采用榫卯剪力键的预应力装配式双柱桥墩拟静力分析
包龙生1,王贺鑫1,汤维维2，张远宝1,于 玲1
【摘 要】摘 要 目的 探究地震的作用下预应力钢筋混凝土装配式双柱桥墩的力学性能及影响因素,分析钢筋混凝土双柱式桥墩的节点破坏机理.方法 基于ABAQUS有限元软件进行装配式双柱桥墩结构的非线性数值模拟,分别依托实际工程设计整体现浇模型和采用剪力键的装配式双柱桥墩模型,研究结构在低周往复位移荷载作用下的抗震性能和桥墩节点处的破坏形式.结果 预应力双柱墩与现浇模型破坏接近,破坏的损伤均集中在桥墩塑性铰处,现浇墩极限荷载为212.9 kN,预应力双柱墩极限荷载为245.1 kN,但预应力钢筋在混凝土达到屈服后,拥有较好的自复位性能,减小残余位移;榫卯剪力键较好地阻止了在荷载作用下的剪切滑移,使桥墩在受力方面存在冗余度和足够的抗侧刚度.结论 榫卯剪力键可以提高装配式双柱桥墩的承载能力和整体性能,对装配式双柱桥墩的工程应用提供参考.
【期刊名称】沈阳建筑大学学报（自然科学版） 【年(卷),期】2018(034)004 【总页数】11
【关键词】关键词 抗震性能;双柱式桥墩;拟静力方法;预应力节段拼装;剪力键;参数分析
基金项目：国家自然科学基金项目(51078242)；辽宁省自然科学基金项目(201602602)；住房和城乡建设部科学技术项目(2016-K2-012)；沈阳市科学技术基金项目(F16-095-1-00)
预制装配式桥梁现已成为加快生态文明建设、推动新型工业化发展、建成绿色
城市的重要技术,装配整体式预应力混凝土结构具有预制标准化、施工高效、模数化、现场湿作业少等优点[1-4].加大预制装配式桥梁发展推进力度,对推动城市基础设施施工方式变革、减少污染物和废弃物排放、提高劳动生产率、建筑行业工业化的可持续发展具有重大意义.
目前国外有关学者在抗震性能方面对装配式桥梁结构进行大量相关研究,国内方面对整体装配式桥梁结构研究较少,尤其是下部结构局限于单柱式桥墩.新西兰Canterbury大学的Palermo和Pampanin[5-6]制作5个1∶ 3缩尺试件进行低周反复荷载试验,在塑性铰区域设置耗能钢筋验证桥墩自复位性能以及设计施工的可行性;刘少乾等[7]研究钢纤维自密实材料制作的混凝土桥墩对抗震性能的影响,通过建立模型数值模拟为计算提供理论依据;黄宜等[8]对装配式单柱墩进行拟静力试验,制作4组桥墩试件研究了不同连接形式的单柱式桥墩各项抗震性能指标.在国内的桥梁施工建设中,整体装配式结构已广泛应用在桥梁上部结构的建造中,而整体装配式桥墩的实际应用就相对有限.限制推广的主要原因之一就是对预应力节段装配式桥墩的节点及整体抗震性能缺乏较为系统的研究,在对装配式桥梁抗震设计时无规范可循[9-12].基于此,笔者以沈阳市中央大街跨浑河特大桥工程为背景,设计采用榫卯剪力键装配式预应力双柱桥墩,建立ABAQUS有限元模型,通过理论分析桥墩在低周往复加载下的破坏形式以及在软件模拟过程中榫卯剪力键部位的受力特点,为预应力装配式双柱桥墩抗震性能试验做前期理论研究.
1 装配式桥墩模型
1.1 桥墩抗震试验方案
桥墩的抗震性能试验采用拟静力试验方法[13-14],是目前国内外在结构或构件
抗震性能研究中使用较为广泛的研究方法.加载装置如图1所示.
拟静力采用荷载控制或位移控制对桥墩模型进行规律性的往复加载,使桥墩模型从弹性阶段直至破坏.采用拟静力加载试验可以最大限度地利用试验构件提供各种抗震分析所需的参数,例如:滞回曲线、承载能力、变形能力、极限位移、累积耗能和损伤特征等.笔者进行装配式桥墩拟静力试验的目的是对桥墩在反复荷载作用下的性能进行深入地研究,从而揭发桥墩的破坏机制,把握桥墩的抗震性能. 1.2 桥墩模型设计制作
笔者设计模型以沈阳市中央大街跨浑河桥工程项目为依托,桥墩试件按照实际桥墩尺寸的1/4缩尺比设计、制作了5类装配式双柱墩模型,分别为整体现浇桥墩试件,节点处采用钢套筒连接形式的装配式桥墩试件,采用金属波纹管连接形式的装配式桥墩试件,单节段预应力连接的装配式桥墩试件,多节段预应力连接的装配式桥墩试件.笔者仅研究优化的多节段预应力连接装配式桥墩试件与整体现浇双柱桥墩研究,模型相似比参数如表1所示.
整体现浇桥墩试件其构造与配筋如图2所示,其详细设计参数如下:
①墩身配有8根直径为18 mm的纵筋,钢筋在墩底以及盖梁和桥墩连接处箍筋加密;
②盖梁采用C50混凝土,墩身采用C40混凝土,承台采用C30混凝土,普通钢筋采用HRB400级钢筋.
在地震设计[15-16]状况下,装配式桥墩受压时底部水平接缝的剪力包括构件摩擦抗剪和钢筋销栓抗剪.预应力装配式节段桥墩的设计考虑到桥墩水平接缝的受剪承载力,通过改变桥墩节段构造,在几何形式上设计榫卯结构的剪力键以减弱接缝间的相对滑动.
采用榫卯剪力键的预应力装配式双柱桥墩拟静力分析
