王新宇，刘文会，李嘉明，杜朋飞

吉林建筑大学 交通科学与工程学院,长春 130118

0 引言

随着经济的蓬勃发展和科学技术的不断进步,传统桥梁建造技术已跟不上时代的步伐.人类的能源意识和环境保护意识大大提高,装配式桥梁这一建造技术应运而生.装配式桥梁的施工周期短，构件统一标准化生产,质量有保障.现场只需安装连接,效力高,对环境影响小.符合人们对建设项目提出的工期短、造价低和质量好的三大基本要求.因此，桥梁的装配式施工将会是未来的发展趋势.

1 工程概况

本文以刘丰[1]的试验为依据,运用有限元软件ABAQUS对桥墩进行建模.模型由盖梁加载端、梁身节段和底部承台组成.模拟原试验模型中的S 1，S 6～S 8等4个桥墩,其中S 1为整体现浇桥墩,其他3个均为预应力装配桥墩,其中S 6为单节段装配桥墩,S 7,S 8为三段式装配桥墩.桥墩的结构尺寸如图1所示.

试验桥墩采用的C 50混凝土.纵筋采用的是HRB 335热轧钢筋,半径5 mm,配筋率为1.13 %,布置方式如图2.箍筋采用的是HRB 335热轧钢筋,半径3 mm,体积配箍率为1.08 %箍筋间距50 mm.预应力筋采用的1×7的φj15.24高强度低松弛钢绞线,预应力筋布置方式见图2.

图1 S 1,S 6～S 8构造(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 材料本构模型

钢筋混凝土是以钢筋为骨架,通过混凝土的握裹力与钢筋结合成一个整体,两者发挥各自的优点结合成一种既抗压也抗拉的结构.由于这两种材料都具有非线性的性质,直接影响钢筋混凝土结构在非线性阶段的力学行为表现.因此ABAQUS仿真模拟需要对钢筋和混凝土两种材料分别定义其本构关系.

2.1.1 混凝土本构关系

试验模型应用C 50混凝土,其轴心抗压强度标准值为32.4 MPa,混凝土应力-应变关系采用混凝土结构设计规范(GB 50010-2010)[2].本构关系采用ABAQUS中自的损伤塑性模型,该模型适用循环加载,这种模型能够明显的表现出混凝土破碎时发生的不可逆损伤.

2.1.2 钢筋本构关系

本文中的钢筋采用ABAQUS中提供的弹塑性模型[3],普通纵筋采用RHB 335热轧钢筋,其截面面积为72 mm2,屈服强度为350 MPa,极限强度为540 MPa;矩形箍筋采用的是RHB 335热轧钢筋,其截面面积为28.27 mm2,屈服强度为408 MPa,极限强度540 MPa.

2.2 预应力的模拟

试验桥墩为后张预应力装配式桥墩.ABAQUS模拟预应力筋采用弹塑性的本构关系,用桁架单元模拟预应力钢绞线,赋予其基本属性,特殊地为钢绞线添加一个膨胀系数(δ=1.25×10-5),预应力筋与混凝土间的连接方式为无粘结连接,只需将预应力筋的两端以MPC绑定约束锚固在绑定在盖梁顶端和承台下部的锚头上,在施加荷载阶段,单独对钢绞线添加温度场,用降温法[4]利用钢绞线收缩产生应力实现预应力的张拉.

2.3 有限元模型的建立

桥墩模型运用有限元软件ABAQUS进行仿真模拟[5].该软件的有限元分析功能十分强大,不仅可以解决简单的线性问题，还能针对复杂的非线性问题进行分析.它拥有丰富的材料模型库,能正确地表达出实际工程各种工程材料的性能.本文运用它进行拟静力加载试验的仿真模拟,分析桥墩的受力特性.

第一步创建几何部件;第二步对材料属性的定义同时创建截面属性;第三步装配,将纵筋与箍筋组合成钢筋笼,并将各个部件对应装配到相应位置;第四步设置分析步,根据需要设置输出;第五步定义相互作用,确定各部件间的接触关系,接触面的切向行为用“罚”函数定义接触面的摩擦系数以完成接触面间剪力的传递、法向行为定义面与面间为“硬”接触,钢筋笼采用嵌入的连接方式内置到混凝土部件中;第六步定义荷载和边界条件,对应分析步施加相应的荷载,即在盖梁顶端施加轴向压力和水平位移荷载,确定边界条件,即底面承台完全固结;第七步划分网格,布置种子,分割实体,为方便作业划分尺寸合适的网格;第八步创建分析作业,完成桥墩有限元模型的创建[6].

3 试验结果与有限元结果对比

建立有限元桥墩模型,与文献[1]所提供的试验结果进行对比,图3为ABAQUS仿真模拟的计算结果与试验数据的骨架曲线对比.骨架曲线是滞回曲线上每个滞回环峰值点的轨迹,能体现出桥墩从弹性阶段开始到发生塑性变形的各个阶段的受力特征,是反映桥墩的刚度、延性和耗能等特性的关系曲线.

图3(a)为整体式桥墩模拟结果与试验结果骨架曲线的对比,模拟结果的水平反力最大值为148.735 kN,试验结果的水平反力最大值为144.734 kN,相差2.76 %,图3(b)～图3(d)为预应力装配式桥墩模拟结果与试验结果骨架曲线的对比,模拟结果的水平反力最大值分别为105.909 kN，109.911 kN和128.563 kN,试验结果的水平反力最大值分别为105.924 kN，108.436 kN和123.655 kN,分别相差0.014 %，1.360 %和3.970 %.

由图3还可以看出,模拟结果较试验结果的刚度略大,位移延性和耗能能力拟合较好.从对比结果可以看出,ABAQUS的模拟结果与试验结果极为接近,吻合度较高,拟合效果较好,因此ABAQUS可以对装配式桥墩进行仿真模拟,且模拟结果可靠.

(a)S 1骨架曲线对比

(b)S 6骨架曲线对比

(c)S 7骨架曲线对比

(d)S 8骨架曲线对比图

4 参数分析

在ABAQUS仿真模拟结果正确可靠的基础上,改变后张预应力装配式桥墩的恒载轴压比、初始预应力度、预应力筋的配筋率等参数,分析它们对骨架曲线的影响.

以S7桥墩为原型,将模型中的桥墩改为空心桥墩,其截面形式与配筋如图4所示.

(a)预应力筋配筋率为0.42%时配筋(mm)

(b)预应力筋配筋率为0.63%时配筋(mm)

图5 不同恒载轴压比骨架曲线的对比

模型用恒载轴压比模拟桥梁上部结构的重量,分别改变模型的恒载轴压比为10 %,15 %,20 %,完成桥墩骨架曲线受静载轴向压缩比的影响分析.

从图5中可以看出位移在8 mm之内时,3条曲线的水平反力趋于一致,恒载轴压比为10 %时,桥墩最大水平荷载为74.019 kN,恒载轴压比为15 %时,最大水平荷载87.993 kN,恒载轴压比为20 %时,最大水平荷载为101.504 kN;随着恒载轴压比的增大,桥墩的水平荷载最大值随之提高,且随着恒载轴压比的增大,水平荷载达到峰值后下降的幅度也随着增大.图5还可以反映出桥墩的位移延性随着恒载轴压比的增大而变大.延性越大,桥墩塑性变形能力越强,耗能能力越强,所以桥墩耗能能力也随着恒载轴压比的增大而变强.

后张预应力装配式桥墩通过在桥墩空心处张拉预应力筋将各个节段连接起来,改变桥墩模型的初始预应力大小和预应力筋的配筋率等参数,分析它们对骨架曲线的影响.

图6为不同预应力度的骨架曲线的对比图,改变模型的预应力度为10 %,15 %,20 %的轴压比.在小位移荷载作用下,三条曲线的墩顶反力很接近,随着初始预应力的增大,桥墩水平反力最大值也随之增大,预应力度为15 %比10 %的水平荷载最大值增加12.34 %,预应力度为20 %比15 %的水平荷载最大值增加7.31 %,且随着初始预应力度的增大,水平荷载达到峰值后下降的幅度也越大.图6还可以反映出桥墩的位移延性随着预应力度的增大而变大.位移延性变大,桥墩的耗能能力也增强,所以桥墩的耗能能力也随着预应力度的增大而变强.

图7是不同预应力筋配筋率的骨架曲线的对比图,在不改变整体轴压比的条件下,改变预应力筋的配筋率.小位移荷载时配筋率的影响很小,骨架曲线几乎重合,当位移大于15 mm时配筋率为0.63 %的水平反力明显大于配筋率0.42 %时,配筋率为0.42 %桥墩的水平反力最大值74.019 kN,配筋率为0.63 %桥墩的水平反力最大值为82.617 8 kN ,增长了10.41 %.桥墩的水平荷载最大值随着预应力筋的配筋率的增大而增大.图7还可以反映出桥墩的位移延性和耗能能力随着预应力配筋率的增加而变大.

从图5～图7中还可以看出,随着恒载轴压比、初始预应力度和预应力筋配筋率的增加,桥墩的刚度有不同程度的增加.

图6 不同预应力度骨架曲线的对比

图7 不同预应力筋配筋率骨架曲线的对比

5 结语

(1)装配式桥墩承受的水平荷载最大值、位移延性、耗能能力和刚度随着恒载轴压比、预应力度和预应力筋的配筋率的增大而增大.

(2)桥墩的总体轴压比越大,水平荷载达到峰值后下降的幅度也越大,而预应力筋的配筋率的增加对水平荷载达到峰值后下降的幅度影响则不是那么明显.