基于ABAQUS的節段拼裝雙柱橋墩接縫在地震下的損傷分析

汪家華

重慶大學土木工程學院 重慶大學 重慶 400045

引言

裝配式橋梁結構由于其便于施工，經濟節約，環保無污染等優點在橋梁工程領域得到了越來越多建設人員的偏愛。2016年，中共中央國務院《關于進一步加強城市規劃建設管理工作的若干意見》中提出，大力推廣裝配式建筑，加大政策支持力度，力爭用十年左右時間，使裝配式建筑占新建建筑的比例達到30%，可以預見在未來一段時間內，預制裝配式橋梁技術將得到廣發的研究和應用。

橋墩是裝配式橋梁結構中最薄弱且易損壞的部分，特別是遭遇地震時尤其明顯，而節段式拼裝橋墩由于存在接縫，在地震動作用下更易破壞。我國目前對裝配式橋墩的研究多集中于單柱式橋墩，而對裝配式雙柱橋墩的研究較少。在我國，學者陳興沖和虞廬松等最早開始裝配式雙柱橋墩研究[1-4]。研究裝配式橋墩抗震性能的方法分為試驗研究和理論分析，試驗研究主要是振動臺試驗法，理論分析主要是解析法，集中塑性鉸法，纖維模型法和實體有限元模型法。過去對裝配式橋墩的研究多集中于靜力的研究方法，如擬靜力試驗[5]，靜力彈塑性分析法（Pushover Analysis）[6-7]等，而采用振動臺試驗法和實體有限元模型法則相對較少[8]。實體有限元模型法可用有限元軟件如ANSYS，ABAQUS，OPENSEES等進行，隨著有限元技術的發展，采用 ABAQUS 等實體單元模型進行裝配式橋墩的有限元分析逐漸顯現其優勢。本文采用實體有限元模型法，利用ABAQUS軟件對裝配式節段拼裝雙柱橋墩建模，模擬裝配式節段拼裝雙柱橋墩在橫向地震動和豎向地震動作用下節段拼裝墩柱接縫處端面的應力應變分布，分析了應力應變分布特點，為研究裝配式節段拼裝雙柱橋墩抗震提供依據。

1 建立模型

參考高聰的試驗原型[9]，結合工程實際及ABAQUS軟件，設該模型包括六個墩柱節段，橫梁及底座，各墩柱節段與橫梁及底座用連接鋼筋連接。其各裝配部件尺寸如圖一所示。建模時，鋼筋采用HRB335鋼筋，屈服強度210MPa，混凝土密度2400 kg/m3，重力加速度取9.81m/s2。節段墩柱鋼筋構造及數量如圖二和表一所示。

圖一 模型尺寸

圖二 節段墩柱尺寸及鋼筋構造

表一 墩柱節段所配鋼筋數量表

用ABAQUS建模時，要考慮混凝土的本構關系，ABAQUS提供了三種混凝土本構模型，包括脆性開裂模型，彌散開裂模型和塑形損傷模型。根據本文研究目的采用塑性損傷本構模型，在ABAQUS軟件中設定參數時除膨脹角取30度外，其他值取ABAQUS的默認值。混凝土的應力應變關系和損傷參數在參考方自虎的實驗基礎上取定[10]，即混凝土拉應力上升段取直線，下降段選用我國混凝土規范中的公式。混凝土受壓曲線取我國規范中的公式（公式1），ε0取歐盟規范規定的數值（即取歐盟規范規定公式中峰值應力對應的應變），并將彈性段取到混凝土強度的0.4倍(圖三)。混凝土泊松比取0.16。損傷參數按照[11]計算，且取值到0.95以上。

σc為混凝土應力；?為混凝土峰值應力（即混凝土強度）；， εc為混凝土應變。，ε0為峰值應力對應的應變。

圖三 混凝土受拉受壓應力應變關系曲線

鋼筋采用桁架單元模擬，并采用嵌入區域約束將鋼筋嵌入到混凝土中。各節段墩柱之間的表面及節段墩柱與底座和蓋梁表面之間的接觸采用硬接觸，摩擦系數取0.5。在墩柱節段與橫梁和底座之間加以連接鋼筋，使之成為整體。在劃分單元時，鋼筋骨架采用T3D2單元，混凝土實體采用C3D8R單元。建成后的模型如圖所示。

圖四 雙柱節段拼裝橋墩ABAQUS模型

2 ABAQUS有限元模型分析

本文通過在模型底部施加地震波來模擬裝配式雙柱節段拼裝橋墩在地震下接縫處的受力及變形，所選的地震波由peer網站截取。在模型底部施加的地震波分兩種，一種為橫向地震波，一種為豎向地震波。所選的地震波如圖五所示。

圖五 地震波

2.1 施加橫向地震波

在模型底座沿橫向（y軸負方向）施加地震波，得各節段橋墩墩柱接縫處端面的應力分布如圖六所示。從圖中可以看出，并排的左右節段墩柱端面應力分布對稱，在節段墩柱內夾角和外尖角處應力出現集中現象，上節段墩柱上端面和下節段墩柱下端面應力沿地震波傳播的方向由負到正呈現層次性分布。

圖六 橫向地震波作用下各節段墩柱端面應力分布

圖七是在給模型底座施加橫向地震波作用下，各節段墩柱端面應變分布。從圖中可看出下節段墩柱上端面和中節段墩柱上端面應變沿地震波傳播的方向由負到正呈現層次性分布，上節段墩柱上端面和下節段墩柱下端面應變變化幅度較下節段墩柱上端面和中階段墩柱上端面的應變變化幅度要小。

圖七 橫向地震波作用下各節段墩柱端面應變分布

2.2 施加豎向地震波

在模型底座施加豎向（z軸負方向）地震波，得各節段墩柱端面應力分布如圖八所示。從圖中可看出，中節段左墩柱內夾角和內邊出現應力集中現象，上節段右墩柱內夾角和內邊出現應力集中現象。

圖八 豎向地震波作用下各節段墩柱截面應力分布

圖九是在模型底座施加豎向（沿z軸負方向）地震波時，各節段墩柱端面應變分布，從圖中可看出左右并排的下節段墩柱上端面和中節段墩柱上端面應變分布，左邊墩柱端面應變為正，右邊墩柱端面應變為負。而且各節段墩柱端面應變分布統一，由此可判斷模型墩柱應變已屈服。

圖九 豎向地震波作用下各節段墩柱端面應變分布

3 結論

通過以上在給裝配式節段拼裝雙柱橋墩建模后，給模型施加以地震波并分析各節段橋墩墩柱接縫處端面的應力應變分布可得出以下結論：

（1）當裝配式節段拼裝雙柱橋墩受橫向且沿縱橋向地震動作用時，并排的左右橋墩節段墩柱接縫處應力應變分布呈現對稱性。

（2）當裝配式節段拼裝雙柱橋墩受豎向地震動作用時，并排的左右橋墩節段墩柱接縫處應力應變分布不對稱，且較橫向地震動作用下更易發生屈服現象。

（3）無論受橫向地震動作用或豎向地震動作用時，雙柱橋墩節段墩柱接縫處的內邊和內夾角及外尖角處易發生應力集中現象。