装配式钢筋混凝土桥墩保护层厚度对抗震性能的影响研究

宋子龙

摘 要：随着科技的进步和国家经济的发展，商品的工业化生产程度越来越高。桥梁施工中追求短时、高效、高质量成为新的发展趋势，同时人们对施工的环保要求也有所提高。近几年来，随着桥梁设计以及施工工艺的不断更新和发展，桥墩结构更加趋向于质量轻、强度高、施工便捷。装配式桥墩解决了市区大规模现场施工的建桥方式，给城市交通和居民生活带来一系列的问题。本文针对矩形截面钢筋混凝土拼装桥墩展开研究，分析了装配式桥墩在地震作用下发生的病害以及相应的加固措施，并通过建立有限元模型，着重研究了混凝土保护层厚度对于抗震性能的影响，得出合理的设计参数，达到抗震性能和经济性的最优设计，为以后该类型桥墩设计提供参考。

关键词：桥梁抗震 桥墩 保护层厚度 模型分析

1.引言

桥梁结构作为现代交通系统的重要组成部分，在经济发展中起到了举足轻重作用。随着城市道路快速化进程的推进，越来越多的城市选择城市高架作为城市交通的组成部分。现有桥梁设计除了对结构的安全性、耐久性进行设计外，还要考虑城市环境下施工的便捷性和可操作性。由于施工现场周围存在大量的现行交通和居民，在施工时应最大限度的减少对现有交通的干扰，和对居民正常生活的干扰，尽可能的缩小作业空间和施工工期。这些要求促进了城市桥梁建设中工业化拼装的推广。装配式桥墩正逐渐被城市高架、大桥引桥等规模较大、结构相似度高的工程采纳。与现浇桥墩相比，装配式桥墩施工工期大规模缩短，用人成本减少、由于是工厂预制，节段桥墩质量得到保证、施工时对周围环境影响较小。

随着装配式结构的引用推广，装配式桥墩在高抗震等级地区的应用也越来越多。装配式桥墩的抗震性能成为整体桥梁结构抗震的重要环节。由于预制拼装桥墩还处于起步阶段，工程中尚未广泛运用，地震中发生破坏的实例较少，地震作用下的破坏机理仍未清晰，因此尚未大规模应用在抗震要求较高的地区。本文通过研究桥墩抗震加固，考虑不同混凝土保护层厚度下的墩柱抗震性能，根据相关的模型参数，得出合理的设计参数，达到抗震性能和经济性的最优设计，为相关的研究与工程实践提供参考借鉴。

2.预制拼装桥墩震害

根据现状桥梁设计状况来看，相对于预制拼装主梁的应用，预制拼装桥墩工程应用较少。在施工中，通常是根据桥墩设计，将桥墩分成若干标准预制段，在工厂进行预制后运至施工现场进行现场拼装。桥梁长度越长、墩高越高、墩数越多，就越能体现预制拼装的优势。当桥梁在地震作用下时，桥梁结构破坏形式主要以下部结构破坏为主，且下部破坏会导致桥梁整体功能损失，后果也比较严重。

2.1 整体抗剪能力减弱

由于存在节段间接缝，并且由于施工工艺等现场因素，因此接缝质量会存在一定问题，桥墩整体性偏弱，剪切强度会大幅减小，桥墩整体的延性和耗能能力会比整体浇筑桥墩弱，接缝处可能发生破坏。

2.2塑性铰区破坏

地震作用下承台与桩的连接处、墩身与基础的连接处、墩身在靠近地面处以及墩帽与墩身连接处会形成塑性铰段，导致纵向压缩应变较大，可能导致桥墩的保护层混凝土开裂或破碎。破坏时会首先出现裂缝，随着荷载作用混凝土压碎、崩裂，钢筋发生屈曲变形形成塑性铰。

2.3连接部位局部破坏

由于存在节段拼接，桥墩各节段接缝主要依靠预应力连接。在地震作用下接缝较弱的地方可能发生转动，会引起连接主筋拉断或者局部混凝土压坏。其影响因素包括：混凝土强度、纵向钢筋以及箍筋强度，接缝连接程度等。

3.提升抗震性能的措施

針对装配式桥墩在地震作用下的破坏机理、施工工艺、设计规范，通过理论研究、试验分析与软件仿真计算，提升其抗震性能可从改进结构形式与材料、节段连接方式等方面进行。

3.1 增加截面

增大构件截面面积主要方法有增大受力钢筋主筋截面面积、增加箍筋配筋率、增加混凝土外保护层厚度。在抗震加固中，此类加固方法从原理上包括了钢筋网高性能水泥复合砂浆法、粘贴钢板法、粘贴纤维复合材料法以及采用新型结构材料包括新型混凝土和高强钢筋等。这些加固方法都是通过增加混凝土墩柱横截面积，提高了墩柱的承载能力，使正常使用阶段的性能得到改善。但是由于结构刚度的增加，结构的延性降低，抗震能力减弱。综合考虑，增大截面面积，并不是越大越好，需要同时兼顾承载力和延性的双重作用。

增大截面的优点是：对于桥梁加固可在保持正常桥面运营的情况下，在桥梁下部进行施工，加固工作量不大，而且效果显著，被广泛用于结构的强度、刚度和稳定性加固。对于新建桥梁来说，增加截面面积造价较低，施工工艺简单。

缺点在于：结构自重增加，容易造成结构基础承载力不足，必要时还须对原结构的基础进行加固。随着刚度的增大，结构延性降低，结构抗震能力减弱。

3.2增加预应力

预应力加固法是对结构构件或建筑物整体通过外加预应力部件来进行加固的方法。通过对拉杆或撑杆施加预应力，使得原结构的内力重分布，降低了应力较大部位的应力水平，有效改善了结构应力，于此同时，后加的预应力筋与原结构共同工作，相当于增加了结构配筋率，提高了结构总体承载力和抗裂性能。

体外预应力方法不仅能够对原结构进行补强，同时也起到了卸荷，改变结构内力，适用于大跨结构加固。其缺点是施工过程当中，需要专业的设备和工序，对施工人员要求比较高，另外，使用体外预应力筋加固时，预埋在混凝土结构上的预应力筋转向块和预应力连接构件会出现应力集中现象，很容易发生局部混凝土剥离或构件破坏。

3.3改进节段形式与连接方式

改进节段形式包括改变节段长度和节段划分形式，比如将横向分段变为竖向分段。当桥墩高度较小时，可以采用竖向分节段设置或者采用整体预制的方法。根据实际情况，采用灵活的设计方法和施工方案可进一步提高施工的方便性和效率。

连接方式主要包括节段与基础承台之间连接以及节段之间的连接。更改连接方式主要包括节段和基础承台之间的连接可以采用底部墩柱与承台整体现浇，确保在地震作用下现浇段可以形成塑性铰。节段与节段之间的连接需要提高连接缝的抗剪能力，防止出现剪切破坏。处理方式包括设置剪力键或者接触面涂环氧树脂水泥胶以提升抗剪能力与整体性。

4.软件分析保护层厚度对桥墩抗震性能的影响

4.1保护层厚度对桥墩立柱的影响

根据上述桥梁墩台加固方法的研究可知，适当增大受力钢筋主筋截面面积、增加箍筋配筋率、增加混凝土外保护层厚度等方法均能够提高桥墩的抗震性能。现在常用的加固方法例如钢筋网高性能水泥复合砂浆法、粘贴钢板法、粘贴纤维复合材料法均是在原有结构外部包裹材料，类似于增加保护层厚度以增加截面面积和强度。对于预制桥墩，适当增加保护层厚度，能增加结构的抗震性能。

本论文以混凝土保护层厚度作为研究对象，利用有限元计算软件OPENSEES对相同轴压比下保护层厚度作为变量因素进行数值模拟，计算出相应的滞回曲线、骨架曲线。以保护层厚度作为变参数，比较不同保护层厚度下模拟计算结果的滞回性能，验证不同保护层厚度下混凝土墩柱抗震性能是否可以得到改善。

4.2方案設计

根据实际桥墩的受力特点，利用软件模拟时可以将桥墩模型建立为悬臂梁模型。对于常规桥梁，桥梁墩柱高度一般为截面直径或宽度的2.5-10倍。如果按照实际桥墩尺寸进行计算，OPENSEES软件划分段单元会比较复杂，计算效率将大大降低，为了简化计算，按照实际尺寸进行等比例缩放，选择模型尺寸为横截面200mm×200mm，高度900mm。采用C 3 0商品混凝土，纵筋采用B12@100布置，沿墩高方向设置箍筋按A8@100布置。

本研究以混凝土保护层厚度为变参数研究墩柱的抗震性能的影响，选取3组不同的保护层厚度，t=25mm、t=30mm、t=35mm。根据桥梁实际情况，桥墩在受到地震力作用时，除了地震荷载，地基约束力，还会受上部结构的竖向荷载以及由上部结构惯性力产生的水平作用。当桥墩顶部发生较大的水平位移时，竖向荷载的偏心压力会产生较大的附加弯矩，即P-？效应。因此，在模型建立时，需要考虑上部竖向荷载。本研究设定轴压比为0.3，通过竖向力的形式加载在立柱顶部，并随着墩顶位移而始终保持竖向加载。

4.3有限元模型建立

对于该有限元计算采用OPENSEES软件，并将混凝土立柱在建立模型时对结构内部核心混凝土、钢筋、保护层混凝土分别建立，并进行纤维划分。混凝土纤维单元采用20*20mm截面，其中对于混凝土采用Concrete02 Material模型，对钢筋使用Steel02 Material模型。

4.4滞回曲线分析

通过提取文件计算数据，通过EXCEL进行数据处理分析，可以得到各试件的滞回曲线计算结果。

滞回曲线是模拟地震作用中构件的承载力与水平位移（柱顶）的关系曲线，能够很直接的反映结构的延性及耗能能力。滞回曲线单次循环一次所包围的面积越大，说明结构的耗能能力越好，结构延性越强。从图1～3可以看出，不同保护层厚度结构的滞回曲线均呈现出“捏缩”效应，这是一般的钢筋混凝土结构正常的现象，说明这个结构塑性变形能能力较强，能较好地吸收地震能量。随着保护层厚度的增加，相同往返周数下，滞回曲线所包围的面积逐渐增大，同时发现在线弹性范围内结构最大承载也逐渐增加，结构变形能力加大，抗震性能增强。

4.5骨架曲线计算结果

将计算所得的滞回曲线外包络线相连接，就可以得到结构的骨架曲线。曲线与利用pushover得到曲线大致相同。骨架曲线能够更加直观的确定结构的极限承载力、屈服位移荷载等相关内容。

从图4可以看出，三种构件在最初的加载均为线弹性结构，随着位移的增加，当达到结构的最大承载力后，结构承载力出现下滑状态。保护层厚度越大，结构的最大承载力越大，但随后的变化趋势相同，说明厚度越大，结构延性越好，抗震能力越强。

5.结语

在增加保护层厚度后，试件的延性提高，承载力也出现了增长。保护层厚度适当时，结构出现理想的破坏状态，保护层首先出现裂缝，形成塑性铰，随后发生破坏。但如果保护层厚度过大，破坏时，混凝土未发生破坏，整体结构会由于连接部位钢筋最先发生屈服而整体断裂，而不出现塑性铰区域，混凝土造成浪费，因此，不能只一味地增加保护层厚度。此外，保护层越厚，结构自重越大，反而对抗震产生不利的影响。

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