鋼筋混凝土橋墩抗震性能的有限元分析

鋼筋混凝土橋墩抗震性能的有限元分析

隨著金元分析方法的改進(jìn)和計(jì)算的改進(jìn)，許多科學(xué)家在分析鋼筋混凝土碼頭的有效性方面取得了一些成果。國(guó)外學(xué)者利用ABAQUS、IDARC軟件、DIANA有限元軟件、CLEF軟件、FEAP非線性有限元軟件、ZeusNL非線性有限元軟件、PCAHEST非線性有限元軟件分別對(duì)鋼筋混凝土橋墩在低周反復(fù)荷載下的滯回特性進(jìn)行了比較成功的模擬分析。這些工作大多基于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)專(zhuān)用分析程序,而目前大型通用有限元軟件ANSYS已在土木工程領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用,因此作者利用ANSYS軟件,建立了鋼筋混凝土橋墩的非線性有限元計(jì)算模型,并對(duì)其進(jìn)行了低周反復(fù)荷載下滯回性能的分析,取得了較好的模擬效果。1結(jié)構(gòu)分室試驗(yàn)試驗(yàn)在大連理工大學(xué)海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室結(jié)構(gòu)分室進(jìn)行,共進(jìn)行了3根橋墩的低周反復(fù)荷載試驗(yàn),分別為A10、A12和A14試件。試件尺寸及配筋情況如圖1所示。2計(jì)算橋梁開(kāi)元的模型12單元類(lèi)型的選擇混凝土采用Solid65單元,鋼筋采用Link8單元模擬;加載端的鋼墊板采用Solid45單元模擬,可有效避免加載點(diǎn)的應(yīng)力集中現(xiàn)象。2混凝土的開(kāi)裂Solid65單元破壞面為改進(jìn)的William-Warnke五參數(shù)破壞曲面,采用Mises屈服準(zhǔn)則和多線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型(KINH);混凝土等效單軸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系式采用文獻(xiàn)建議的箍筋約束混凝土的本構(gòu)關(guān)系,并假定反復(fù)荷載下混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的外包絡(luò)線與等效單軸應(yīng)力-應(yīng)變曲線重合,為了保證計(jì)算的收斂性,未考慮混凝土受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線的下降段;混凝土的開(kāi)裂采用Rankine最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則,當(dāng)達(dá)到最大拉應(yīng)力時(shí)混凝土即開(kāi)裂,拉應(yīng)力松弛。當(dāng)混凝土開(kāi)裂后應(yīng)變軟化至6倍的開(kāi)裂應(yīng)變時(shí),應(yīng)力降低為0;混凝土開(kāi)裂后裂縫的剪力傳遞系數(shù)βt取為0.5,βc取為0.95。3總應(yīng)力及總應(yīng)力鋼筋采用雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型(BKIN),假定總應(yīng)力范圍等于屈服應(yīng)力的2倍,已包含包辛格效應(yīng)。其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系則采用彈塑性的雙斜線模型。4縱筋種間轉(zhuǎn)換采用分離式的有限元模型,因試件保護(hù)層為10mm,有限元模型中未予考慮。橋墩試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭泄灿?4根縱筋,若每根縱筋分別建模,則混凝土網(wǎng)格尺寸過(guò)小,會(huì)導(dǎo)致計(jì)算難以收斂。經(jīng)過(guò)比較分析,將試驗(yàn)中的24根縱筋按等面積代換為8根縱筋,沿橋墩截面周?chē)鶆蚍植?為了考慮有限元建模的方便,同時(shí)保證橋墩的約束條件與原試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵恢?將試驗(yàn)中的長(zhǎng)方形臺(tái)座簡(jiǎn)化為一個(gè)周邊完全約束住的圓臺(tái),且圓臺(tái)與試驗(yàn)臺(tái)座等高。3計(jì)算和分析的元性3.1加速收斂試驗(yàn)按試驗(yàn)加載方案對(duì)橋墩進(jìn)行低周反復(fù)荷載下滯回特性的有限元分析計(jì)算,整個(gè)加載過(guò)程按施加位移控制,以獲得更好的收斂效果。采取以下加速收斂的措施:關(guān)掉混凝土的壓碎選項(xiàng)(即令混凝土單軸抗壓強(qiáng)度為-1);將每一個(gè)荷載步的荷載通過(guò)一系列的荷載子步逐步施加,并多次調(diào)整荷載子步數(shù)進(jìn)行試算;將每個(gè)荷載子步的迭代次數(shù)限值增加為50次;采用以力為基礎(chǔ)的收斂準(zhǔn)則,收斂精度放寬為5%;打開(kāi)自動(dòng)時(shí)間分步與線性搜索選項(xiàng)等,所有計(jì)算均進(jìn)行至試驗(yàn)加載過(guò)程全部完成或計(jì)算不能收斂為止。3.2及其骨架曲線與試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算完成后,進(jìn)入ANSYS的后處理界面,利用APDL參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言編制的命令流提取位移加載點(diǎn)的反力及柱頂位移值,即可得橋墩的滯回曲線。計(jì)算得到的橋墩滯回曲線及其骨架曲線與試驗(yàn)結(jié)果如圖2和圖3所示。由圖2、圖3可知,計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果有較好的吻合;但是在橋墩嚴(yán)重破壞階段,試驗(yàn)結(jié)果顯示隨著荷載循環(huán)次數(shù)的增多,塑性鉸區(qū)混凝土壓碎脫落,縱筋屈曲,并引起橋墩側(cè)向承載力的降低。而有限元分析得到滯回曲線和骨架曲線沒(méi)有下降段,這與所建立的有限元模型無(wú)法模擬壓碎混凝土的脫落和縱筋的屈曲有關(guān),在所建立的有限元模型中,為了保證反復(fù)加載下計(jì)算的收斂而關(guān)閉了混凝土的壓碎選項(xiàng),同時(shí)縱筋的建模采用Link8三維拉壓桿單元,所以無(wú)法模擬縱筋的壓屈。3.3橋墩破壞形態(tài)ANSYS在其后處理中可以直觀地顯示混凝土單元應(yīng)力和應(yīng)變的大小及分布,顯示混凝土的開(kāi)裂和壓碎破壞情況,當(dāng)主拉應(yīng)力超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí),混凝土在與主拉應(yīng)力垂直的方向開(kāi)裂,ANSYS中以小圓圈顯示Solid65單元的開(kāi)裂破壞,且圓圈的法向方向與主拉應(yīng)力的方向一致,若裂縫張開(kāi)后又閉合,通過(guò)小圓圈中間加×表示。同時(shí),在每個(gè)積分點(diǎn)處可以有至多3個(gè)開(kāi)裂面,用小圓圈表示,圓圈越多則表示開(kāi)裂越嚴(yán)重。將計(jì)算得到的橋墩破壞形態(tài)與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比見(jiàn)圖4所示,由于篇幅限制,只列出了A14橋墩的破壞形態(tài),并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。有限元計(jì)算結(jié)果表明:在混凝土輕度開(kāi)裂階段(荷載控制階段),混凝土的開(kāi)裂范圍一般可達(dá)1050mm高度;且此時(shí)小圓圈的個(gè)數(shù)較少,說(shuō)明此時(shí)裂縫間距較大,裂縫較少;小圓圈的方向表明此時(shí)的開(kāi)裂形態(tài)為橋墩兩側(cè)的水平彎曲裂縫;試驗(yàn)開(kāi)裂圖中顯示此時(shí)混凝土開(kāi)裂區(qū)域一般在1000mm的高度范圍內(nèi),且裂縫分布稀疏,均為彎曲型裂縫。在橋墩中度破壞階段(位移控制為60mm左右時(shí)),計(jì)算結(jié)果顯示A14橋墩的開(kāi)裂范圍可達(dá)1950mm高度,上部開(kāi)裂仍然為兩側(cè)的水平彎曲裂縫,而底部450mm高度范圍內(nèi)的小圓圈分布方向較亂且接近布滿整個(gè)塑性鉸區(qū);試驗(yàn)結(jié)果也顯示此時(shí)橋墩的裂縫已達(dá)1600mm以上,且上部裂縫基本沿水平方向開(kāi)裂,底部混凝土的開(kāi)裂已非常嚴(yán)重,300mm以下的裂縫已基本貫通,斜裂縫交錯(cuò)。在橋墩最終破壞階段,計(jì)算結(jié)果顯示此時(shí)混凝土的開(kāi)裂范圍已不再增加,且上部開(kāi)裂變化不明顯,但底部混凝土的開(kāi)裂加劇,小圓圈已布滿整個(gè)塑性鉸區(qū);由試驗(yàn)現(xiàn)象可以看到,此時(shí)橋墩開(kāi)裂高度也基本不再上升,橋墩的最主要破壞形態(tài)是底部300mm高的范圍內(nèi)混凝土大片脫落,縱筋屈曲,形成塑性鉸區(qū)。計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比可知,ANS