预制拼装桥墩抗震性能数值分析.pdf

116 Academic Papers学术交流影 响 有 影 响 的 人 预制拼装桥墩抗震性能数值分析颜 晖（安徽省舒城县公路服务中心，安徽 六安 231300）摘要：为进一步掌握预制拼装桥墩的抗震性能是否可以达到抗震要求以及剪跨比等参数对其抗震性能的影响，对既有试验进行数值分析。首先给出桥墩的设计背景及方案，然后通过 ABAQUS 有限元软件建立数值分析模型，对预制桥墩与整体浇筑桥墩的抗震性能进行对比，分析预制拼装桥墩的合理性，对预制桥墩进行轴压比及剪跨比参数分析，评价各参数对抗震性能的影响程度大小。关键词：预制拼装桥墩；有限元模型；抗震性能；参数分析中图分类号：U443.22 文献标识码：A 文章编号：1673-8098（2023）03-0116-030 引言桥梁是交通基础设施建设及道路交通中的关键组成部分，在交通运输中都起着重要的作用，而桥梁的抗震性能问题则是桥梁服役性能研究的重点。早期的城市桥梁抗震设计中，主要是基于承载能力的抗震设计，单纯依靠强度来进行，存在较大缺陷，使用者的生命安全无法得到保证，为了改善这个问题，学者提出了基于延性的设计方法。1995 年的日本阪神大地震对当地桥梁造成了严重破坏，大部分桥梁由于桥墩的破坏而无法继续使用且无法修复1。针对上述问题，学者们提出了预制拼装桥墩，施工时可以保证施工速度和质量，预制桥墩的预应力筋可以增强其自复位能力，并且增设的耗能钢筋可以增强其耗能能力，预制桥墩的这些优势可减少震后的修复工作2，3。预制节段拼装桥墩目前主要理论研究方法有解析法、纤维模型分析法、实体有限元分析法等4。赵建峰等5利用 OpenSees有限元软件对干接缝试件进行了数值分析，发现耗能钢筋的增加可以提高耗能能力、水平承载能力。Li Chao 等6利用综合数值模拟的方法研究了圆柱形预制拼装桥墩双向循环加载时结构的抗震性能，发现双轴循环加载对墩柱的强度、延性及耗能均有影响。蔡忠奎7等对比了配置三类钢筋的预制拼装桥墩的抗震性能，发现将普通钢筋改为 PSB785 精轧螺纹钢筋可以增强桥墩的自复位能力。邵舒8等研究了超弹性材料在预制拼装桥墩中的应用及其抗震性能，发现内置超弹性材料的预制桥墩具有较好的耗能能力和自复位能力。虽然近年来各学者对预制拼装桥墩的研究较为广泛，但对于预制节段间连接方式的研究及该试件的数值参数分析研究相对较少。本文以既有研究试验9的预制拼装桥墩为研究对象，基于 ABAQUS 有限元软件建立预制拼装桥墩的有限元模型，并与整体浇筑桥墩进行对比；随后进行参数分析，总结轴压比和剪跨比参数对其抗震性能的影响程度大小，为后续学者对预制桥墩的参数研究奠定基础。1 试件及工况设计为研究预制拼装桥墩的抗震性能以及轴压比、剪跨比对其抗震性能的影响，本文根据既有文献给出的试件设计进行有限元建模，通过对比模拟与试验的滞回曲线等抗震性能指标，证明模型的准确性，然后对其进行参数分析。文献 9 给出的试件尺寸如图 1 所示（CP 为整体浇筑桥墩，MTSP 为预制拼装桥墩），预制拼装桥墩各节段间有剪力键相连，下部节段的上表面设置有剪力键与上部节段下表面的卯洞互相配合，混凝土型号、预应力筋及耗能钢筋等的配置均与既有试验相同。图 2 为本文设计的不同轴压比及剪跨比参数对比图，其中 5%、10%、15%表示轴压比大小，MTSP 墩身由四个节段组成，本文记为 MTSP-4，文表 1 参数对比模型代号剪跨比轴压比MTSP-4(5%)5.45%MTSP-4(10%)5.410%MTSP-4(15%)5.415%MTSP-2(5%)3.05%MTSP-2(10%)3.010%MTSP-2(15%)3.015%117NO.3/JUNE.2023交通建设与管理 影响有影响的人 试验结果吻合程度较高，该有限元模型如图 4 可以作为抗震性能参数有限元数值分析的基础模型。如图5骨架曲线所示，可以看出两者的骨架曲线的形状相近，预制拼装桥墩的水平承载能力要略大于整体浇筑桥墩。主要原因是较高的预应力筋预拉应力可以增强预制桥墩的水平承载能力。3 参数分析结果对比3.1 等效刚度中-2 即代表 2 个节段组成的预制桥墩，具体参数如表 1 所示。2 数值模型建立及结果分析2.1 有限元模型建立承台、墩身、加载端均为 C3D8R 实体单元类型，纵筋、箍筋和预应力筋则是 T3D2 桁架单元类型。纵筋与墩身的接触方式均为 embedded region 嵌入式；承台、墩身各节段的接触方式为“罚接触”，切向摩擦系数取 0.6，法向为“硬接触”。竖向损伤模型在弹性阶段采用线弹性的方式模拟混凝土力学性能，在塑性阶段则是用损伤因子 d 来控制，混凝土的本构模型选用塑性损伤（CDP）模型；钢筋的本构模型采用传统的双折线模型。有限元模型采用位移法加载水平向荷载，加载幅值与试验加载一致，但为便于计算，均改为单循环加载方式加载，MTSP-4（10%）的竖向荷载为 10%轴压比。2.2 有限元模拟结果分析根据既有试验进行有限元模型对比，结果如图 3 所示。可以发现，整体浇筑桥墩和预制拼装桥墩滞回曲线模拟结果和既有图 1 试件构造及特征截面 图 2 恒载轴压比及剪跨比参数对比详图图 4 有限元模型图 5 两试件骨架曲线模拟结果对比（a）CP 试件（b）MTSP 试件图 3 数值模拟结果与试验结果滞回曲线对比118 Academic Papers学术交流影 响 有 影 响 的 人 由图 6 可知，轴压比的增大提高了试件的等效刚度，而剪跨比增大则会一定程度地减小等效刚度。图 6 等效刚度对比3.2 耗能能力由图 7 可知，剪跨比的增大使累积耗能不断下降；当剪跨比为 5.4 时，模型试件的耗能能力在随着轴压比的增大而减小；轴压比为 10%时模型试件的耗能能力大于轴压比为 15%，通过有限元模拟发现 MTSP-2（5%）试件由于预应力筋较小的预拉应力导致整体性不足，所以在设置预应力筋时建议应提供 5%轴压比以上。图 7 累积耗能对比3.3 残余位移图 8 残余位移对比由图 8 可知，随着剪跨比的增大，模型试件的自复位能力在增强，残余位移随着轴压比的增大而减小，但由于 MTSP-2(5%)剪跨比及预应力筋提供的轴压比太小而产生较大的残余位移。4 结语本文基于既有试验进行了数值模拟研究，通过试验对比，验证了数值模型的准确性，并对其抗震性能进行对比研究，发现提出的预制拼装桥墩的抗震性能略优于整体浇筑桥墩，然后进一步对该模型进行参数分析，分析剪跨比及轴压比综合分析对预制拼装桥墩抗震性能的影响程度。结果表明两者对结构抗震性能均有影响：预制拼装桥墩水平承载能力、等效刚度随着轴压比的增大均有所提升；减小的剪跨比增大了耗能能力以及水平承载能力，但同时也增大了残余位移。合理地配置轴压比及剪跨比参数可提升预制拼装桥墩的抗震性能。本文给出的数值模型可为后续学者对于预制桥墩抗震性能研究提供参考。参考文献1 Kazuhiko K,Gregory A M,Jyun-ichi H,et al.Residual Displacement Response SpectrumJ.Journal of Structural Engineering，1998，124（5）：523-530.2 赵鲁峰.节段拼装墩桥梁结构地震碰撞效应及减隔震措施研究D.成都：西南交通大学，2019.3 Dawood H，ElGawady M，Hewes J.Behavior of Segmental Precast Posttensioned Bridge Piers under Lateral LoadsJ.Journal of Bridge Engineering,2012,17（5）:735-746.4 葛继平，王志强.干接缝节段拼装桥墩集中塑性铰模型的地震响应分析 J.工程力学，2010，27（8）：185-190.5 赵建锋，孟庆一.基于干接缝单元的预制拼装桥墩抗震性能数值模拟 J.地震工程与工程振动，2020，40（2）：111-122.6 Li Chao,Hao Hong,Bi kaiming.Seismic Performance of Precast Concrete-filled Circular Tube Segmental Column Under Biaxial Lateral Cyclic LoadingsJ.Bulletin of Earthquake Engineering，2019,17（1):271-296.7 蔡忠奎，王震宇，苑溦.高强钢筋增强节段拼装桥墩抗震性能分析J.南京工业大学学报(自然科学版)，2020，42（3）：312-318.8 邵舒，于晓光.内置SMA 杆节段拼装桥墩抗震性能分析 J.内蒙古公路与运输，2018（6）：32-37.9 Y Ni,C Hao,Y Xu.Seismic performance analysis of self-centering segment piers with mortise-tenon shear connectors based on cyclic pseudo-static testJ.Journal of Vibroengineering,2021.23(7):1621-1639.