基于ABAQUS自复位桥墩与现浇桥墩性能对比

2020-03-14任秩健

四川建材 2020年2期

任秩健

(华北水利水电大学土木与交通学院，河南郑州 450045)

0 前言

我国近来地震频发，一次大地震过后，许多桥墩发生较大的残余应变，这些变形往往是永久的，使得桥墩不能继续使用，救援车辆因此不能及时到达现场施救，给人民造成了巨大的损失。因此，不少学者探求新型的桥墩结构，基于性能的自复位桥墩应运而生，这种桥墩着眼于结构自身消耗地震能量和控制桥墩的残余变形。这种桥墩结构中，墩身和承台是分离的，中间有一个预应力筋连接，两端分别锚固在墩身和承台两端，在地震作用下，允许构件连接处有一定的张拉分离，预应力受拉变形，使其终在弹性范围内，当卸载后，依靠墩身的重力以及预应力筋的拉力使桥墩复位，这种基于延性的设计理念逐步代替了现浇桥墩以材料弹性极限强度为临界设计值的设计理念[1-2]。

自复位桥墩结构的四大组成部分分别是：①自复位组件，②耗能组件，③承重组件，④接头组件[2]。其中自复位组件由后张法预应力筋构成，耗能组件由耗能钢筋组成，接头组件大都使用嵌合式接头。这四大组件协同合作，共同抵御地震作用[4]。

为了更好地看出自复位桥墩与现浇桥墩相比的优越性，这里我们应用有限元软件ABAQUS对两种桥墩分别进行了建模分析，对比分析这两种桥墩在水平往复荷载下的性能差异。

1 模型的建立

本文是基于ABAQUS有限元软件建立的自复位桥墩模型，对其进行拟静力分析。自复位桥墩保护层厚度为40 mm，纵筋使用直径16 mm的HRB335钢筋，箍筋使用直径10 mm的HPB300的钢筋，间距80 mm。耗能钢筋无粘结段的长度为700 mm，预应力筋采用4φs15.2的1860级钢绞线，两端由垫块固定。现浇的桥墩配筋率和结构尺寸与自复位桥墩相同，两者分别受相同的竖向荷载和往复的水平位移荷载。

2 现浇桥墩和自复位桥墩模拟结果的对比

在ABAQUS中得到的受力云图如图1所示，这里我们选取的是同一时刻，相同受力情况下的两个桥墩的受力云图。

(a)自复位桥墩受力云图

(b)现浇桥墩受力云图

通过观察受力云图，我们可以清晰地看到，在荷载作用下，不论是自复位桥墩还是现浇桥墩的应力都集中在墩底的两端，从云图的颜色上看，现浇桥墩的颜色要比自复位桥墩的颜色深，通过有限元软件的查看，自复位桥墩底部应力为1.9 MPa，现浇桥墩底部应力为3.5 MPa，说明现浇桥墩的墩底混凝土比自复位桥墩的墩底更容易损坏。这是因为现浇桥墩是桥墩和承台是一体的，自复位桥墩墩身和承台是分开的，在荷载作用下，桥墩左右摇摆，相当于隔震系统，耗能钢筋消耗地震能量，再依靠自身重力和预应筋提供回复力使桥墩回归原位，减轻底部混凝土受到的力。

对于墩顶位移，通过软件ABAQUS处理后数据，得到自复位桥墩的墩顶位移是7.83 mm，现浇桥墩的去墩顶位移是7.94 mm，发现两者的位移基本相近，从而证明了自复位桥墩也具有良好的抗侧性能，这是因为自复位桥墩由于由预应力钢筋的约束，即使桥墩和承台分离，也不会降低其抗侧性能。

现浇桥墩和自复位桥墩的滞回曲线如图2所示。其中荷载是墩底剪力，位移是墩顶水平位移。

图2 自复位桥墩和现浇桥墩滞回曲线

对比两者的滞回曲线图，不难发现自复位桥墩因为其结构的特殊性其曲线为旗帜型的回环，两端较为饱满，整体受到的地震能量跟现浇的桥梁比起来要少很多，这是因为自复位桥墩在地震中能够通过自身摇摆耗散较多的地震能量，从而保护了结构，使其不被破坏。

在墩顶位移较小的时候，我们看到现浇桥墩的墩底剪力远远大于自复位桥墩的荷载，当墩顶位移是5 mm的时候，现浇桥墩的墩底剪力为155.4 kN，自复位桥墩的墩底剪力为77.5 kN，这个数值是现浇桥墩的50%，由于自复位桥墩的预应力筋存在，而且预应力筋有初始的张拉应力，在水平往复荷载下，竖向荷载往往先要平衡预应力筋中的预应力，从而减小了墩底的剪力。

图2中，从滞回曲线回环的面积来看，与自复位桥墩相比现浇桥墩的整体很饱满，说明现浇桥墩的耗能能力比起自复位桥墩要强一些。

观察两个桥墩的滞回曲线，两者刚开始都处于弹性阶段，曲线斜率比较大，随着位移加大，曲线明显偏向位移坐标轴，说明这时的构件已经进入塑性阶段了，从图2中还可以看出，自复位桥墩和现浇桥墩的极限承载力分别为126.9 kN和173.5 kN，这证明了现浇桥墩的整体性要高于自复位桥墩。