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        預(yù)應(yīng)力配筋率對(duì)節(jié)段拼裝橋墩力學(xué)性能影響分析

        2021-10-20 00:59:48劉銘煒
        廣東土木與建筑 2021年9期
        關(guān)鍵詞:承載力混凝土模型

        劉銘煒

        (廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)股份有限公司 廣州 510507)

        0 引言

        節(jié)段拼裝橋墩構(gòu)件在廠區(qū)預(yù)制,相對(duì)于一般現(xiàn)澆橋墩質(zhì)量更容易保證,且施工現(xiàn)場(chǎng)僅需要進(jìn)行組裝工作,因此特別適合在海上施工平臺(tái)上進(jìn)行跨海大橋的施工,或者在交通繁忙的地區(qū)進(jìn)行高架橋施工[1]。

        節(jié)段拼裝橋墩根據(jù)連接方式不同,主要分為卯榫連接、現(xiàn)澆濕接縫連接、預(yù)應(yīng)力連接等。其中預(yù)應(yīng)力連接的節(jié)段拼裝橋墩耗能能力強(qiáng),且震后自復(fù)位能力也較高,能充分發(fā)揮高強(qiáng)鋼絞線的作用。因此對(duì)于節(jié)段拼裝橋墩,在承載力滿足要求的情況下,采用預(yù)應(yīng)力體系是比較合理的[2]。

        目前國(guó)內(nèi)的研究主要針對(duì)預(yù)應(yīng)力節(jié)段橋墩的接縫受力性能、滯回性能、耗能能力等方面。如在1999年,田琪等人[3]通過試驗(yàn)研究了拼裝式雙柱橋墩蓋梁與墩柱間的插入式接頭和預(yù)應(yīng)力接頭的承載能力與滯回特性。2008 年,劉豐[4]對(duì)節(jié)段式、承插式、現(xiàn)澆式預(yù)應(yīng)力橋墩的破壞機(jī)理進(jìn)行了研究;2014 年,劉鑫[5]對(duì)預(yù)應(yīng)力節(jié)段拼裝橋墩的抗震性能進(jìn)行了研究,探討了預(yù)應(yīng)力節(jié)段拼裝橋墩力學(xué)性能的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

        與國(guó)內(nèi)的研究相比,國(guó)外研究更注重新型連接構(gòu)造或者新型材料的研究;如2004 年,美國(guó)德克薩斯州大學(xué)的BILLINGTON 等人[6]發(fā)現(xiàn)加入了鋼纖維混凝土后,能顯著增加節(jié)段拼裝橋墩的抗震性能;2007年,新西蘭學(xué)者PALERMO 等人[7]給出了耗能鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼筋的最佳用量比,同時(shí)驗(yàn)證了該種設(shè)計(jì)方法的正確性。2008 年,韓國(guó)學(xué)者KIM 等人[8]發(fā)現(xiàn)在接縫處采用合適的剪力鍵可以減小節(jié)段拼裝橋墩的殘余位移。

        綜上所述,當(dāng)前的研究多是針對(duì)預(yù)應(yīng)力節(jié)段拼裝橋墩的抗震性能,如滯回性能、自復(fù)位能力、耗能能力等。但對(duì)于預(yù)應(yīng)力節(jié)段拼裝橋墩來說,預(yù)應(yīng)力鋼筋是最關(guān)鍵的構(gòu)件,其配筋率對(duì)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能影響的研究并不多,這給預(yù)應(yīng)力節(jié)段拼裝橋墩的設(shè)計(jì)帶了很大阻力。

        為了研究預(yù)應(yīng)力配筋率對(duì)節(jié)段拼裝橋墩力學(xué)性能的影響,本文首先以2015年高聰[9]做的靜力試驗(yàn)橋墩為基礎(chǔ),控制預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的軸壓比為0.2,以預(yù)應(yīng)力鋼筋的配筋率為變化參數(shù),設(shè)計(jì)3 種模型。然后利用ABAQUS 分別還原文獻(xiàn)[9]的靜力試驗(yàn)橋墩,以及文獻(xiàn)[4]的擬靜力試驗(yàn)預(yù)應(yīng)力橋墩,將數(shù)值分析結(jié)果與文獻(xiàn)中的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較,從而證明預(yù)應(yīng)力節(jié)段拼裝橋墩建模方法的合理性。最后基于上述模型,研究不同的預(yù)應(yīng)力配筋率對(duì)節(jié)段拼裝橋墩力學(xué)性能影響。

        1 數(shù)值模擬方案設(shè)計(jì)

        文獻(xiàn)[9]對(duì)節(jié)段拼裝橋墩進(jìn)行靜力加載試驗(yàn),對(duì)不同接縫構(gòu)造對(duì)節(jié)段拼裝橋墩的力學(xué)性能的影響進(jìn)行了研究。試件的具體尺寸構(gòu)造如圖1所示。

        圖1 試件尺寸以及斷面配筋Fig.1 Reinforcement Layout and Structure (mm)

        在上述試驗(yàn)?zāi)P偷幕A(chǔ)上,控制預(yù)應(yīng)力引起的軸壓比恒為0.2,以預(yù)應(yīng)力配筋率為變化參數(shù),分別設(shè)計(jì)3 種方案,并命名為PSC-1~PSC-3。PSC-1~PSC-3 的預(yù)應(yīng)力配筋率分別為0.17%、0.34%、0.51%。預(yù)應(yīng)力鋼筋采用極限強(qiáng)度為1 860 MPa 的高強(qiáng)度鋼絞線,各方案配筋如圖2所示。

        圖2 方案配筋示意圖Fig.2 Scheme Reinforcement Layout (mm)

        在靜力推覆加載之前,首先在墩頂施加豎向荷載300kN。然后在水平方向進(jìn)行逐級(jí)加載來模擬靜力推覆過程。靜力推覆加載采用位移來控制,逐級(jí)加載過程如圖3所示。

        圖3 逐級(jí)加載過程Fig.3 Step by Step Loading Process

        綜上,3個(gè)方案的參數(shù)如表1所示。

        表1 方案名稱及其特點(diǎn)Tab.1 Scheme Name and Its Characteristics

        2 模型建立與驗(yàn)證

        2.1 有限元模型建立

        根據(jù)文獻(xiàn)[10-13],ABAQUS 中的損傷塑性模型可以較好模擬出混凝土的損傷演化,無論是在擬靜力加載還是靜力加載上,都具有較高的精度。故本文的混凝土本構(gòu)采用損傷塑性模型。損傷因子以及本構(gòu)曲線的定義參考《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(2015 年版):GB 50010—2010》。普通鋼筋以及預(yù)應(yīng)力鋼筋均采用理想彈塑性模型來模擬。

        預(yù)應(yīng)力采用降溫法[14-15]進(jìn)行施加。鋼束與錨具綁定(Tie)在一起,忽略兩者間的相對(duì)滑移。鋼束與混凝土間采用ABAQUS 中自帶的Embed 約束,Embed約束可以自動(dòng)考慮混凝土與鋼束間的粘結(jié)力。有限元模型如圖4所示(以PSC-1為例)。

        圖4 PSC1有限元實(shí)體模型Fig.4 PSC1 Scheme Finite Element Entity Model

        2.2 方案模型驗(yàn)證

        2.2.1 節(jié)段拼裝橋墩建模方法的驗(yàn)證

        利用上述方法建立文獻(xiàn)[9]中的無預(yù)應(yīng)力節(jié)段拼裝橋墩試驗(yàn)?zāi)P?,墩頂荷載-位移曲線結(jié)果對(duì)比如圖5所示。

        圖5 荷載-位移曲線對(duì)比Fig.5 Comparison of Load-displacement Curve

        由圖5可知,在剛度和極限承載力上,計(jì)算值均大于試驗(yàn)值,這是由于Embed 約束忽略了鋼筋與混凝土之間的滑移現(xiàn)象而引起的。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn),有限元計(jì)算結(jié)果曲線在極限承載力處存在尖點(diǎn),這與試驗(yàn)的“脆性破壞”相吻合。

        進(jìn)一步提取極限承載力、極限位移、彈性極限位移3個(gè)參數(shù),如表2所示。

        表2 參數(shù)提取Tab.2 Parameter Extraction

        由表2可知,在總體受力上,有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果較為接近,可以滿足工程精度要求。

        除了總體受力滿足精度要求,還需要在局部應(yīng)力的分析上滿足一定精度要求。根據(jù)文獻(xiàn)[9]中的試驗(yàn)結(jié)果,本文提取對(duì)應(yīng)特征位移點(diǎn)塑性應(yīng)變?cè)茍D如圖6所示。

        圖6 模型塑性應(yīng)變Fig.6 Plastic Strain

        由文獻(xiàn)[9]中的橋墩試驗(yàn)結(jié)果概況可知,當(dāng)位移達(dá)到3 mm 時(shí),底節(jié)段角部開始出現(xiàn)裂縫,位移達(dá)到24 mm時(shí)結(jié)構(gòu)底節(jié)段出現(xiàn)斜裂紋。

        由圖6 可知,當(dāng)加載位移達(dá)到3 mm 時(shí),橋墩的塑性應(yīng)變率先出現(xiàn)在底節(jié)段角部附近,當(dāng)位移加載到24 mm 時(shí),可以觀察塑形應(yīng)變以底節(jié)段角部附近為中心,斜向上擴(kuò)散,與試驗(yàn)現(xiàn)象相符。

        綜上所述,無論是從總體的受力性能,還是從局部應(yīng)力的分析上看,精度均可以滿足要求。

        2.2.2 預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)建模驗(yàn)證

        文獻(xiàn)[4]對(duì)預(yù)應(yīng)力節(jié)段拼裝式橋墩進(jìn)行擬靜力試驗(yàn)。本文選擇該試驗(yàn)中的S3構(gòu)件(有粘結(jié)現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力橋墩)作為建模驗(yàn)證對(duì)象。構(gòu)件的尺寸構(gòu)造以及配筋如圖7所示。

        圖7 試件構(gòu)造配筋Fig.7 Reinforcement Layout and Structure (mm)

        加載方面,該試驗(yàn)采用混合位移控制加載,每級(jí)進(jìn)行3 次循環(huán),加載初期幅值分別為2、3、5、7、10,然后位移幅值從20 開始,按照5 的增量每級(jí)進(jìn)行遞增,即幅值為20、25、30……,直至試件強(qiáng)度下降至承載力的85%,加載結(jié)束。

        建立的有限元實(shí)體模型如圖8所示。由于試驗(yàn)的加載幅值過多,為了提高計(jì)算效率,同時(shí)又能展現(xiàn)出模型的滯回特征,通過試算最終選取了位移幅值分別為3 mm、7 mm、10 mm、15 mm、20 mm、35 mm、50 mm、65 mm及70 mm,且每個(gè)幅值僅循環(huán)1次。

        圖8 有限元實(shí)體模型Fig.8 Finite Element Entity Model

        對(duì)模型進(jìn)行擬靜力分析,可以得到結(jié)構(gòu)的荷載-位移滯回曲線,有限元模擬計(jì)算得出的滯回曲線與試驗(yàn)結(jié)果的比較如圖9所示。

        圖9 滯回曲線比較Fig.9 Simulation and Text Results of Hysteresis Curve

        從圖9可以看出,在加載初期,有限元計(jì)算得出的滯回環(huán)重疊且集中,呈現(xiàn)尖梭型,與試驗(yàn)值較為吻合。當(dāng)位移幅值增大到至15 mm 時(shí),結(jié)構(gòu)的滯回環(huán)開始張開,承載力穩(wěn)定上升,滯回環(huán)呈現(xiàn)仿錐形。當(dāng)幅值加載到65 mm 時(shí),結(jié)構(gòu)正反向均達(dá)到極限承載力,正反向極限承載力為220 kN,與試驗(yàn)值的225 kN 較為吻合,相差僅為2%。由于試驗(yàn)過程中存在鋼筋的滑移,因此試驗(yàn)得出的滯回曲線具有明顯的捏縮效應(yīng),但數(shù)值分析模型卻并未考慮鋼筋的滑移作用,因此計(jì)算得出的下降段沒有捏縮效應(yīng),導(dǎo)致卸載剛度存在偏差。

        總的來說,計(jì)算所得的滯回曲線的總體形狀與試件試驗(yàn)所得的滯回環(huán)總體形狀較為相似,計(jì)算值在加載初期的剛度、側(cè)向承載力、總體形狀3個(gè)方面都表現(xiàn)出一定的精準(zhǔn)度。數(shù)值分析得出的骨架曲線與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖10所示。

        圖10 骨架曲線比較Fig.10 Simulation and Text Results of Backbone Curves

        從圖10 可以看出,模擬骨架曲線與實(shí)驗(yàn)骨架曲線在加載初期擬合較好。但隨著塑性的開展,兩者差距逐漸拉大,計(jì)算值較實(shí)驗(yàn)值小。雖然模擬的極限承載力較為接近,但模擬的極限位移偏大。這是由于分析采用本模型的損傷因子的的計(jì)算取自于《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(2015年版):GB 50010—2010》中,是偏保守的值,而實(shí)際結(jié)構(gòu)損傷值小于規(guī)范計(jì)算值,導(dǎo)致數(shù)值分析計(jì)算得出的結(jié)構(gòu)偏“柔”。兩者的骨架曲線雖有差異,但總的來說,該模型計(jì)算得出的骨架曲線與試驗(yàn)值比較吻合。

        3 預(yù)應(yīng)力配筋率對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能影響

        利用上述方法建立PSC-1~PSC-3 模型,分析預(yù)應(yīng)力配筋率分別為0.17%、0.34%、0.51%時(shí)節(jié)段拼裝橋墩的力學(xué)性能。

        3.1 變形和破壞模式

        PSC-1~PSC-3 模型在達(dá)到極限承載力時(shí)的混凝土塑性應(yīng)變?nèi)鐖D11所示。

        從圖11可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)預(yù)應(yīng)力配筋率從0.17%增大到0.34%時(shí),混凝土的受拉塑性應(yīng)變范圍大大縮小,但當(dāng)配筋率從0.34%增大到0.52%時(shí),其受拉塑性應(yīng)變范圍沒有明顯變化,證明預(yù)應(yīng)力配筋率在0.34%范圍內(nèi)時(shí),增大預(yù)應(yīng)力配筋率可以有效減少塑性拉應(yīng)變的范圍,減小裂紋的分布范圍,當(dāng)預(yù)應(yīng)力配筋率增大到0.34%時(shí),再增加預(yù)應(yīng)力配筋率對(duì)混凝土的塑性拉應(yīng)變分布范圍影響很小。預(yù)應(yīng)力配筋為0.34%和0.51%的構(gòu)件在破壞時(shí)僅在接縫兩側(cè)混凝土處產(chǎn)生塑性應(yīng)變,結(jié)構(gòu)破壞時(shí)裂紋將集中于膠接縫附近。且由應(yīng)力云圖可知,3 個(gè)模型的混凝土壓應(yīng)變均接近或大于混凝土的極限壓應(yīng)變(0.003 3),故結(jié)構(gòu)在破壞時(shí),受壓區(qū)混凝土均有壓碎現(xiàn)象。

        圖11 混凝土塑性應(yīng)變?cè)茍DFig.11 Concrete Plastic Strain Magnitude

        3種模型的普通鋼筋以及預(yù)應(yīng)力鋼筋的屈服分布如圖12所示。當(dāng)數(shù)值達(dá)到1時(shí)證明鋼筋完全屈服,其中紅色部分表示完全進(jìn)入屈服階段的鋼筋。

        從圖12 中可以明顯觀察出,3 種模型均僅有底節(jié)段中的普通鋼筋屈服,預(yù)應(yīng)力鋼筋并未屈服。增大預(yù)應(yīng)力配筋率對(duì)普通鋼筋的屈服情況及其應(yīng)力影響極少,從圖12中可以觀察到2種模型普通鋼筋的屈服分幾乎沒有變化。

        圖12 普通鋼筋屈服分布Fig.12 Steel Yield Distribution

        3.2 荷載位移曲線

        PSC-1~PSC-3 共3 種預(yù)應(yīng)力配筋率下的橋墩模型的荷載-位移曲線對(duì)比如圖13所示。

        圖13 位移荷載曲線比較Fig.13 Simulation and Text Results of Backbone Curves

        3 種預(yù)應(yīng)力配筋率的結(jié)構(gòu)在彈性階段時(shí)其荷載-位移曲線幾乎重合,證明提高預(yù)應(yīng)力配筋率對(duì)結(jié)構(gòu)在彈性階段的側(cè)向剛度影響很小。在進(jìn)入塑性階段后,可以明顯發(fā)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力配筋率為0.17%(PSC-1)的結(jié)構(gòu)存在一段屈服平臺(tái),當(dāng)預(yù)應(yīng)力配筋率提高到0.34%(PSC-2)或0.51%(PSC-3)后,結(jié)構(gòu)的屈服平臺(tái)消失,結(jié)構(gòu)在達(dá)到極限承載力時(shí)出現(xiàn)了“持載”現(xiàn)象。預(yù)應(yīng)力配筋率為0.17%的結(jié)構(gòu)其下降段比較平滑,承載力穩(wěn)定下降,當(dāng)將預(yù)應(yīng)力配筋率增大到0.35%或0.51%后,下降段出現(xiàn)了較明顯波動(dòng),預(yù)應(yīng)力配筋率越大波動(dòng)越明顯,該現(xiàn)象說明預(yù)應(yīng)力配筋率為0.35%或0.51%結(jié)構(gòu)在喪失承載力的同時(shí)卻具有反復(fù)抗力的能力,具有更強(qiáng)的耗能能力。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn),預(yù)應(yīng)力配筋率越大,結(jié)構(gòu)在達(dá)到極限承載力后,其承載力喪失的速度也越快。

        4 結(jié)論

        本文對(duì)3種預(yù)應(yīng)力配筋率的節(jié)段拼裝橋墩進(jìn)行了靜力分析,主要結(jié)論如下:

        ⑴無論是單向位移加載,還是往復(fù)位移加載,本文預(yù)應(yīng)力節(jié)段拼裝橋墩的建模方法準(zhǔn)確性均較高,對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的極限承載力和剛度等有一定的精度。

        ⑵預(yù)應(yīng)力配筋率在0.34%范圍內(nèi)時(shí),增大預(yù)應(yīng)力配筋率可以有效減少結(jié)構(gòu)破壞時(shí)裂紋的開展的范圍,當(dāng)預(yù)應(yīng)力配筋率超過0.34%時(shí),再增加預(yù)應(yīng)力配筋率對(duì)混凝土的裂紋分布范圍影響很小。

        ⑶預(yù)應(yīng)力配筋率越大,結(jié)構(gòu)極限承載力越大,但結(jié)構(gòu)卸載速度也越快。

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