预制拼装城市高架桥混凝土桥墩抗震性能研究

陈立安,沈自珍

(1.浙江西城工程设计有限公司，浙江 杭州 310000；2.浙江省交通运输科学研究院，浙江 杭州 311305)

0 引言

高架桥是城市建设中不可或缺的组成部分之一。为了方便桥梁施工，城市高架桥一般选择拼装方式，这种拼装方式与传统的现场钢筋绑扎、砼浇筑的方式不同，是在预制构件厂分别加工桥梁上下结构的组成构件，例如桥梁上部的板梁、箱梁，以及桥梁下部的墩柱、承台等[1-3]。在此基础上，将成形的预制构件运输到施工现场，并按照桥梁的基本结构进行吊装与拼接，形成城市高架桥主体。由此可见，桥梁各个构件的稳固程度直接决定了城市高架桥的稳定性。在诸多桥梁构件中，桥墩是整个桥梁的承重主体，同时也是稳定性要求最高的构件之一[4-6]。现阶段混凝土桥墩是城市高架桥建设的重要用料形式，混凝土桥墩成为城市高架桥的组成部分。

近年来桥墩构件的抗震性能问题已经引起人们的广泛重视，尤其是在地震等自然灾害日益频繁的今天，桥墩的抗震研究工作逐渐成为了国内外桥梁领域的重要课题。从现阶段国内外的研究情况来看，现有的抗震理论无法指导拼装桥墩的实践，且目前国内大多数桥墩抗震性能研究只针对单柱墩，不能满足实际工程中复杂的受力特点，同时，未将桥梁面板和下部墩柱进行连接，因此得出的抗震性能测试结果的参考价值不高[7-8]。为了保证城市高架桥的稳定性与安全性，开展抗震性能分析具有一定的必要性。为此，本文研究预制拼装城市高架桥混凝土桥墩抗震性能，以期为城市高架桥的建设提供数据支持。

1 试验设计

抗震性能试验的设计目的是研究不同类型混凝土桥墩在不同振动作用下的性能区别，由此确定抗震性能试验的测试内容为：混凝土桥墩的滞回性能和耗能能力；测量混凝土桥墩试件上塑性部分的变形与位移情况，并观察桥墩试件的表面破坏程度。

1.1 试件的制作与安装

按照是否有接缝、接缝位置上是否嵌入耗能钢筋为参数，制作实验中使用的混凝土桥墩试件。以某市高架桥为原型，根据一系列规范，设计、制作了桥墩试件。就结构而言，桥墩原型截面尺寸设计为2.5 m×1.7 m，截面配有多根规格为28 mm的钢筋，配筋率1.23%。以1∶4为比例尺制作试件，统一截面尺寸，配箍率设置为1.92%。考虑设备加载空间，抗震性能试验选取墩高3.5 m[9]。沿着弱轴加载，载荷的宽度为0.64 m，剪切比为5.89。桥墩承台尺寸为1.38 m×1.38 m×0.7 m×0.7 m，试件总高度为4.3 m。桥墩试件的具体制作参数如表1所示。

表1 桥墩试件具体参数设置表Table 1 Specific parameter setting of pier test piece试件编号箍筋型号与间距/mm有无接缝接缝处有无耗能钢筋混凝土型号钢管型号预应力钢筋型号连接螺栓纵向主钢筋数量A1Φ8@50无无C40 Q345 & Q235七股钢绞线8.8S级M20高强螺栓18A2Φ8@50有无C40Q345 & Q235七股钢绞线8.8S级M20高强螺栓18A3Φ8@50有有C40Q345 & Q235七股钢绞线8.8S级M20高强螺栓18

将整体混凝土墩台分为几个整体，以限制预制块重量在8 t左右。在承台S1、S2段采用长度为100 mm的无粘结段，其目的是保证耗能钢筋在关键位置上不会产生早期破坏，在桥墩试件的拼装接缝位置上，选择100 mm的聚氯乙烯管作为无粘结段处理材料。在处理过程中，先在处理位置上涂抹黄油，并使用透明胶布将其表面进行包裹处理。然后套上选取的聚氯乙烯管，确保耗能钢筋无粘结段在管道内可自由滑移，实现桥墩试件中耗能钢筋的设置。试件上耗能钢筋无粘结段的处理方式如图1所示。

图1 耗能钢筋无粘结段处理示意图

1.2 高架桥混凝土桥墩有限元结构分析

以桥墩试件的空间结构为依据，分别从纤维、材料和有限元等方面构建混凝土桥墩有限元模型。预制拼装城市高架桥混凝土桥墩主要由5个部分组成，分别为自复位、承重、耗能、抗剪和接头构件[10]，具体的桥墩结构如图2所示，截面图如图3所示。

图2 预制拼装高架桥混凝土桥墩结构图

图3 预制拼装高架桥混凝土桥墩截面图

从结构功能方面来看，自复位构建能够在振动结束后，实现桥墩整体的弹性复位，重新连接各个构件和阶段，尽量让桥墩恢复到初始刚度。在自复位构件的选择上需要选用强度高、弹性抗拉性能材料。通过耗能构件的安装解决拼装桥墩耗能能力比较弱的问题，耗能构件通过拉压变形来消耗能量，使结构更安全、更稳定。所以，可选用延性耗能钢筋、各类减振器等耗能构件。桥墩中的承重构件主要对应的是墩身位置，是承载纵向重力、压力和振动作用下的水平荷载的主要元件，具体表现为钢筋混凝土墩台、组合墩等。纵向主钢筋按照图3所示分布，共16条纵向主钢筋，横向钢筋纵向距离为0.05 m，每一个界面采用12条钢筋，共70个截面，这些钢筋稳固混凝土并增加试件纵向最大应力。另外，接头构件为连接螺栓，作用是连接桥墩上的承重构件和墩台部分。

在此基础上分析构件本身的组成材料，建立相应的材料本构模型。一般情况下高架桥混凝土桥墩由钢筋和混凝土这2种材料混合共同组成，因此在材料模型的构建过程中，需要将钢筋和混凝土各自的材料特性集中体现出来。混凝土纤维的本构模型对纤维模型的正确性有较大的影响。通过修正材料处理后，在外力的作用影响下，混凝土应力-应变关系如图4所示。

图4 混凝土应力-应变关系曲线

图4表示的混凝土应力-应变关系曲线可以用分段函数的形式表示为：

(1)

(2)

式中:ρs和fyh分别为箍筋桥墩混凝土屈服强度和箍筋相对于桥墩混凝土的含量;h″为混凝土板每米宽度；Sh表示箍筋间距。由此可以得出混凝土桥墩结构中钢筋部分的模型变形规则为：

(3)

式中:变量ε*可以表示为：

(4)

式中:σ0、σr、ε0和εr依次表示为钢筋屈服最小应力值和反向点处的应力与应变数值；b和R分别为钢筋的应变硬化率和过渡影响参数。同理可以得出高架桥混凝土桥墩中混凝土材料部分的模型构建结果。最终结合图1表示的桥墩组成结构，以及各个构件之间的作用关系，得出预制拼装城市高架桥混凝土桥墩有限元模型的构建结果。在模型的构建过程中，需要考虑各个元件之间的内部相互作用，由于部分空心元件内部为不规则形状，因此，在网格划分工作中，需要利用多面体扫描方式，定义网格的划分单元为100。在完成混凝土节段模型构建后，建立钢筋骨架模型，并对其进行嵌入。基座和加载端都是解析刚体，所以混凝土墩台与节段以刚体-柔体的形式接触。通过有限元模型的建立方便桥墩变形量的精准测量。

1.3 选取地震波

对混凝土桥墩进行抗震性能研究时，振动波的选取对结构的动力时程响应有直接的影响。选择合理的振动波，保证结构响应分析结果的可靠性。此次试验研究中选择远断层地震动和近断层地震动作为试验的2组地震波，其中，近断层地震波主要由TCU051、TCU054、TCU052、TCU068等脉冲组成。选择的地震波样本时程变化特征如图5所示。

图5 地震波形图

1.4 确定振动加载方案

为了还原地震的荷载作用特性，采用循环荷载加载的方式，通过反复循环荷载试验，控制结构荷载或变形量，使结构反复加载和卸载过程。按照静力试验的要求，对桥墩试件水平方向加载进行了100 t电液伺服加载，并用6根高强度螺栓将盖梁和执行机构设备固定保证连接的牢固性。为了加强承台与地槽的连接，在承台负荷端上各设置一根压梁，并通过地锚连接压梁与地锚。设计并安装好的振动加载装置如图6所示。

图6 加载装置示意图

在考虑实验目的、试件结构等多种因素的前提下，确定振动加载方案。载荷的作用可以分为2个阶段，分别为预载荷和正式载荷。预载荷能够有效确保试件和地面的接触程度，避免出现试件底面放置不稳而产生的移动，间接的影响抗震性能的测试结果。预加载阶段结束后，进入正式加载阶段，按照相同的加载方式继续施加垂直轴力，轴力按每级200 kN逐级加载到800 kN，然后将轴力降至设计值700 kN。利用图6表示的加载装置，确定具体的水平振动加载方案，如表2所示。

表2 水平振动加载方案Table 2 Horizontal vibration loading scheme加载次数加载侧移率循环次数1±1.00%(13.6 mm)、±1.50%(20.4 mm)12±2.00%(27.2 mm)、±2.50%(34.5 mm)33±3.00%(40.8 mm)、±4.00%(54.4 mm)2

1.5 高架桥混凝土桥墩受力分析

以构建的混凝土桥墩试件模型为基础，分析其在振动荷载作用下的受力情况，可以将横向振动作用下桥墩的受力分成3个阶段，如图7所示。

(a) 阶段1 (b) 阶段2 (c) 阶段3

图7中(a)为底端偏心受压阶段，此时中性轴宽度与截面宽度相等；(b)和(c)均为刚性旋转阶段， 但在(b)状态下中性轴宽度为截面宽度的二分之一，而(c)状态中心轴宽度进一步减少[11-12]。另外图7中的参数F和P分别为横向振动作用力和垂直静态荷载，而Fsi为初始预应力。预应力在前2个阶段不变，在第3阶段被增加至Fsi+ΔFsi。当侧向振动增加时，由于拉伸产生的裂缝从柱子底部的一侧开始向底端中部移动。这时试件墩身进入(b)阶段，开始产生明显的非线性变形。预应力随着轴心宽度的持续减小，预应力筋被拉伸，预应力增大。由于侧向振动作用力呈波动变化，因此预应力钢筋在振动过程中的应力值不断变化。

1.6 描述抗震性能测试过程

在桥墩试件顶部两侧安装2个大型的位移测量仪，分别从测量水平位移量和拉线位移，其目的是保证数据测量的准确性。其中1台位移计测量，另1台作备用，通过千斤顶的传感器对混凝土桥墩水平位移进行测量。采用位移计测量沿墩身高度分别为650、1 150、1 600 mm的水平位移，实现沿墩身水平位移的测量。同理在竖直方向布置测点，测量墩身高度曲率的变化。曲率的测量无法通过读取设备数据直接得出，但可以通过百分表的位移变化公式来计算，下面就简单介绍一下曲率的测量过程。当墩受弯时，在墩身的一边受拉，另一边受压，分别产生拉力变形和压缩变形，由此测得的截面转角可以用：

(5)

式中:变量h1和h2表示的是由于转动产生的位移;L1和L2为测点与墩身之间的距离；D为桥墩试件的底边长度。由此可得塑性铰区高度H范围内的平均曲率为：

(6)

将式(5)的结果代入式(6)中，获取曲率测量结果平均值。综合各个测点的量化测试数据，推断出预制拼装城市高架桥混凝土桥墩的抗震性能[13]。

2 描述预制拼装城市高架桥混凝土桥墩抗震现象

在对高架桥混凝土桥墩进行振动加载试验过程中，对实时产生的现象进行描述，具体包括桥墩表面是否出现裂缝、裂缝的位置、宽度变化情况、裂缝发生的全过程，以及时间的最终破坏形态等。以A1试件为例，在整个振动波加载过程中，试件表面的破坏变化情况如图8所示。

(a) 侧移率为1%

在A1试件上施加的侧向力为1%，即第一级损伤等级为1级，柱顶水平荷载为286 kN，桥墩底部承台出现微小裂缝，裂缝倾斜方向为45°，但振动波卸载后会出现重新封闭现象。侧移率为1.5%～3%时，此时试件的损伤等级达到二级，试件内出现多条弯曲裂缝，部分呈贯穿状，裂隙之间的平均间隔约10 cm左右。当水平振动波强度进一步增大时，桥墩底部和顶部出现轻微鼓曲，漆皮略有脱落。当侧移率为7%时，试件顶部出现严重的撕裂现象，且撕裂范围已经延伸到柱中间，柱底和承台之间的接缝完全脱开。试验后，清除混凝土塑性铰区保护层，可得出试件破坏的最终状态。按照这种方式可以得出试验中准备的其他3个混凝土桥墩试件，在不同强度地震波作用下的破坏情况。

3 高架桥混凝土桥墩抗震性能试验结果分析

根据设置的试验目的和测试内容，分别从混凝土桥墩的滞回性能、耗能能力,以及破坏形态等方面，得出最终抗震性能试验结果。其中滞回性能可以通过构建荷载-位移曲线直接得出。滞回曲线可以分为梭形、弓形、反s形和Z形4种形态，其中梭形曲线说明对应时间的滞回性能更优，即整个结构的变形能力较强。耗能能力反映的是试件在振动过程中吸收能量的能力，可用滞回曲线围成的面积量化表示，面积越大证明耗能能力越强。破坏形态可以通过观察直接得出结论，在破坏范围较小的情况下，可以通过观察桥墩试件对应的有限元模型的变化情况得到精细的对比结果。

通过相关数据的统计，利用式(7)可以计算出在不同的地震波荷载作用下试件水平位置的变化量。 Δ=Δy+φpLp(L-0.5Lp)

(7)

式中:Δy表示的是桥墩试件达到屈服时对应试件结构等效质心发生的水平位移量;φp和Lp为等效塑性铰区内分布的塑性曲率和纵向滑移量;L表示的是试件结构的等效质心与桥墩底面之间的纵向距离。将相关数据代入到式(7)中，并得出抗震性能的测试结果，如表3所示。

从表3中可以看出，在相同的地震波作用下，A3试件的屈服位移和峰值位移更小，即该试件的滞回性能存在明显优势。对每一次加载过程中墩顶位移与加载每一步的计算结果进行汇总，绘制出荷载-位移曲线，如图9所示。

表3 混凝土桥墩试件水平荷载与位移量测试数据表Table 3 Test data of horizontal load and displacement of concrete pier specimens试件编号地震波加载方向屈服位移/mm峰值位移/mmA1推13.4638.07拉14.7739.88A2推13.9427.33拉14.0630.04A3推11.0330.15拉9.8021.79

(a) A1试件

从图9中可以看出，试件A3对应的滞回曲线呈梭形，且组成的曲线面积更大，由此证明A3试件的抗震性能更优。另外从破坏程度方面来看，3个桥墩试件对应的有限元损伤图像如图10所示。

图10 混凝土桥墩试件破坏程度测试结果

图10反映了在地震波偏转角为4%时混凝土墩试件的受压破坏，此时A3试件和A1试件的破坏区域基本一致，保护层混凝土存在小部分的严重损伤。每一试件核心区内的混凝土均受箍筋约束，外层破坏程度高，轴向无法继续承载。A3试件的损伤范围最小，均为三角形，且具有一定的轴向承载能力。综上所述，从滞回性能、耗能能力和破坏形态的测试结果中可以看出，A3试件也就是接缝处有耗能钢筋的抗震性能更优。

4 结束语

预制拼装城市高架桥由于具有工作难度小、建设速度快等优势被广泛地应用到城市的桥梁建设工作中。通过试验研究发现桥墩的破坏大多发生在墩柱底部，具体表现为大偏心受压破坏，且在外部振动作用下显得尤其明显。从抗震性能的测试结果中可以看出，在预制拼装高架桥的接缝位置上嵌入一个耗能钢筋，可以在一定程度上提升桥墩的抗震性能。此次试验中主要设置的振动波为地震波，但在实际的桥梁应用中所受到更多的是车辆行驶所形成的振动，在未来的研究工作中需要针对这一方向继续研究。