双柱式拼装桥墩抗震性能研究

双柱式拼装桥墩抗震性能研究

张国良

（重庆交通大学，土木工程学院，重庆 400074）

摘要：为了解决桥梁建设中的客观问题，预应力混凝土拼装技术在桥梁施工中得到运用与发展。本文以预制拼装双柱式桥墩为研究对象，采用ABAQUS有限元模拟软件对其抗震性能指标进行分析。结果表明：该类桥墩的滞回曲线圆润、饱满，具有良好的耗能能力，骨架曲线峰值连续，具有一定的刚度，可为地震高发区的桥梁抗震设计提供参考。

关键词：预制拼装；双柱式桥墩；抗震性能；有限元模拟；

Research on The Seismic Performance of Double-column Assembled Bridge Piers

Zhang Guoliang

(School of Civil Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China)

Abstract: In order to solve the objective problems in bridge construction, prestressed concrete collocation technology is used and developed in bridge construction. This paper takes precast assembled double-column piers as the research object and uses ABAQUS finite element simulation software to analyze their seismic performance indicators. The results show that the hysteresis curves of these piers are rounded and full, with good energy dissipation capacity, continuous peak skeleton curves and certain stiffness, which can provide reference for the seismic design of bridges in areas with high seismicity.

Keywords:Prefabricated assemblies; Double-column piers; Seismic performance; Finite element simulation;

0引言：随着近些年我国加快城市建设的步伐，不断地更新城市交通网络，桥梁作为交通网的重要枢纽，对其提出的要求也在不断提高[1]。预制拼装施工技术具有施工周期短、环境污染小、建设成本低、工程质量有保障等优点被广泛应用于桥梁上部结构[2]，而实现桥梁下部结构的装配化施工是现如今需要研究和推广的。目前国内对于桥梁下部结构预制拼装技术的工程应用主要集中在一些低烈度震区，在中、高烈度震区的应用还比相对较少，而我国作为一个地震频发的国家，在震区建设预制拼装桥墩需要桥墩具有很高的延性耗能和抗损伤能力[3]。

1 预制拼装双柱式桥墩体系

关于预制拼装桥墩的研究，国内外学者主要集中于单柱式桥墩的抗震分析，对双柱式桥墩采用预制拼装连接的受力性能研究还较为薄弱。而在对环保施工和快速施工要求更高的城市桥梁中，其桥墩结构形式多采用的是双柱式桥墩。本章主要对预制拼装双柱式桥墩的物理模型进行设计，包括了：盖梁、桥墩节段和承台的尺寸设计，拼接段细部构造设计及各部件的配筋情况。

预制拼装双柱式桥墩各构件之间采用榫卯剪力键和预应力钢筋混合连接的方式，墩柱共有三个节段。为充分考虑全桥各部分间机械结合面的抗剪强度，可通过调整墩柱节段的构造，对其榫卯结构的剪力键进行不同层面的设计，从而降低机械结合面间的相对滑动。在实际应用中，必须将榫头尺寸设置的略低于榫眼尺寸，同时钢筋的布置还应符合《混凝土结构通用规范》的要求，以便保证双柱式桥墩的整体稳定性。

盖梁、桥墩和承台内部预埋聚氯乙烯管材，待穿入预应力筋后，可通过盖梁顶部和承台底部的张拉槽进行非粘结预应力张拉。此外，在盖梁和各节段墩柱底部设有钢套筒，支承台和各节段顶部留有外伸的主筋。安装时，将主筋插入钢套筒内定位，精确调整标高及垂直度，通过套筒内灌浆完成各构件拼装。

2 数值模拟

本结基于ABAQUS有限元分析软件建立双柱式拼装桥墩的三维实体模型[4]，混凝土本构模型采用线弹性模型和塑性损伤模型相结合，线弹性模型主要模拟混凝土弹性阶段受力过程，塑性损伤模型用于模拟混凝土塑性受力过程。塑性损伤模型包含了力学原理和有限元计算原理，研究了混凝土材料本构关系的发展规律。通过在桥墩上进行荷载循环往复的拟静力试验，利用塑性损伤模型模拟出了桥墩混凝土结构的材料本构关系。对于钢筋的本构模型是将线弹性模型与双折线弹塑性模型相结合来模拟钢筋的受力性能。在模拟中通常使用二段式的钢筋模型来进行计算，第一段用来表示钢筋的弹性，其坡度是用混凝土的弹性模数计算得到；第二段用来表示钢筋的塑性阶段，斜率约为百分之一的弹性模量。这种考虑了钢材硬化过程的双折线本构模型，适用于有明显流幅钢筋的模拟。

3 抗震性能分析

根据ABAQUS有限元模拟所得试件水平力—位移滞回曲线，可反映结构在反复受力过程中的变形特征、刚度退化及能量消耗，是确定恢复力模型和进行非线性地震反应分析的依据。根据滞回曲线上同向（拉或压）各次加载的荷载极值点依次相连得到的骨架曲线，可反映构件受力与变形的各个不同阶段及特性（强度、刚度、延性、耗能及抗倒塌能力等），也是确定恢复力模型中特征点的重要依据。

结语

为早日实现预制拼装桥墩在高烈度震区的推广应用，本文通过有限元模拟的方法探究该连接体系的耗能能力，发现该连接方式的双柱式桥墩抗震性能可以实现“等同现浇”的效果。

参考文献:

[1]Yamashita R, Sanders D H. Seismic performance of precast unbonded prestressed concrete columns[J]. ACI structural journal. 2009, 106(6): 821.

[2]AL-ROUSAN R. Behavior of prefabricated full-depth precast concrete bridge deck panel system: Optimum prestress level[J]. Procedia Manufacturing, 2020, 44: 607-614.

[3]贾俊峰, 赵建瑜, 张强, 等. 后张预应力节段拼装 CFST 桥墩抗侧力学行为试验[J]. 中国公路学报, 2017, 30(3): 236-245.

[4]孙玉顺. 预制拼装钢管混凝土双柱墩的抗震性能研究[D]. 中国矿业大学, 2018.