基于ABAQUS的钢筋混凝土桥墩受力性能研究

基于ABAQUS的钢筋混凝土桥墩受力性能研究

马晋恒

中铁二十三局集团第三工程有限公司四川成都611130

摘要：桥墩作为桥梁中不可或缺的一部分，其受力性能也备受关注。本文对某特大桥进行研究，对钢筋混凝土单轴受压状态低周反复加载实验，并建立钢筋混凝土桥墩的ABAQUS有限元模型，对实验与模型计算结果比对研究，研究了钢筋混凝土桥墩结构的破坏形态和滞回特性，验证了选取的本构模型的正确性，也证明了该类钢筋混凝土桥墩具有良好的受力性能。

关键词：钢筋混凝土桥墩；ABAQUS；有限元模型；滞回曲线

1引言

钢筋混凝土由于其组成材料的特点，就是钢筋与混凝土间可以同时起到各自的作用。第一，研究表明在不同条件作用下，混凝土钢筋结构不会产生很大的变形差异。第二，混凝土与钢筋之间具有优秀的粘结力；此外混凝土成分中富含氢氧化钙，特殊的碱性环境为钢筋表面制造了钝化保护薄膜，使得钢筋具有了比较好的抗酸性能；最后，钢筋混凝土具有一定的刚度、稳定性、抗震性。正是因为钢筋混凝土其独特的优势，在基础工程建设中较大范围得到了应用。

本文以某铁路钢筋混凝土桥墩为研究对象，以室内低周反复循环加载实验数据为基础，利用ABAQUS有限元数值软件，建立该结构在单轴受压状态下的低周反复循环加载的模型，通过有限元数数值模型模拟分析，获取该桥墩的荷载-位移滞回曲线，进而与该钢筋混凝土桥墩室内低周反复循环加载的实验结果和破坏形态比较，对该钢混桥墩的受力性能进行研究。

2工程概况

新建某铁路工程施工位置处于我国东南某山部地区，受环境、地势影响较大，本施工标段有共有2座特大桥，5座大桥，桥墩均为钢筋混凝土实心墩。

3桥墩的有限元分析模型

3.1模型参数及加载方案

（1）模型尺寸

（3）加载方案

桥墩受力钢筋为Φ24@20mm，箍筋为Φ8@200mm，底梁受压受拉钢筋为Φ24@20mm，箍筋也为Φ8@200mm。模型加载采用拟静力加载方案。将底梁固定之后，首先对桥墩施加轴力为60T的竖向均布荷载，加载过程中保持不变。然后对桥墩模型顶部施作循环低周的荷载，荷载循环位移变量为2mm，每级荷载施加循环2次。

3.2本构模型

（1）混凝土本构选取

钢筋混凝土的应用环境及用途愈来趋于复杂化，因此我们在选择混凝土的本构模型时，必须依据混凝土在各种加载途径下的力学特性的实际情况来进行选择。在分析混凝土材料在循环和动力荷载作用下的反应时，混凝土塑性损伤本构模型相对其他模型应用较为广泛，该模型计算收敛能力较好，能够很好地应用于单轴静力加载，循环静力加载和动力加载等状况。通过查询《混凝土结构设计规范》，选取规范建议的混凝土单轴受拉应力应变关系，该混凝土单轴受拉应力应变关系是通过长期大量的实验为基础，得出来的拟合总结，同时在我国也经过了大量的工程实践检验，具有高度的安全可靠性，并且ABAQUS中自带的损伤塑性本构也为该模型的应用提供了可能。

其中，混凝土材料单轴受拉应力-应变曲线具体计算公式如下：

4有限元模型及网格划分

建立该钢筋混凝土桥墩有限元模型，有限元模型建立为分离式模型，对该模型进行网格划分，模型网格划分后见图1。在钢筋与混凝土间的相互作用定义时，忽略混凝土与钢筋之间的相对滑移，将钢筋内嵌入混凝土结构中，采用绑定方式连接钢筋混凝土桥墩顶部与底座。

图1有限元模型网格划分

5有限元模型计算结果分析

5.1开裂情况

通过模型计算得出有限元模拟结果，并与试验结果相对比，见图2。通过研究对比发现，室内试验结果肉眼能观察到的混凝土开裂高度数据，相较数值模拟分析偏小，因为室内试验中肉眼对宽度细小的裂缝不能准确识别。但是有限元模型计算结果可以更形象的展示于该桥墩受力过程中不同阶段的受力破坏形态，即数值分析模型却可以明确地表达对桥墩裂缝的趋势。

(a)桥墩试验破坏形态(b)有限元等效模型

图2试验结果与有限元模拟分析结果对比

5.2滞回曲线

滞回曲线能够反映结构在反复受力时结构的形态变化、刚度退化以及能量消耗特征，是结构在反复荷载作用下的荷载－变形曲线，它有限元分析得到的滞回曲线见图3。由图可知，桥墩在开始加载初期荷载-位移曲线几乎成弹性增长，每次加载过程中，可以看出曲线斜率随荷载增大而减小，且在反复滞回荷载中曲线斜率减小越来越快，结果可以表明该结构在反复荷载作用下刚度退化特征。通过图3可知，所得到的该模型滞回曲线图形较为饱满，证明该类型桥墩具有优秀的耗能及延性能力。并且，与室内试验相比，模型忽略了混凝土与钢筋间相对滑移，但计算结果产生的误差在控制范围内，所以该模型计算分析结果可以有效参考。据此可知该类型桥墩在受力过程中有很好的刚度、结构延性和耗能能力。

图3滞回曲线

5.3骨架曲线

处于最大峰值状态的循环荷载轨迹即为骨架曲线，它体现了结构及构件的基本性能。计算得到的位移骨架曲线见图4。

图4骨架曲线

由上图可知，钢筋混凝土桥墩的荷载位移曲线在10mm之前几乎成线性增长，之后出现非线性增长，说明该桥墩由于混凝土损伤积累导致桥墩刚度出现退化，且实验结果与模拟结果误差较小。综上所述，该桥墩具有良好的延性，在低周往复循环荷载下表现出很好地抗震性能。

6结论

通过对该桥墩低周循环荷载有限元模型模拟计算与试验结果比较，得出计算结果与模型结果吻合较好。证明该钢筋混凝土桥墩具有良好的强度、刚度及耗能能力等，与此同时，忽略钢筋与混凝土粘结滑移引起的误差也在接受范围，该有限元模型及分析结果可以作为相关研究内容的一部分。

参考文献

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