新型预制装配式桥墩地震破坏形态研究

韩 磊，汪志甜

(1.安徽省交通控股集团有限公司，安徽 合肥 230088；2.安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

0 引 言

预制桥墩结构具有工厂化生产和装配化施工的重要特点，且节段混凝土预制质量好、施工速度快、能够有效节约工期和材料、绿色环保等诸多优点，故在国内外得到了大力推广，也出现了大量不同类型的预制桥墩类型。目前，关于预制桥墩静力性能的研究交过[1-4]。但在动力性能特别是抗震性能方面的研究较少[5-8]，对于预制墩在高烈度地震区的应用产生了制约，应加强预制墩抗震性能的相关研究，才能进一步推广预制桥墩的工程应用。

本文以安徽省济南至祁门高速公路合肥至淮南段钢板组合梁桥下部结构采用的新型预制装配式桥墩为工程实例，对其抗震性能进行研究。

1 新型预制装配式桥墩概况

新型预制装配化空心圆柱式桥墩直径为1.2 m，壁厚为0.25 m，以整米为模数，按长度类型分为3～12 m共10种类型，采用C70混凝土预制，预制节段现场进行调试拼装。在墩底预制节段和承台间预留长度不小于0.5 m的墩底现浇段作为墩高调整段，同时起到预制墩安装时的定位作用。墩顶1.5 m×1.5 m×0.7 m的墩帽与上部节段一并预制。承台尺寸为3.0 m×3.0 m×1.5 m，采用C40混凝土现浇。预制墩采用承插式与承台连接，并结合承台顶二期浇筑的混凝土形成整体，墩底连接构造详如图1所示。

由于新型节段预制拼装桥墩的墩底构造复杂，可能会影响到桥墩乃至全桥的抗震性能。因此，研究预制墩的抗震薄弱环节，明确关键设计参数，对于桥梁抗震设计至关重要。

2 预制墩Pushover分析

基于OpenSees软件平台，采用基于位移的梁柱单元来模拟预制桥墩，合理划分墩身及杯口截面纤维，并将整个截面离散为三种纤维：保护层混凝土纤维、核心混凝土纤维和钢筋纤维，预制墩纤维单元模型如图2所示。

基于预制墩纤维单元模型，采用Pushover分析方法，水平向采用墩顶位移加载控制形式，每级加载增量为1mm，使预制墩从弹性进入非线性状态直至破坏，从而获得预制墩的整个破坏形态。而且，根据分析的一联钢板组合梁桥，各墩轴向施加了实际荷载，其中，边墩为2 392 kN，次边墩为3 217 kN，中墩为2 780 kN，Pushover分析荷载-位移曲线如图3所示。

图3 Pushover分析的荷载-位移曲线

3 预制墩破坏形态研究

为了明确预制桥墩的地震易损部位，对比分析了墩底截面、杯口位置下截面以及杯口位置上截面处各纤维材料的应力-应变曲线，只有杯口位置上截面各纤维单元从弹性状态进入非线性状态。其中，该杯口位置上截面的纤维截面在侧向位移达到16 mm时，保护层混凝土开裂；侧向位移达到72 mm时受拉钢筋首次屈服；侧向位移达到151 mm时，保护层混凝土剥落；侧向位移达到305 mm时受拉钢筋达到极限拉应变；侧向位移达到427 mm时，核心混凝土达到极限压应变，最终预制墩以核心混凝土压碎而破坏。但整个加载过程中，墩底截面和杯口下截面各纤维单元均保持弹性状态。

为进一步判断该预制墩的破坏位置以及塑性铰的发展情况，提取了杯口以上截面(箍筋加密区域与理论塑性铰区域Lp重合区域)单元区段内各积分点处的材料应力-应变曲线。结果显示：在不同轴压作用下，只有杯口位置及杯口以上0.1 m区段内纤维截面在侧向位移不断增加的过程中经历了从弹性到非线性直至破坏，而杯口以下截面在此过程中始终处于弹性状态。

4 结 论

本文针对新型预制装配式桥墩的结构及抗震特点，采用Pushover分析方法，研究了预制墩的抗震性能。研究发现：新型预制装配式桥墩在地震荷载作用下的薄弱位置最先出现在杯口处，并且延伸到距杯口以上0.1 m位置，但并没有向杯口以下继续发展的趋势，即破坏只发生在预制墩与杯口交界处以及距杯口向上0.1 m区段内。