軸壓比對預應力裝配式橋墩受力影響分析

王新宇，劉文會，李嘉明，杜朋飛

吉林建筑大學 交通科學與工程學院,長春 130118

0 引言

隨著經濟的蓬勃發展和科學技術的不斷進步,傳統橋梁建造技術已跟不上時代的步伐.人類的能源意識和環境保護意識大大提高,裝配式橋梁這一建造技術應運而生.裝配式橋梁的施工周期短，構件統一標準化生產,質量有保障.現場只需安裝連接,效力高,對環境影響小.符合人們對建設項目提出的工期短、造價低和質量好的三大基本要求.因此，橋梁的裝配式施工將會是未來的發展趨勢.

1 工程概況

本文以劉豐[1]的試驗為依據,運用有限元軟件ABAQUS對橋墩進行建模.模型由蓋梁加載端、梁身節段和底部承臺組成.模擬原試驗模型中的S 1，S 6～S 8等4個橋墩,其中S 1為整體現澆橋墩,其他3個均為預應力裝配橋墩,其中S 6為單節段裝配橋墩,S 7,S 8為三段式裝配橋墩.橋墩的結構尺寸如圖1所示.

試驗橋墩采用的C 50混凝土.縱筋采用的是HRB 335熱軋鋼筋,半徑5 mm,配筋率為1.13 %,布置方式如圖2.箍筋采用的是HRB 335熱軋鋼筋,半徑3 mm,體積配箍率為1.08 %箍筋間距50 mm.預應力筋采用的1×7的φj15.24高強度低松弛鋼絞線,預應力筋布置方式見圖2.

圖1 S 1,S 6～S 8構造(mm)

(a)S 8截面配筋

(b)S 1，S 6和S 7截面配筋

2 有限元模型

2.1 材料本構模型

鋼筋混凝土是以鋼筋為骨架,通過混凝土的握裹力與鋼筋結合成一個整體,兩者發揮各自的優點結合成一種既抗壓也抗拉的結構.由于這兩種材料都具有非線性的性質,直接影響鋼筋混凝土結構在非線性階段的力學行為表現.因此ABAQUS仿真模擬需要對鋼筋和混凝土兩種材料分別定義其本構關系.

2.1.1 混凝土本構關系

試驗模型應用C 50混凝土,其軸心抗壓強度標準值為32.4 MPa,混凝土應力-應變關系采用混凝土結構設計規范(GB 50010-2010)[2].本構關系采用ABAQUS中自的損傷塑性模型,該模型適用循環加載,這種模型能夠明顯的表現出混凝土破碎時發生的不可逆損傷.

2.1.2 鋼筋本構關系

本文中的鋼筋采用ABAQUS中提供的彈塑性模型[3],普通縱筋采用RHB 335熱軋鋼筋,其截面面積為72 mm2,屈服強度為350 MPa,極限強度為540 MPa;矩形箍筋采用的是RHB 335熱軋鋼筋,其截面面積為28.27 mm2,屈服強度為408 MPa,極限強度540 MPa.

2.2 預應力的模擬

試驗橋墩為后張預應力裝配式橋墩.ABAQUS模擬預應力筋采用彈塑性的本構關系,用桁架單元模擬預應力鋼絞線,賦予其基本屬性,特殊地為鋼絞線添加一個膨脹系數(δ=1.25×10-5),預應力筋與混凝土間的連接方式為無粘結連接,只需將預應力筋的兩端以MPC綁定約束錨固在綁定在蓋梁頂端和承臺下部的錨頭上,在施加荷載階段,單獨對鋼絞線添加溫度場,用降溫法[4]利用鋼絞線收縮產生應力實現預應力的張拉.

2.3 有限元模型的建立

橋墩模型運用有限元軟件ABAQUS進行仿真模擬[5].該軟件的有限元分析功能十分強大,不僅可以解決簡單的線性問題，還能針對復雜的非線性問題進行分析.它擁有豐富的材料模型庫,能正確地表達出實際工程各種工程材料的性能.本文運用它進行擬靜力加載試驗的仿真模擬,分析橋墩的受力特性.

第一步創建幾何部件;第二步對材料屬性的定義同時創建截面屬性;第三步裝配,將縱筋與箍筋組合成鋼筋籠,并將各個部件對應裝配到相應位置;第四步設置分析步,根據需要設置輸出;第五步定義相互作用,確定各部件間的接觸關系,接觸面的切向行為用“罰”函數定義接觸面的摩擦系數以完成接觸面間剪力的傳遞、法向行為定義面與面間為“硬”接觸,鋼筋籠采用嵌入的連接方式內置到混凝土部件中;第六步定義荷載和邊界條件,對應分析步施加相應的荷載,即在蓋梁頂端施加軸向壓力和水平位移荷載,確定邊界條件,即底面承臺完全固結;第七步劃分網格,布置種子,分割實體,為方便作業劃分尺寸合適的網格;第八步創建分析作業,完成橋墩有限元模型的創建[6].

3 試驗結果與有限元結果對比

建立有限元橋墩模型,與文獻[1]所提供的試驗結果進行對比,圖3為ABAQUS仿真模擬的計算結果與試驗數據的骨架曲線對比.骨架曲線是滯回曲線上每個滯回環峰值點的軌跡,能體現出橋墩從彈性階段開始到發生塑性變形的各個階段的受力特征,是反映橋墩的剛度、延性和耗能等特性的關系曲線.

圖3(a)為整體式橋墩模擬結果與試驗結果骨架曲線的對比,模擬結果的水平反力最大值為148.735 kN,試驗結果的水平反力最大值為144.734 kN,相差2.76 %,圖3(b)～圖3(d)為預應力裝配式橋墩模擬結果與試驗結果骨架曲線的對比,模擬結果的水平反力最大值分別為105.909 kN，109.911 kN和128.563 kN,試驗結果的水平反力最大值分別為105.924 kN，108.436 kN和123.655 kN,分別相差0.014 %，1.360 %和3.970 %.

由圖3還可以看出,模擬結果較試驗結果的剛度略大,位移延性和耗能能力擬合較好.從對比結果可以看出,ABAQUS的模擬結果與試驗結果極為接近,吻合度較高,擬合效果較好,因此ABAQUS可以對裝配式橋墩進行仿真模擬,且模擬結果可靠.

(a)S 1骨架曲線對比

(b)S 6骨架曲線對比

(c)S 7骨架曲線對比

(d)S 8骨架曲線對比圖

4 參數分析

在ABAQUS仿真模擬結果正確可靠的基礎上,改變后張預應力裝配式橋墩的恒載軸壓比、初始預應力度、預應力筋的配筋率等參數,分析它們對骨架曲線的影響.

以S7橋墩為原型,將模型中的橋墩改為空心橋墩,其截面形式與配筋如圖4所示.

(a)預應力筋配筋率為0.42%時配筋(mm)

(b)預應力筋配筋率為0.63%時配筋(mm)

圖5 不同恒載軸壓比骨架曲線的對比

模型用恒載軸壓比模擬橋梁上部結構的重量,分別改變模型的恒載軸壓比為10 %,15 %,20 %,完成橋墩骨架曲線受靜載軸向壓縮比的影響分析.

從圖5中可以看出位移在8 mm之內時,3條曲線的水平反力趨于一致,恒載軸壓比為10 %時,橋墩最大水平荷載為74.019 kN,恒載軸壓比為15 %時,最大水平荷載87.993 kN,恒載軸壓比為20 %時,最大水平荷載為101.504 kN;隨著恒載軸壓比的增大,橋墩的水平荷載最大值隨之提高,且隨著恒載軸壓比的增大,水平荷載達到峰值后下降的幅度也隨著增大.圖5還可以反映出橋墩的位移延性隨著恒載軸壓比的增大而變大.延性越大,橋墩塑性變形能力越強,耗能能力越強,所以橋墩耗能能力也隨著恒載軸壓比的增大而變強.

后張預應力裝配式橋墩通過在橋墩空心處張拉預應力筋將各個節段連接起來,改變橋墩模型的初始預應力大小和預應力筋的配筋率等參數,分析它們對骨架曲線的影響.

圖6為不同預應力度的骨架曲線的對比圖,改變模型的預應力度為10 %,15 %,20 %的軸壓比.在小位移荷載作用下,三條曲線的墩頂反力很接近,隨著初始預應力的增大,橋墩水平反力最大值也隨之增大,預應力度為15 %比10 %的水平荷載最大值增加12.34 %,預應力度為20 %比15 %的水平荷載最大值增加7.31 %,且隨著初始預應力度的增大,水平荷載達到峰值后下降的幅度也越大.圖6還可以反映出橋墩的位移延性隨著預應力度的增大而變大.位移延性變大,橋墩的耗能能力也增強,所以橋墩的耗能能力也隨著預應力度的增大而變強.

圖7是不同預應力筋配筋率的骨架曲線的對比圖,在不改變整體軸壓比的條件下,改變預應力筋的配筋率.小位移荷載時配筋率的影響很小,骨架曲線幾乎重合,當位移大于15 mm時配筋率為0.63 %的水平反力明顯大于配筋率0.42 %時,配筋率為0.42 %橋墩的水平反力最大值74.019 kN,配筋率為0.63 %橋墩的水平反力最大值為82.617 8 kN ,增長了10.41 %.橋墩的水平荷載最大值隨著預應力筋的配筋率的增大而增大.圖7還可以反映出橋墩的位移延性和耗能能力隨著預應力配筋率的增加而變大.

從圖5～圖7中還可以看出,隨著恒載軸壓比、初始預應力度和預應力筋配筋率的增加,橋墩的剛度有不同程度的增加.

圖6 不同預應力度骨架曲線的對比

圖7 不同預應力筋配筋率骨架曲線的對比

5 結語

(1)裝配式橋墩承受的水平荷載最大值、位移延性、耗能能力和剛度隨著恒載軸壓比、預應力度和預應力筋的配筋率的增大而增大.

(2)橋墩的總體軸壓比越大,水平荷載達到峰值后下降的幅度也越大,而預應力筋的配筋率的增加對水平荷載達到峰值后下降的幅度影響則不是那么明顯.