大跨径超高性能混凝土双肢薄壁高墩的抗震性能分析

2020-09-30张永伟

山西交通科技 2020年4期

张永伟

（山西省交通新技术发展有限公司，山西太原 030012）

0 引言

超高性能混凝土（UHPC）是指利用纤维、水泥、硅粉、粉煤灰、高效减水剂等配制而成的高强度、高延性、低孔隙率的新型复合材料[1-3]，据相关研究表明：其抗压、抗拉强度是普通混凝土的4倍，抗折强度可达普通混凝土的10倍，断裂能更是可以达到普通混凝土的250倍，具有良好的收缩徐变和耐久性能，已广泛应用于装配式建筑，预制梁、板、柱等建筑结构中，取得了较好的应用效果[4-8]。

双薄壁墩是当前大跨径连续刚构桥中桥墩的常用形式，由两个相互平行的墩壁与主梁铰接或者刚接而成，作为一种柔性墩，它既可以承受上部荷载，保持桥梁相对稳定，又可满足上部结构位移变形的需要，对于大跨径桥墩，除了满足承载和耐久特性，桥墩的抗震性能一直是工程界研究的重点问题[9]。陈爱军等[10]通过试验研究发现，当轴压取5%时，试验双肢薄壁的延性最差，当轴压比取10%时，试验双肢薄壁的延性最好；苏鹏[11]、陈彦江[12]等研究了系梁设置对双肢薄壁刚构桥地震响应的影响，认为合理设置梁系可以减小支座在地震中的响应；朱丽杰以水大桥为例，模拟研究了壁厚对双肢薄壁墩温度场及温差效应的影响[13]。

将UHPC应用于桥梁建设，不仅可以提升桥梁的力学性能和耐久性，还可以减小构件自重，使得吊装更为简便。但是，将UHPC应用于桥墩的研究还相对较少，故本文开展了大跨径超高性能混凝土双肢薄壁高墩的抗震性能室内模型和有限元模型分析，可为UHPC在连续刚构桥中的设计与运用提供借鉴。

1 模型设置

1.1 室内模型

本文模拟对象为山西某三跨连续刚构桥，主跨跨径达到120 m，最大墩高为57.6 m，桥墩设计使用年限为100年，设计安全等级和荷载等级均为1级。按照相似理论（模型长度∶实际长度=1∶16），共设置3种（两组普通钢筋混凝土墩和一组UHPC试验墩）室内模型，UHPC掺入端勾型钢纤维，直径为0.2 mm，平均长度为13 mm，钢纤维体积掺量约为2.5%，各试验墩具体参数见表1。采用电液伺服加载系统对各试验墩进行荷载加载试验，采用YHD-50型位移计和TST3826静态应变进行位移和应变测量，试验位移加载控制示意见图1。

表1 试验墩模型参数

UHPC试验墩不进行钢筋配置，故UH1配筋率不列入考虑范围。

图1 位移加载控制示意

1.2 有限元模型

图2 有限元分析模型

采用ABAQUS有限元分析软件建立数值分析模型，并选择损伤塑性模型来模拟UHPC，即认为材料破坏模式包括受拉开裂和受压破碎，损伤塑性模型具体参数为：膨胀角30°、偏心率0.01、强度比1.16、黏聚系数0.000 5；损伤塑性屈服准则采用非关联流动法则，且选用Drucker-Prager双曲线模型；采用C3D8R单元进行网格划分。荷载模拟加载步骤为首先在墩顶施加竖向荷载，然后再在墩顶施加水平荷载。有限元模型见图2。

2 不同试验墩抗震性对比

试验及模拟得到的不同试验墩荷载-墩顶水平位移曲线见图3，从图3中可以看到：试验墩实测的荷载位移曲线与模拟分析得到的荷载位移曲线基本吻合，但两者仍具有一定的差异。这主要是因为在模拟分析时所采用的本构关系与实际情况有一定出入，同时模型破坏准则及材料参数均会与实际情况有一定差别，故而两者存在一定差异。与普通混凝土桥墩相比，UHPC桥墩的滞回曲线更加饱满，呈“弓”形变化趋势，表明其延性变形能力较佳。普通钢筋混凝土试验墩的曲线“捏缩”效应更为显著，纵向配筋率越大，滞回曲线更饱满，承载和变形能力更大。

图3 荷载-墩顶水平位移曲线

通过分析计算，得到了3组试验墩的抗震参数，见表2。

表2 3组试验墩的抗震参数分析结果

从表2中可以看到：试验结果与模型结果相差较小，其中，位移延性指数平均相差4.1%，承载力平均相差6.7%，综合抗震指标相差3.1%。从各组参数对比来看，普通钢筋混凝土试验组的延性变形能力较小，而UHPC试验组的延性达到10以上，为普通钢筋试验组的2倍以上，尽管在周期荷载作用下（试验目的模拟的是地震周期荷载，为了避免误解，笔者改为周期荷载），UHPC试验墩的承载力有所降低，但相对钢筋混凝土墩减小幅度较小。普通钢筋混凝土试验墩的综合抗震指标分别为4.01和6.64，可见，加大配筋率可以增加桥墩的抗震特性，但工程造价成本也会随之增加，而UHPC试验墩的综合抗震指标可以达到普通钢筋试验墩的4倍，即超高性能混凝土双肢薄壁高墩的抗震能力较普通桥墩提升约300%。

3 UHPC桥墩抗震参数设计

3.1 系梁位置的影响

图4 系梁高度对UHPC双肢薄壁墩抗震性能影响

当双肢厚度和间距一定时（双肢厚度为120 mm，间距为238 mm），通过改变系梁距桥墩底部的高度来探讨UHPC双肢薄壁墩的抗震性能，结果见图4。从图4中可以看到：随着系梁高度的逐渐增加，桥墩延性系数和极限荷载值均呈先增大后减小的变化特征，当系梁位于墩高1/2位置时，桥墩的抗震性能最佳。因此，在设计时，建议将超高性能混凝土双肢薄壁高墩的系梁高度设置在墩高1/2处。

3.2 双肢厚度的影响

当系梁高度和双肢间距一定时（系梁高1 660 mm、双肢间距238 mm）,通过改变双肢厚度来探讨UHPC双肢薄壁墩的抗震性能，结果见图5。从图5中可以对比看到：随着双肢墩壁厚度的增加，墩顶的极限承载能力会逐渐增强，但是延性系数却会逐渐降低。当双肢墩的横向宽度不变时，厚度越大，受到的弯矩也会逐渐增加，桥墩的抗推刚度也随之增大。增大壁厚虽然在一定程度上可以提升结构的承载能力，但会降低其变形能力，对抗震效果反而不利。结合分析结果，认为当壁厚处于120～150 mm时，桥墩的抗震性能较佳。

图5 双肢壁厚对UHPC双肢薄壁墩抗震性能影响

3.3 双肢间距的影响

当系梁高度和双肢壁厚一定时（系梁高1 660 mm、双肢壁厚120 mm）,通过改变双肢间距来探讨UHPC双肢薄壁墩的抗震性能，结果见图6。从图6中可以看出：当系梁高度和双肢壁厚一定时，随着双肢间距的增大，延性系数和极限荷载均呈先增大后减小的变化特征，当双肢间距为250 mm时，延性系数和极限荷载达到最大值，表明此时UHPC双肢薄壁墩的抗震性能最佳，当间距超过250 mm后，反而对墩身的抗震性能不利。