǔ)充，為抗震性能研究提供指導(dǎo)。

4.1 位移狀態(tài)分析

利用模型開(kāi)展擬靜力加載分析，當(dāng)往復(fù)加載工況達(dá)到10%時(shí)，橋墩的整體位移分布見(jiàn)圖3。圖3(a)為非加載方向（X 軸方向）橋墩的側(cè)向位移，變形集中于墩底附近區(qū)域，并呈外鼓狀；圖3(b)為橋墩的豎（Y 軸方向）向位移分布，各點(diǎn)處豎向位移由所在截面的軸向拉壓變形與彎曲變形共同決定?？傮w而言，在橋墩彎曲變形的受壓側(cè)為負(fù)值，受拉側(cè)為正值。建立的預(yù)應(yīng)力節(jié)段拼裝橋墩三維實(shí)體模型在進(jìn)行往復(fù)加載分析時(shí)，模型的位移狀態(tài)與實(shí)際狀況基本相符，并能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)各位移分量的獨(dú)立考察；加載過(guò)程中，接縫張角僅發(fā)生于墩底與承臺(tái)連接處，與擬靜力試驗(yàn)現(xiàn)象一致。

圖3 位移分布

4.2 應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)分析

墩身混凝土及鋼筋骨架的Mises 應(yīng)力分布情況見(jiàn)圖4。

圖4 Mises 應(yīng)力分布

由圖4 可以看出，普通鋼筋、混凝土塑性應(yīng)變集中分布于墩底區(qū)域，與擬靜力試驗(yàn)過(guò)程中試件的損傷分布一致。混凝土最大Mises 應(yīng)力分布于墩底截面受壓區(qū)，底部?jī)晒?jié)段接縫邊角位置也存在集中分布區(qū)；墩底節(jié)段鋼筋籠約有1/2 部分進(jìn)入屈服強(qiáng)度。綜上所述，預(yù)應(yīng)力節(jié)段拼裝橋墩的塑性損傷主要集中發(fā)生于墩底接縫區(qū)附近，上部各節(jié)段基本保持彈性狀態(tài)，與擬靜力試驗(yàn)現(xiàn)象相符合。

5 結(jié)語(yǔ)

應(yīng)用ABAQUS 有限元軟件建立了三維實(shí)體模型展開(kāi)仿真分析，考察預(yù)應(yīng)力節(jié)段拼裝橋墩在往復(fù)加載過(guò)程中的局部受力變形與位移狀態(tài)，通過(guò)與擬靜力試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性；在此基礎(chǔ)上，探究在往復(fù)荷載下橋墩的變形特點(diǎn)，以及應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)分布。主要結(jié)論：（1）由模型計(jì)算的滯回曲線與擬靜力試驗(yàn)結(jié)果吻合良好，該模型能夠作為預(yù)應(yīng)力節(jié)段拼裝橋墩抗震分析的有效手段。（2）往復(fù)荷載作用下，接縫張角、塑性損傷、位移變形等現(xiàn)象均得到良好反映；直觀展示橋墩整體應(yīng)力、應(yīng)變、位移分布，為擬靜力試驗(yàn)試件無(wú)測(cè)點(diǎn)區(qū)域的受力狀態(tài)提供指導(dǎo)。