预应力节段拼装桥墩抗震性能实体有限元模拟

金郑禄

（新疆维吾尔自治区交通规划勘察设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830006）

引言

桥梁作为抢险救灾的生命线，在抗震防灾体系中越来越重要，桥墩更是桥梁抗震设计的关键部件。预制拼装桥墩由于抗震性能尚不明晰，在我国诸多地区的推广受到限制，因此，其抗震性能研究逐渐在国内成为热点话题[1-2]。

实体有限元法相较于简化分析法、梁柱单元有限元法等宏观模型，不仅能够计算预应力节段拼装桥墩荷载-位移关系曲线，还能反应结构的微观变形，描述混凝土裂缝形成、扩展，及接缝张合[3-6]。ABAQUS分析软件在解决土木工程、机械工程等领域的复杂非线性问题具有突出优势，拥有丰富的单元库与材料库。

1 试件设计

拟静力试验试件C-PT1 采用构造相同的混凝土节段拼装而成。各节段自下而上分为S-1、S-2、S-3 和S-4 共4 个空心节段；盖梁与承台中心设预应力孔道，采用无黏结预应力将各节段串联后压接成为整体；为防止发生节间错动，在接缝处设置剪力榫装置。

各节段采用相同的矩形空心构造，混凝土等级C40，外部尺寸l×b×h=450 mm×450 mm×450 mm，空心薄壁厚t=110 mm，方孔l×b×h=230 mm×230 mm×450 mm；盖梁尺寸l×b×h=1 400 mm×500 mm×400 mm，承台l×b×h=1 400 mm×1 400 mm×450 mm，中心处分别开直径φ=45 mm 圆孔，用于穿过预应力钢束。墩柱的有效高度h=2 000 mm，剪跨比4.4。预应力束由7 根钢绞线组成，采用无黏结预应力技术从节段空心处穿过，两端分别锚固于盖梁与承台顶底。

2 模型建立

依据预应力节段拼装空心桥墩试件的设计尺寸，建立三维实体有限元模型，见图1，按照拟静力加载工况展开仿真分析。

图1 三维实体有限元模型

2.1 设四类相互作用

（1）各节段间、底节段与承台接触面间建立“表面与表面接触”，实现接缝模拟。（2）普通钢筋笼“嵌入”约束于混凝土节段中，忽略可能发生的相对滑移。（3）预应力钢筋“嵌入”约束于盖梁、承台中，用于模拟两端锚固效果。（4）在盖梁加载面形心处建立参考点，并与加载面建立位移“耦合”约束，用于施加侧向往复荷载；盖梁底部与桥墩顶部间建立“绑定”约束，忽略相对滑移。

2.2 设立三类边界条件

（1）承台底部采用完全固定约束（约束平动、转动自由度）；（2）根据加载工况，在盖梁位移“耦合”参考点处施加往复荷载；（3）盖梁顶部施加均布荷载模拟上部恒载效应。预应力荷载通过定义温度场施加。

预应力节段拼装桥墩三维有限元模型中，混凝土采用C3D8R 单元，纵筋、箍筋以及预应力钢筋均采用T3D2 单元。材料特性要求选取，其中盖梁与承台不作为研究重点，混凝土按弹性材料考虑。

3 模型验证

采用模型开展往复加载分析，计算得到滞回曲线与拟静力试验结果（C-PT1试件）进行对比，见图2。

图2 滞回曲线模拟与试验结果对比

试验曲线的峰值承载力、加载刚度、卸载刚度、残余位移等均得到了较好地模拟，但无法反应曲线非对称的特点（由于加载次序、施工工艺等引起），负向加载强化段曲线偏高。模型的计算结果与试验结果吻合良好，初步验证了模型在材料本构、接触方式、预应力模拟方式以及边界条件等方面选取的合理性。

4 受力变形状态分析

开展拟静力试验了解预应力节段拼装桥墩抗震性能时，研究人员通常在表观现象记录与试验数据采集的基础上进行研究分析。受监测设备等因素限制，数据采集过程需要根据经验在具有代表性的部位布置测点，不能全面掌握试件在加载过程中的受力与变形状态，而建立可靠的实体有限元模型能够成为良好的补充，为抗震性能研究提供指导。

4.1 位移状态分析

利用模型开展拟静力加载分析，当往复加载工况达到10%时，桥墩的整体位移分布见图3。图3(a)为非加载方向（X 轴方向）桥墩的侧向位移，变形集中于墩底附近区域，并呈外鼓状；图3(b)为桥墩的竖（Y 轴方向）向位移分布，各点处竖向位移由所在截面的轴向拉压变形与弯曲变形共同决定。总体而言，在桥墩弯曲变形的受压侧为负值，受拉侧为正值。建立的预应力节段拼装桥墩三维实体模型在进行往复加载分析时，模型的位移状态与实际状况基本相符，并能够实现对各位移分量的独立考察；加载过程中，接缝张角仅发生于墩底与承台连接处，与拟静力试验现象一致。

图3 位移分布

4.2 应力、应变状态分析

墩身混凝土及钢筋骨架的Mises 应力分布情况见图4。

图4 Mises 应力分布

由图4 可以看出，普通钢筋、混凝土塑性应变集中分布于墩底区域，与拟静力试验过程中试件的损伤分布一致。混凝土最大Mises 应力分布于墩底截面受压区，底部两节段接缝边角位置也存在集中分布区；墩底节段钢筋笼约有1/2 部分进入屈服强度。综上所述，预应力节段拼装桥墩的塑性损伤主要集中发生于墩底接缝区附近，上部各节段基本保持弹性状态，与拟静力试验现象相符合。

5 结语

应用ABAQUS 有限元软件建立了三维实体模型展开仿真分析，考察预应力节段拼装桥墩在往复加载过程中的局部受力变形与位移状态，通过与拟静力试验结果对比验证模型的准确性；在此基础上，探究在往复荷载下桥墩的变形特点，以及应力、应变状态分布。主要结论：（1）由模型计算的滞回曲线与拟静力试验结果吻合良好，该模型能够作为预应力节段拼装桥墩抗震分析的有效手段。（2）往复荷载作用下，接缝张角、塑性损伤、位移变形等现象均得到良好反映；直观展示桥墩整体应力、应变、位移分布，为拟静力试验试件无测点区域的受力状态提供指导。