带孔钢板连接装配式桥墩拟静力数值分析

朱开贺

(中铁二十四局集团安徽工程有限公司，安徽 合肥 230011)

全预制装配式桥梁采用工厂预制构件，运输至现场进行连接的施工形式。与传统现钢筋混凝土桥梁的现场支模浇筑相比，全预制装配式桥梁有着施工快捷、无需中断交通、建造过程绿色环保等显著优点。随着城市建设绿色低碳化转型升级，全预制装配式桥梁结构形式在交通复杂的城市交通建设中得到越来越多的应用[1-2]。

进行全预制装配式桥梁设计和施工时，需确保预制构件之间的连接处可靠性以满足结构抗震要求[3-4]。为此，常采用数值仿真和室内试验进行现浇桥墩和装配式桥墩的拟静力对比试验，基于滞回曲线、刚度曲线等力学参数具体分析结构的抗震性能[5-6]。灌浆波纹管连接是一种常见预制构件连接方式，在混凝土构件中预埋波纹管，连接钢筋安置在波纹管内，向管内注入高强灌浆料以达到钢筋锚固的目的[7-8]。亦有许多学者借助拟静力数值和试验手段进行灌浆波纹管连接强度与抗震性能研究，表明灌浆波纹管能够满足桥梁结构的抗震要求[9-10]。在施工过程中，波纹管或钢筋的位置容易发生偏移进而影响钢筋的搭接，甚至导致钢筋无法按图纸要求插入预留孔洞中，影响结构的实际强度。

为此，提出在墩柱底部和承台之间设置带孔钢板，以确保灌浆波纹管以及纵向钢筋的连接可靠性。本文利用ABAQUS软件进行现浇桥墩、采用带孔钢板定位的装配式桥墩两种结构形式的有限元建模，进行拟静力数值模拟，采用不同大小的轴压比，对比滞回曲线、最大承载力和刚度退化曲线等受力性能指标，分析带孔钢板连接形式是否会明显改变桥墩的抗震性能。研究分析结果为全预制装配式桥梁的构件设计和施工提供一定借鉴。

1 工程概况

1.1 试件概况

现浇桥墩和带孔钢板连接装配式桥墩采用相同的外部几何尺寸，如图1所示，正方形截面墩柱的边长为400 mm，柱高为1 750 mm，墩柱和承台的混凝土材料强度均依据C40混凝土确定。墩柱和承台中钢筋型号是HRB400，墩柱纵筋直径为18 mm，承台纵筋直径为25 mm，箍筋直径为8 mm，金属波纹管直径55 mm。墩柱底部和承台顶部的钢板厚度均为10 mm，孔洞圆心位置与钢筋对应。

1.2 加载方式

在墩柱顶部截面中心处设置参考点，加不同大小的竖向压力，对应不同的轴压比工况。为模拟地震作用下结构所受的往复作用，采用位移控制的水平往复加载方式，初步设置的水平位移加载幅值为2、4、8、12、16、24、32、44、56、68 mm，每个位移幅值循环3次。

图1 带孔钢板连接装配式混凝土桥墩尺寸图Fig.1 Dimension drawing of fabricated concrete pier connected with perforated steel plate

2 数值模型建立

2.1 材料本构参数确定

利用ABAQUS软件，需要确定混凝土、钢筋、钢板和灌浆料的材料参数。

混凝土的单轴拉、压应力与应变的关系，依据GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》确定[11]。其中混凝土单轴受压的应力-应变曲线由式(1)、式(2)推算得出：

σ=(1-dc)Ecε

(1)

(2)

式中：σ为混凝土单轴受压的应力，MPa；ε为混凝土单轴受压的应变；Ec为混凝土的弹性模量，MPa；dc为混凝土单轴受压损伤演化参数；αc为受压曲线下降段的参数值，具体数值可按规范得出；ρc=fc,r/Ecεc,r(fc,r为混凝土单轴抗压强度,MPa；εc,r为与fc,r对应的混凝土峰值拉应变)；n=Ecεc,r/(Ecεc,r-fc,r)；x=ε/εc,r。

考虑拟静力仿真对后续室内拟静力试验的指导作用，ABAQUS材料弹塑性参数依据相应混凝土强度标准值进行输入。带孔钢板连接装配式桥墩的墩柱与承台之间的接触面，按照C60强度的混凝土确定灌浆料参数。

采用方自虎提出的钢筋应力应变关系滞回模型，通过定义钢筋的循环路径来改变钢筋的滞回耗能性能，依此近似考虑钢筋混凝土之间的粘结滑移效应[12-13]。

2.2 网格划分及边界条件确定

混凝土和钢板采用八节点线性减缩积分单元C3D8R，钢筋采用三维两节点桁架单元T3D2，混凝土网格尺寸为50 mm。图2给出了现浇和带孔钢板连接两种结构形式的有限元模型。图3给出了带孔钢板与灌浆波纹管的定位细节图。

a 现浇形式 b 带孔钢板连接图2 两种构件形式的有限元模型Fig.2 Finite element models of two types of components

图3 带孔钢板与灌浆波纹管细节图Fig.3 Detail drawing of perforated steel plate and grouting bellows

在初始步，于承台底部和锚固处设置3个方向的平动约束，在柱顶中心参考点处设置平面外平动约束。在分析步的第一步，施加不同情形的轴压力。在分析步的第二步，施加制定好的水平往复位移。

2.3 拟静力数值分析

2.3.1 滞回曲线

图4和图5给出不同轴压比工况下，现浇形式与带孔钢板连接形式桥墩的滞回曲线。对比两种结构形式的滞回曲线，均有着较为明显的上升阶段和下降阶段，上升阶段随着变形增大，混凝土与钢筋共同受力，承载力逐渐提高，下降阶段混凝土损伤较大，变为钢筋主要受力，承载力到达峰值后开始减小。随着水平位移、轴压比的增大，滞回环逐渐变得饱满。承载力和曲线形状的相似，说明带孔钢板连接形式的装配式桥墩有着和现浇桥墩相类似的承载能力和耗能能力。

图4 不同轴压比工况现浇桥墩滞回曲线Fig.4 Hysteretic curve of cast-in-situ pier under different axial compression ratios

图5 不同轴压比工况带孔钢板连接桥墩滞回曲线Fig.5 Hysteresis curves of bridge piers connected with perforated steel plates under different coaxial pressure ratios

2.3.2 骨架曲线

图6和图7给出了不同轴压比工况下，现浇形式与带孔钢板连接形式桥墩的骨架曲线。对比两种结构形式的骨架曲线，发现二者均有明显的上升阶段和下降阶段。轴压比为0.1时，两种结构形式的最大承载力较小，曲线随位移增大下降较慢；轴压比加大到0.25、0.4时，曲线随位移增大下降较快，这是因为结构接近破坏时，混凝土对钢筋的约束固定作用减小。此外，随着轴压比的增大，两种结构形式的最大承载力均会随之上升，最大承载力的数值在表1中给出。观察最大承载力数值，发现轴压力为0.1时，两种结构形式的最大承载力差异最大，这是因为在ABAQUS中，墩柱与承台之间采用了接触设置，即受拉分开，所以轴压比的影响较大。随着轴压比的增大，带孔钢板连接结构形式的最大承载力逐渐赶上甚至反超了现浇结构形式的最大承载力，这是因为随着墩柱底部的混凝土破坏，带孔钢板会一定程度增强柱底强度。

图6 不同轴压比工况现浇桥墩骨架曲线Fig.6 Skeleton curve of cast-in-situ pier under different axial compression ratios

图7 不同轴压比工况带孔钢板连接桥墩骨架曲线Fig.7 Skeleton curve of pier connected with perforated steel plate under different axial compression ratios

表1 不同轴压比工况最大承载力Table 1 Maximum bearing capacity under different axial compression ratios kN

2.3.3 刚度退化

考虑3种轴压比工况，研究现浇形式与带孔钢板连接形式桥墩的刚度退化趋势，对比分析不同水平位移下的结构刚度数值大小。桥墩结构的刚度可以用割线刚度来表示，割线刚度的定义如式(3)所示：

(3)

式中：Ki表示第i次位移循环桥墩结构的割线刚度,kN/mm；+Fi和-Fi分别表示第i次位移循环正、负峰值点的水平力,kN；+Xi和-Xi分别表示第i次位移循环正、负峰值点的水平位移,mm。

表2和表3给出了不同轴压比工况下，现浇形式与带孔钢板连接形式桥墩的刚度。表中割线刚度对应的水平位移循环级别为2 mm、8 mm、16 mm、32 mm和56 mm。对比两种结构形式的刚度随着水平位移的增大，两种结构刚度都有逐渐变小的趋势，因为结构进入弹塑性阶段即发生了损伤，结构的强度会减小。此外，当水平位移为2 mm时，两种结构形式的刚度差异较大。这与骨架曲线中承载能力差异大的现象一致，是因为墩柱与承台之间采用了接触设置，即受拉分开，所以受轴压比、水平位移的影响较大。实际情形中装配式桥墩的刚度会比数值模拟的结果要大一些。随着轴压比、水平位移的增大，带孔钢板连接桥墩的刚度逐渐和现浇桥墩的刚度趋于一致。

表2 不同轴压比工况现浇桥墩刚度大小Table 2 Rigidity of cast-in-place piers under different axial compression ratios kN/mm

表3 不同轴压比工况带孔钢板连接桥墩刚度大小Table 3 Rigidity of pier connected with perforated steel plate under different axial compression ratios kN/mm

3 结论

为研究带孔钢板连接的装配式桥墩的抗震性能，利用仿真软件进行拟静力数值分析，对比分析不同轴压比工况下结构的抗震性能参数，具体结论如下：

(1)带孔钢板定位的装配式桥墩有着和现浇桥墩相似的滞回曲线形状和各级承载峰值，二者的抗震耗能性能相近。

(2)受轴压比影响，墩柱最大承载能力随轴压比增大而增大，承载能力曲线下降段也随轴压比增大而变陡。

(3)轴压比大于0.25时，带孔钢板定位的装配式桥墩的最大承载力会逐渐超过现浇桥墩，带孔钢板对墩柱的抗震性能有一定增强作用。