金鄭祿

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

引言

橋梁作為搶險救災的生命線，在抗震防災體系中越來越重要，橋墩更是橋梁抗震設計的關鍵部件。預制拼裝橋墩由于抗震性能尚不明晰，在我國諸多地區(qū)的推廣受到限制，因此，其抗震性能研究逐漸在國內成為熱點話題[1-2]。

實體有限元法相較于簡化分析法、梁柱單元有限元法等宏觀模型，不僅能夠計算預應力節(jié)段拼裝橋墩荷載-位移關系曲線，還能反應結構的微觀變形，描述混凝土裂縫形成、擴展，及接縫張合[3-6]。ABAQUS分析軟件在解決土木工程、機械工程等領域的復雜非線性問題具有突出優(yōu)勢，擁有豐富的單元庫與材料庫。

1 試件設計

擬靜力試驗試件C-PT1 采用構造相同的混凝土節(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 個空心節(jié)段；蓋梁與承臺中心設預應力孔道，采用無黏結預應力將各節(jié)段串聯(lián)后壓接成為整體；為防止發(fā)生節(jié)間錯動，在接縫處設置剪力榫裝置。

各節(jié)段采用相同的矩形空心構造，混凝土等級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l×b×h=1 400 mm×1 400 mm×450 mm，中心處分別開直徑φ=45 mm 圓孔，用于穿過預應力鋼束。墩柱的有效高度h=2 000 mm，剪跨比4.4。預應力束由7 根鋼絞線組成，采用無黏結預應力技術從節(jié)段空心處穿過，兩端分別錨固于蓋梁與承臺頂?shù)住?/p>

2 模型建立

依據預應力節(jié)段拼裝空心橋墩試件的設計尺寸，建立三維實體有限元模型，見圖1，按照擬靜力加載工況展開仿真分析。

圖1 三維實體有限元模型

2.1 設四類相互作用

（1）各節(jié)段間、底節(jié)段與承臺接觸面間建立“表面與表面接觸”，實現(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)生的相對滑移。（3）預應力鋼筋“嵌入”約束于蓋梁、承臺中，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，并與加載面建立位移“耦合”約束，用于施加側向往復荷載；蓋梁底部與橋墩頂部間建立“綁定”約束，忽略相對滑移。

2.2 設立三類邊界條件

（1）承臺底部采用完全固定約束（約束平動、轉動自由度）；（2）根據加載工況，在蓋梁位移“耦合”參考點處施加往復荷載；（3）蓋梁頂部施加均布荷載模擬上部恒載效應。預應力荷載通過定義溫度場施加。

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

3 模型驗證

采用模型開展往復加載分析，計算得到滯回曲線與擬靜力試驗結果（C-PT1試件）進行對比，見圖2。

圖2 滯回曲線模擬與試驗結果對比

試驗曲線的峰值承載力、加載剛度、卸載剛度、殘余位移等均得到了較好地模擬，但無法反應曲線非對稱的特點（由于加載次序、施工工藝等引起），負向加載強化段曲線偏高。模型的計算結果與試驗結果吻合良好，初步驗證了模型在材料本構、接觸方式、預應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

開展擬靜力試驗了解預應力節(jié)段拼裝橋墩抗震性能時，研究人員通常在表觀現(xiàn)象記錄與試驗數(shù)據采集的基礎上進行研究分析。受監(jiān)測設備等因素限制，數(shù)據采集過程需要根據經驗在具有代表性的部位布置測點，不能全面掌握試件在加載過程中的受力與變形狀態(tài)，而建立可靠的實體有限元模型能夠成為良好的補充，為抗震性能研究提供指導。

4.1 位移狀態(tài)分析

利用模型開展擬靜力加載分析，當往復加載工況達到10%時，橋墩的整體位移分布見圖3。圖3(a)為非加載方向（X 軸方向）橋墩的側向位移，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為負值，受拉側為正值。建立的預應力節(jié)段拼裝橋墩三維實體模型在進行往復加載分析時，模型的位移狀態(tài)與實際狀況基本相符，并能夠實現(xiàn)對各位移分量的獨立考察；加載過程中，接縫張角僅發(fā)生于墩底與承臺連接處，與擬靜力試驗現(xiàn)象一致。

圖3 位移分布

4.2 應力、應變狀態(tài)分析

墩身混凝土及鋼筋骨架的Mises 應力分布情況見圖4。

圖4 Mises 應力分布

由圖4 可以看出，普通鋼筋、混凝土塑性應變集中分布于墩底區(qū)域，與擬靜力試驗過程中試件的損傷分布一致。混凝土最大Mises 應力分布于墩底截面受壓區(qū)，底部兩節(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 部分進入屈服強度。綜上所述，預應力節(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)，與擬靜力試驗現(xiàn)象相符合。

5 結語

應用ABAQUS 有限元軟件建立了三維實體模型展開仿真分析，考察預應力節(jié)段拼裝橋墩在往復加載過程中的局部受力變形與位移狀態(tài)，通過與擬靜力試驗結果對比驗證模型的準確性；在此基礎上，探究在往復荷載下橋墩的變形特點，以及應力、應變狀態(tài)分布。主要結論：（1）由模型計算的滯回曲線與擬靜力試驗結果吻合良好，該模型能夠作為預應力節(jié)段拼裝橋墩抗震分析的有效手段。（2）往復荷載作用下，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力、應變、位移分布，為擬靜力試驗試件無測點區(qū)域的受力狀態(tài)提供指導。