分段SFC预制壳壁抗震加固RC墩柱的数值模拟分析

2020-03-22纪志伟

建材与装饰 2020年5期

纪志伟

（西南科技大学土木工程与建筑学院四川绵阳 621010）

我国位于世界两大地震带——环太平洋地震带与欧亚地震带之间，地震断裂带十分活跃，是世界上遭受地震灾害最为严重的地区之一[1-2]。汶川地震中，各类交通基础设施损毁巨大，其中桥梁损毁最为严重[3]。

分段SFC预制壳壁抗震加固措施[4-6]是在钢筋混凝土桥墩塑性铰区域外包分段钢纤维混凝土预制壳壁，在壳壁内放置无粘结钢筋。与已有墩柱加固方法相比，采用此种加固措施加固后墩柱不仅能够提高承载力、延性和耗能能力，而且通过预制壳壁分段避免了墩柱塑性铰区域转移。

本文以ABAQUS为分析平台，在文献[4-6]基础上，建立了分段SFC预制壳壁抗震加固墩柱有限元模型（以下简称加固墩柱），通过与试验对比，验证了有限元模型的合理性，为分段SFC预制壳壁进一步研究打下基础。

1 构件参数

加固墩柱为在一300×300的普通钢筋混凝土桥墩（RC桥墩）基础上，塑性铰区域采用分段钢纤维混凝土预制壳壁（以下简称分段SFC壳壁），预制壳壁中放置无粘结筋，壳壁上端到柱顶通过现浇普通混凝土实现其与RC桥墩的连接。

RC墩柱高1400mm，墩底至900mm高度处为柱身，其余部分为柱头，截面尺寸300mm×300mm，纵筋配筋为12根HRB335筋，直径为12mm，箍筋采用直径为2.5mm的铁丝，加密区间距为20mm，非加密区间距40mm，柱身混凝土为C20，fcu=22.26Mpa；柱头混凝土为 C40，fcu=46.79Mpa。墩柱底部为底座，底座界面尺寸为1000mm×1000mm，高250mm，采用直径为12mm的HRP335钢筋双层双向配筋，箍筋直径为6mm。

加固墩柱、分段SFC壳壁的截面尺寸及配筋情况见文献6。其中钢纤维混凝土（SFC）轴心抗压强度为67.74Mpa，弹性模量E=40413N/mm2。无粘结筋选用直径为10mm的HRP335钢筋。加固墩柱配筋参数见表1。

表1 加固墩柱配筋参数

2 材料本构

2.1 RC墩柱混凝土本构模型

本研究分析中，RC墩柱混凝土选用PQ-Fiber[7]中的Concrete01模型。Concrete01模型没有考虑混凝土受拉力学性能。受压骨架曲线采用的是修正的Kent-Park模型。

2.2 钢筋本构模型

本文中除无粘结筋外的钢筋选用PQ-Fiber中的USteel02模型，是按Clough本构退化的随动硬化单轴本构模型。

无粘结筋单轴本构采用理想弹塑性模型：

式中：fy-钢筋的屈服强度；εy-钢筋的屈服应变；Es-钢筋的弹性模量。

2.3 钢纤维混凝土本构模型

壳壁采用钢纤维混凝土浇筑而成，由于壳壁分段，壳壁只受压不受拉，因此忽略钢纤维混凝土的受拉本构，钢纤维混凝土受压本构选取用文献[8]中的表达式：

αSFC-钢纤维混凝土单轴受压应力应变曲线下降段；fSFC-钢纤维混凝土抗压强度；εSFC-钢纤维混凝土抗压强度对应的应变；dSFC-钢纤维混凝土单轴受压损伤演化参数；ESFC-钢纤维混凝土弹性模型，已由试验测得。

3 加固墩柱的ABAQUS数值模拟

3.1 单元选择

ABAQUS有丰富的单元，常用的有实体单元（solid）、壳单元（shell）、梁单元（beam）和桁架单元（truss）。单元的选择对模拟计算的精度和效率有很重要的影响。为更加准确模拟结构的实际受力状况，选择合理的单元类型是必要的。

RC墩柱的建模采用基于材料的纤维单元进行建模。在不同的单元族中，实体（连续体）单元能够模拟的构件种类最多。本文SFC壳壁单元选用C3D8R。

文献[9]给出在ABAQUS中建立无粘结筋的方法：无粘结筋采用桁架单元，与梁单元的端部节点用ABAQUS内在约束MPC连接，该约束使得梁单元和桁架单元的端部节点具有相同的位移和曲率，由此模拟无粘结筋与混凝土之间变形协调。但本文中无粘结筋的长径比为40，与分段SFC壳壁之间存在缝隙，在水平位移较大时，无粘结筋会发生屈曲，上述方法难以适用于本文。

ABAQUS Connector提供了三种塑性行为：①linear elastic-plastic；②rigid plastic；③nonlinear elastic-plastic。本文选择ABAQUS中的连接器（Connector）模拟无粘结筋。选用塑性行为①，在“elasticbehavior”和“plasticbehavior”中通过指定杨氏模量和屈服力完成金属塑性的定义。

Connector中输入的参数为力-位移关系，将公式（1）中的本构关系按公式（8）进行转化：

式中：σs按照公式（1）取值；L-无粘结筋长度；ΔL-连接单元的相对变形；F-连接单元相对变形产生的力；A-无粘结筋的横截面积。

3.2 接触问题模拟

由于SFC壳壁是分段的，而两壳壁之间可能发生开合，这将引起接触位置、压力分布及摩擦力的变化，即接触状态在整个分析过程中处于动态变化。因此加固墩柱的数值模拟中设计复杂的接触非线性问题，需要根据具体问题的特性建立合理的模型，提高数值模拟的准确性。

ABAQUS中有基于表面（Surface）的接触算法和基于接触单元（Contact Element）的算法。基于表面的接触算法在定义接触面的接触属性时必须定义法向和切向行为。法向行为指接触面间隙大小变化及间隙值等于零时所传递的接触压力，切向行为描述两表面的相对滑动和摩擦力。

本文定义法向行为为“硬接触”，即两接触面闭合时可以传递压应力，但分离后不能传递拉应力。定义切向行为“罚摩擦”，取混凝土之间摩擦系数0.5，且不另外设置接触面剪应力限值。

3.3 其余设置

RC墩柱采用梁单元建模，钢筋采用reber内置到梁单元中；无粘结筋采用connector，与RC墩柱端部节点用MPC连接，该约束使得RC墩柱和connector端部节点具有相同的位移和曲率，由此模拟无粘结筋与混凝土之间变形协调。

3.4 模拟结果与试验对比分析

由模拟结果得到加固墩柱顶端荷载-位移曲线与试验结果对比见图1。

图1 骨架曲线对比

由图1可知，与试验墩柱相比，0～8mm时模拟工况荷载与试验工况荷载相差较大，分别相差60.42kN、40.55kN。在8mm工况后，模拟工况荷载与试验工况荷载拟合较好，平均误差为-10.99%。

图2 刚度变化

试件刚度退化是由试件裂缝的出现与开展、钢筋屈服、混凝土材料塑性损坏等因素造成的，反映了构件在反复荷载作用下的累计损伤，是结构动力特性分析的重要指标之一，见计算公式（10）。

图3 等效刚度

从图2可知，在4～12mm工况，相较于试验墩柱，模拟墩柱的抗弯刚度大，在 4mm、8mm、12mm工况下误差分别为-61.47%、-30.85%、-2.44%，在12mm工况后，模拟得到的墩柱抗弯刚度小于试验，平均相差11.76%。造成模拟墩柱初始抗弯刚度较试验墩柱的大，随着工况增加模拟墩柱抗弯刚度较试验墩柱的小的原因可能是：①模拟墩柱的材料为理想材料，而试验中材料存在一定的缺陷。②试验中墩底并未完全固结。

综合上述情况，模拟结果与试验结果吻合良好，有限元模型建立合理。