預應力節段拼裝橋墩抗震性能實體有限元模擬

金鄭祿

（新疆維吾爾自治區交通規劃勘察設計研究院，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段拼裝而成。各節段自下而上分為S-1、S-2、S-3 和S-4 共4 個空心節段；蓋梁與承臺中心設預應力孔道，采用無黏結預應力將各節段串聯后壓接成為整體；為防止發生節間錯動，在接縫處設置剪力榫裝置。

各節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段空心處穿過，兩端分別錨固于蓋梁與承臺頂底。

2 模型建立

依據預應力節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）各節段間、底節段與承臺接觸面間建立“表面與表面接觸”，實現接縫模擬。（2）普通鋼筋籠“嵌入”約束于混凝土節段中，忽略可能發生的相對滑移。（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 受力變形狀態分析

開展擬靜力試驗了解預應力節段拼裝橋墩抗震性能時，研究人員通常在表觀現象記錄與試驗數據采集的基礎上進行研究分析。受監測設備等因素限制，數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，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。總體而言，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，模型的位移狀態與實際狀況基本相符，并能夠實現對各位移分量的獨立考察；加載過程中，接縫張角僅發生于墩底與承臺連接處，與擬靜力試驗現象一致。

圖3 位移分布

4.2 應力、應變狀態分析

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，底部兩節段接縫邊角位置也存在集中分布區；墩底節段鋼筋籠約有1/2 部分進入屈服強度。綜上所述，預應力節段拼裝橋墩的塑性損傷主要集中發生于墩底接縫區附近，上部各節段基本保持彈性狀態，與擬靜力試驗現象相符合。

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，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域的受力狀態提供指導。