摘要: 为了研究荷载作用对山区双柱式桥墩的影响，采用ABAQUS建立双柱式桥墩模型，模拟了受到荷载作用下的双柱式桥墩，并对桥墩的应力位移等进行了分析。以重庆某山区的双柱式桥墩为例，对双柱式桥墩施加300 KN荷载，在荷载作用下进行应力位移分析，并对1/4处、1/2处和3/4处三个控制点进行分析。经过模型分析之后可以得出：在300 KN大小荷载下，双柱式桥墩混凝土部分盖梁中部受到的应力较大，由上至下1 m处的位移较大，钢筋笼在与盖梁连接内侧处的应力与位移都较大，并获得了1/4处、1/2处和3/4处三个控制点的应力位移值，一旦遇到过大荷载或者其他的破坏容易造成损伤，研究桥墩的受力情况可以对桥墩的破坏形式研究打好基础，也可以为如何加固桥墩提供方向。
Abstract: In order to study the influence of load on double-column piers in mountainous areas, ABAQUS was used to establish a double-column pier model, simulate the double-column pier under load, and analyze the stress-strain of the pier. Taking the double-column pier in a mountainous area of Chongqing as an example, a 300 KN load is applied to the double-column pier, and the stress-strain analysis is carried out under the load, and the three control points at 1/4, 1/2 and 3/4 are analyzed. The stress-strain values of the three control points at 1/2 and 3/4, once encountering excessive load or other damage is easy to cause damage. Studying the force of the pier can lay a good foundation for the study of the failure form of the pier, and can also provide directions for how to strengthen the pier.
1. 引言
近些年，随着国家“一带一路”、“十四五交通运输发展规划”等政策的不断推进执行，已经有越来越多的地区拥有了十分便利的交通。但是在山地地形中，直接修建公路难度较大，桥梁的运用大大增加，其中双柱式桥墩的使用十分常见。但是在山区等地方常常发生因滑坡、地震等导致滚石对桥墩造成损伤，在对受到损伤的桥墩进行加固修复时，应该对未受损的桥墩本身进行荷载分析，从而得出桥墩结构的数据，为桥墩的加固修复提供参考数据。本文将用有限元软件ABAQUS对重庆市某双柱式桥墩进行模型分析。
本试验研究是对整个桥墩的受损加固的前行研究，由于我国地广人多，交通纽带的建立非常重要，但是在一些地质灾害较为频繁的地区，作为交通纽带重要一环的桥梁常常因为各种原因导致桥墩受损。尤其是滚石的影响尤为突出，此类滚石造成的破坏力非常大，并且作用的时间也非常迅速，容易造成极大的人员经济损失，在桥墩受到损伤之后极容易造成交通堵塞，这无论是对灾情的抢救，还是经济的影响都是巨大的，2020年雅西高速公路的山体滑坡事件和2008年百花大桥受到地震破坏的事件都无疑是 在证明此等灾害造成的巨大影响。在发生此类事件之后，应该根据桥墩的受损情况进行及时处理，对一些受损程度在一定范围内的桥墩，应该采取加固修复的措施，但是在进行损伤后的加固之前，应该了解整个桥墩在正常行车作用下的受力情况，不仅在不同的控制点进行研究，还应该了解正常荷载作用下的桥墩的薄弱点，以方便后期试验和日后加固的有效进行。
当今在土木领域有限元软件的应用已经越来越多，适用面也越来越广，在施工、设计、监控、维护中都经常使用，也有很多学者已经采用有限元对桥墩进行模拟分析。近年来有张攀 [1] 基于ABAQUS软件对装配式的混凝土桥墩进行冻融循环研究；还有李振东 [2] 为了满足抗震性能，采用ABAQUS软件对于碳纳米管混凝土桥墩进行抗震分析，研究分析了碳纳米管混凝土桥墩具有更高的抗震性；谭宇光 [3] 等人采用ANSYS软件研究分析了在不同冲刷深度中的桥墩的受力情况；陈宝喜、于天来 [4] 基于ANSYS分析了寒冷地区流冰对桥墩撞击的影响。本文将运用有限元软件ABAQUS对双柱式桥墩进行静力分析，从而获得双柱式桥墩在正常荷载作用下的受力情况。
2. 工程背景
本位以重庆某山区双柱式桥墩为背景，此桥墩由盖梁、墩身、基础组成。墩身为钢筋混凝土结构，直径为1.8 m，每一个墩拥有42根HRB335主筋，从桥墩底部2 m处由下至上每隔10 cm设置一个HPB200箍筋，保护层厚20 cm，桥墩结构采用C30混凝土；本桥墩柱高14 m，盖梁尺寸为1120 cm × 200 cm，基础尺寸为1120 cm × 300 cm，厚2 m。桥墩立面如图1所示。
图1. 桥墩立面图
3. 有限元模型
选择ABAQUS软件对双柱式桥墩进行有限元分析，根据双柱式桥墩的构造建立有限元模型，有限元模型如图2所示。并在双柱式桥墩内部设置钢筋笼，采用相互作用的内部区域达到整体创建，有限元模型如图3所示。建立模型时，材料采用C30混凝土和HRB335钢筋，其中C30混凝土的弹性模量为30 KN/mm2，HRB335的强度为335 MPa；施加300 KN的荷载，基础处采用三项约束，其他参数按照常用数据进行选择。
Figure 2. Bridge pier structure model diagram
图2. 桥墩结构模型图
4. 有限元计算分析
4.1. 有限元模型创建
本模型将利用ABAQUS有限元软件进行合理的分块创建，再将创建好的盖梁、墩身、基础和钢筋笼进行装配，装配之后对材料属性进行设置，对基础进行三项约束并分别施加300 KN作用在盖梁上，模拟桥墩受到荷载的效果，之后进行网格划分计算。对建立的重庆某桥墩的有限元模型进行静力分析，模型采用的是三维实体单元建立，设置对应的混凝土钢筋的参数，建立桥墩有限元模型。
4.2. 静力分析
4.2.1. 荷载选取
我国国土面积有960万平方公里，如此大的国土面积下拥有超过70万座桥梁，但是每一座桥的限载是不同的，本文将以重庆某座限重30 t的桥梁为例，研究此情况下桥墩的静力分析，根据限重折算采用300 KN的荷载作用在桥墩的盖梁上。此荷载研究的是桥墩正常使用情况下的静力分析，所以采用的荷载大小接近桥梁最大限重，但由于是分部于桥墩的盖梁上，可以确保桥梁正常使用，桥墩不会出现损伤；再分析1/4处、1/2处和3/4处的应力位移，对特殊节点进行分析。根据具体地点的桥梁规定和地貌形式选择施加的300 KN荷载，在桥墩盖梁上施加荷载，施加荷载模拟图如图4所示。
4.2.2. 整体应力位移分析
在桥墩的盖梁位置施加300 KN荷载，模拟桥梁正常使用下的荷载，再使用ABAQUS软件模拟分析，获得整个桥墩的应力云图为图5所示，由图可知在桥墩盖梁中部应力最大，为1.349 × 10−6 MPa；钢筋笼的应力云图如图6所示，由图可以看出在内侧顶部应力最大，为1.036 × 10−6 MPa。
同时，在施加300 KN的荷载作用后，进行ABAQUS有限元软件模拟获得的位移云图如图7所示，由图可以看出由上至下1 m处出现了最大的位移，其值为26.45 mm；钢筋笼的位移云图如图8所示，由图可以看出在内侧顶部应力最大，为177.8 mm。
Figure 7. Bridge pier displacement cloud map
图7. 桥墩位移云图
Figure 8. Rebar cage displacement cloud map
图8. 钢筋笼位移云图
4.2.3. 1/4处应力位移
在对桥墩有限元模型进行施加300 KN的荷载之后，还需要对1/4处的应力位移进行分析研究，因为1/4处作为后续试验的控制点，需要在有限元模拟中获得有效数据对日后的相关研究打下基础。进行ABAQUS软件模拟分析计算之后，可以获得1/4处的应力位移，分别为位移：18.10 mm，应力：7.68 × 10−7 MPa。
4.2.4. 1/2处应力位移
同理对施加300 KN荷载之后的有限元桥墩模型的1/2处进行应力位移分析研究，1/2处同样作为控制点之一，需要获得具体数值。经过计算之后可以获得，在桥墩1/2处的位移为20.50 mm，应力为5.74 × 10−7 MPa。
4.2.5. 3/4处应力位移
按照上述条件继续对施加300 KN荷载之后的有限元桥墩模型的3/4处进行应力位移分析研究，3/4处是3个控制点的最后一个，同样需要具体数值。经过计算之后可以获得，在桥墩3/4处的位移为22.72 mm，应力为3.18 × 10−7 MPa。
4.2.6. 整体模型其他数据
整个模型施加300 kN之后还可以获得最大应变E值，最大值为1.24 × 10−10，应变云图如图9所示，以及最大支座反力3.579 × 104，模型支座反力云图如图10所示。
5. 结论
通过建立重庆某桥墩的有限元模型，模拟正常行驶车流量的情况下，施加了300 KN的荷载作用于桥墩的盖梁上，对施加荷载之后的桥墩进行分析研究，获得以下结论：
1) 在施加了300 KN的荷载作用下，桥墩盖梁中部应力最大，为1.349 × 10−6 MPa；钢筋笼内侧顶部应力最大，为1.036 × 10−6 MPa。
2) 在施加了300KN的荷载作用下，桥墩由上至下1 m处位移最大，为26.45 mm；钢筋笼内侧顶部位移最大，为177.8 mm。
3) 在控制点位置的1/4处、1/2处和3/4处的应力位移分别为：1/4处的位移：18.10 mm，应力：7.68 × 10−7 MPa；1/2处的位移为20.50 mm，应力为5.74 × 10−7 MPa；3/4处的位移为22.72 mm，应力为3.18×10−7 MPa。
基金项目
碳纤维加固受到滚石损坏的桥墩试验研究(YKJCX2120615)。
参考文献