摘要：為了研究不同剪力鍵類型對(duì)預(yù)制拼裝橋墩力學(xué)性能的影響，通過(guò)有限元分析軟件ABAQUS以及相關(guān)數(shù)值模擬方法，分別建立無(wú)剪力鍵預(yù)制拼裝橋墩、混凝土剪力鍵預(yù)制拼裝橋墩以及鋼剪力鍵預(yù)制拼裝橋墩3種混凝土橋墩模型。對(duì)不同模型采用單調(diào)循環(huán)加載方式進(jìn)行擬靜力分析，研究結(jié)果表明：鋼剪力鍵的預(yù)制拼裝橋墩結(jié)構(gòu)的耗能性能以及滯回曲線飽滿程度，明顯優(yōu)于混凝土剪力鍵預(yù)制拼裝橋墩和無(wú)剪力鍵預(yù)制拼裝橋墩，但其結(jié)構(gòu)的自復(fù)位能力，介于無(wú)剪力鍵預(yù)制拼裝橋墩和混凝土剪力鍵預(yù)制拼裝橋墩之間。

關(guān)鍵詞：預(yù)制拼裝橋墩；剪力鍵；擬靜力分析；抗震性能

0 引言

傳統(tǒng)的橋墩通常采用現(xiàn)場(chǎng)澆筑混凝土的方式建造，但現(xiàn)場(chǎng)澆筑混凝土橋墩存在澆筑施工時(shí)間長(zhǎng)、對(duì)周?chē)h(huán)境影響大等諸多缺點(diǎn)[1]。近年來(lái)，節(jié)段預(yù)制橋墩開(kāi)始代替?zhèn)鹘y(tǒng)現(xiàn)澆混凝土橋墩，并成為一種常見(jiàn)的橋墩形式[2-3]。

所謂裝配式橋墩是把橋墩構(gòu)件分解為一段一段構(gòu)件，每個(gè)節(jié)段構(gòu)件相對(duì)于整個(gè)橋墩更為輕便。構(gòu)件在運(yùn)輸和吊裝過(guò)程中，對(duì)運(yùn)輸和吊裝的機(jī)械要求大大降低，橋墩的建設(shè)施工工期也得到相應(yīng)的縮短，對(duì)周邊環(huán)境的影響也更小[4-5]。同時(shí)，節(jié)段預(yù)制橋墩大多采用預(yù)應(yīng)力鋼筋來(lái)保持橋墩的整體性，預(yù)應(yīng)力的存在可以使橋墩的自復(fù)位能力顯著提高

如何在利用節(jié)段預(yù)制橋梁技術(shù)的施工周期短等一系列優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，保證橋梁抗震能力成為當(dāng)前研究的重點(diǎn)。本文通過(guò)有限元軟件建立數(shù)值模型，對(duì)不同剪力鍵類型的預(yù)制拼裝橋墩的抗震性能進(jìn)行分析，為預(yù)制拼裝橋墩在實(shí)際工程中的適用性提供參考。

1 預(yù)制拼裝橋墩有限元建模及其驗(yàn)證

1.1 有限元建模

采用有限元軟件ABAQUS對(duì)整體現(xiàn)澆橋墩試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬，模型混凝土采用三維實(shí)體減縮積分單元（C3D8R），來(lái)驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確程度。本文采用混凝土塑性損傷模型，模擬混凝土在單調(diào)循環(huán)作用下的非線性行為。

普通鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼筋選用TRUSS單元（T3D2），預(yù)應(yīng)力鋼筋錨固端和普通鋼筋均“嵌入”混凝土中。預(yù)制拼裝橋墩節(jié)段之間法向關(guān)系采用“硬接觸”，接觸面可以允許分離且不傳遞壓應(yīng)力。同時(shí)切向關(guān)系采用“罰摩擦”，并假定接觸面各向的摩擦系數(shù)一致，取0.4。試件承臺(tái)底部約束所有自由度，軸壓力加載方向?yàn)轭A(yù)制拼裝橋墩的墩頂參考點(diǎn)垂直向下加載，位移加載沿著垂直于軸壓力方向。

本文基于典型現(xiàn)澆混凝土橋墩試驗(yàn)建立數(shù)值模型[6]，模型中橋墩墩身為邊長(zhǎng)400mm的正方形，橋墩高度為1600mm。已知試驗(yàn)的加載高度為1400mm，試件軸壓比為11%。縱筋直徑為19.05mm，數(shù)量為12根。箍筋采用復(fù)合式箍筋，直徑為6.35mm，間隔為52mm?；炷烈?guī)格為C30。有限元模型具體如圖1所示。試驗(yàn)的加載為位移控制方式，且在加載過(guò)程中軸壓力保持不變。

1.2 分析驗(yàn)證

采用上述的建模方法和加載方式，將所得結(jié)果與試驗(yàn)所得的位移-荷載曲線進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)照情況見(jiàn)圖2。從圖2分析得出，數(shù)值模擬結(jié)果最大值為215.8173kN，試驗(yàn)所測(cè)得結(jié)果最大值為206.1403kN，差值百分比為4.68%。數(shù)值模擬的不足在于骨架曲線上升段的剛度，略大于試驗(yàn)曲線的剛度。分析認(rèn)為，可能是數(shù)值模擬混凝土的強(qiáng)度比較理想化。

總體來(lái)說(shuō)，本文采用的數(shù)值模擬方法和試驗(yàn)結(jié)果的差異是在可允許范圍之內(nèi)，說(shuō)明利用ABAQUS的這種建模方式，能夠比較準(zhǔn)確地模擬混凝土橋墩力學(xué)行為，為預(yù)制拼裝橋墩的后續(xù)研究奠定基礎(chǔ)。

2 不同剪力鍵的橋墩模型單調(diào)推覆分析

2.1 建立不同剪力鍵橋墩模型

本文設(shè)計(jì)了3種不同剪力鍵預(yù)制拼裝橋墩模型，分別為無(wú)剪力鍵預(yù)制拼裝橋墩（簡(jiǎn)稱DP）、混凝土剪力鍵預(yù)制拼裝橋墩（簡(jiǎn)稱CP）以及鋼剪力鍵預(yù)制拼裝橋墩（簡(jiǎn)稱SP）。墩頂?shù)妮S壓比取為0.1，預(yù)應(yīng)力大小取為0.1，試驗(yàn)推覆加載采用位移加載模式，具體位移加載曲線見(jiàn)圖3。建立3種相對(duì)應(yīng)的有限元模型進(jìn)行擬靜力試驗(yàn)，并提取各方面的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)比。

2.2 滯回曲線分析

3種不同模型的滯回曲線如圖4所示。從圖4可以看出，在單調(diào)往復(fù)位移加載初期，3種不同模型的橋墩荷載—位移曲線的斜率保持不變，混凝土還沒(méi)有進(jìn)入塑性狀態(tài)，加載剛度基本沒(méi)有變化，滯回環(huán)的面積趨于0。隨著加載位移的增加，構(gòu)件的中性軸偏離中心，橋墩接縫張開(kāi)，預(yù)應(yīng)力鋼筋進(jìn)入工作狀態(tài)，普通鋼筋進(jìn)入屈服狀態(tài)，接縫處混凝土被壓碎，橋墩荷載—位移曲線斜率開(kāi)始逐漸減小。

CP橋墩接縫間的構(gòu)造形式對(duì)混凝土形成套箍狀態(tài)，存在對(duì)混凝土的約束作用，其混凝土的損傷程度比DP橋墩的損傷程度顯著多一些。從滯回曲線的飽滿程度來(lái)看，SP橋墩的滯回曲線比CP橋墩的滯回曲線飽滿，CP橋墩滯回曲線飽滿程度大于DP滯回曲線。

2.3 骨架曲線分析

3種不同模型的橋墩骨架曲線如圖5所示。從圖5可以看出，SP橋墩的側(cè)向極限承載力最大，CP橋墩的側(cè)向承載力次之，DP橋墩的側(cè)向承載力最小。CP橋墩節(jié)段之間由于采用混凝土剪力鍵的形式，使其下節(jié)段的外側(cè)鋼筋混凝土對(duì)上節(jié)段的鋼筋混凝土形成約束作用，導(dǎo)致CP橋墩大于DP橋墩的側(cè)向承載力。

在加載的初期，3種橋墩呈現(xiàn)彈性狀態(tài)，橋墩依靠本身的重量來(lái)保持和平衡加載的位移，橋墩的側(cè)向承載力提升比較快。隨著單調(diào)往復(fù)加載位移增加，橋墩節(jié)段間的接縫開(kāi)始張開(kāi)，預(yù)應(yīng)力鋼筋和墩底的耗能部件開(kāi)始工作，橋墩的側(cè)向承載力有相應(yīng)的提升。隨著加載位移的進(jìn)一步加大，橋墩結(jié)構(gòu)的屈服部分也進(jìn)一步加大，橋墩的側(cè)向承載力開(kāi)始出現(xiàn)相應(yīng)下降。

2.4 滯回耗能曲線分析

3種不同模型的橋墩滯回耗能曲線如圖6所示。從圖6可以看出，在加載初期，3種橋墩始終處于彈性范圍內(nèi)，橋墩的耗能很小。隨著加載位移的增加，橋墩間接縫開(kāi)始張合，DP橋墩的剪力鍵混凝土開(kāi)始出現(xiàn)破壞現(xiàn)象，使得DP橋墩的小于CP橋墩的滯回耗能。

2.5 殘余位移分析

3種不同模型的橋墩殘余位移曲線如圖7所示。從圖7可以看出，DP、CP和SP橋墩加載位移為72mm時(shí)，即使橋墩部分混凝土出現(xiàn)壓碎情況，由于橋墩存在預(yù)應(yīng)力鋼筋，橋墩的殘余位移基本上在0mm左右。

分析認(rèn)為，CP和SP橋墩在位移加載超過(guò)72mm時(shí)，鋼筋進(jìn)入塑性狀態(tài)和混凝土的壓碎造成自我恢復(fù)能力減弱，SP橋墩墩身底部為鋼剪力鍵，提高了橋墩的自復(fù)位性能，SP橋墩較于CP橋墩的殘余位移小，自復(fù)位性能比較好。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文基于橋墩試驗(yàn)結(jié)果對(duì)ABAQUS數(shù)值模擬方法準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)無(wú)剪力鍵橋墩（DP）、混凝土剪力鍵節(jié)段橋墩（CP）和鋼剪力鍵節(jié)段橋墩（SP）3種橋墩進(jìn)行了擬靜力數(shù)值模擬，并從不同指標(biāo)進(jìn)行抗震性能的評(píng)判如下：

鋼剪力鍵節(jié)段橋墩（SP）的滯回曲線較于無(wú)剪力鍵橋墩（DP）、混凝土剪力鍵節(jié)段橋墩（CP）的滯回曲線更飽滿，說(shuō)明鋼剪力鍵節(jié)段橋墩（SP）的耗能能力最優(yōu)。從混凝土的損傷程度上來(lái)看，無(wú)剪力鍵橋墩（DP）接縫間存在混凝土的約束作用，混凝土的損傷程度比無(wú)剪力鍵橋墩（DP）的損傷程度比較多，鋼剪力鍵節(jié)段橋墩（SP）介于兩者之間。

無(wú)剪力鍵橋墩（DP）的殘余位移基本為零，混凝土剪力鍵節(jié)段橋墩（CP）由于塑性鉸區(qū)混凝土的壓碎和鋼筋的屈服，混凝土退出工作，使結(jié)構(gòu)的殘余位移加大，自復(fù)位性能變差。鋼剪力鍵節(jié)段橋墩（SP）較于混凝土剪力鍵節(jié)段橋墩（CP）的殘余位移稍小，自復(fù)位性能比較好，耗能能力最優(yōu)，是一種值得推廣的預(yù)制拼裝橋墩新形式。

參考文獻(xiàn)

[1] 章定文，曾彪，劉涉川，等.考慮膠結(jié)損傷的水泥土攪拌樁加固路堤破壞特征[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2023，36（10）：131-141.

[2] 陳政.基于水泥攪拌樁的軟土地基加固技術(shù)分析[J].重慶建筑，2023，22（10）：41-44.

[3] 馮永軍.水泥攪拌樁在蓮溝閘地基加固處理中的質(zhì)量控制[J].治淮，2023（10）：47-48+51.

[4] 董光輝.三軸攪拌樁加固作用下地下連續(xù)墻槽壁穩(wěn)定性探討[J].建設(shè)監(jiān)理，2023（7）：73-77.

[5] 賴義良.市政道路建設(shè)工程中水泥土攪拌樁加固地基施工技術(shù)[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2023（16）：117-120.

[6] 楊立，谷亞陸，汪明，等.某高速公路水泥攪拌樁加固軟基沉降分析[J].蘭州工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2023，30（3）：58-62.

[7] 朱兆榮，周垣，吳紅剛，等.水泥攪拌樁加固風(fēng)積沙地基液化模型試驗(yàn)研究[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2023，40（5）：25-31.