装配式桥墩连接形式抗震性能研究进展

袁万城 钟海强 党新志 邓小伟

(1同济大学土木工程防灾国家重点实验室, 上海 200092)(2同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司, 上海 200092)

装配式结构具有施工质量高、施工周期短、环境污染以及耗能小等优点,符合“绿色建造”的理念,是我国建筑结构的发展趋势.在桥梁领域,上部结构的节段拼装技术已经颇为成熟,下部结构尤其是桥墩也在近年来从现场施工为主逐步过渡到装配化施工,但主要应用仍集中在非震区和低震区.国外在这方面的研究和应用起步较早,美国于1955年首次采用预制墩柱承台建成Pontchartrain桥,日本岩手县在20世纪70年代建成了预制预应力拼装的铁路桥.我国在跨海大桥引桥、城市高架桥等桥梁建设中也开始逐渐采用装配式桥墩,如东海大桥、杭州湾大桥、港珠澳大桥、上海S6公路工程等.

然而,装配式结构的整体性较差,抗震性能弱于整体现浇结构,水平力作用下容易在预制构件之间形成贯通裂缝,并使得相邻构件相互错位甚至倒塌,如预制板结构在唐山、汶川等地震中均出现了大面积破坏,造成了巨大的生命和财产损失[1].装配式桥墩同样存在节段拼装接缝在水平力作用下容易张开、整体性和变形能力差的问题,而且抗震性能的相关研究依旧存在不足,破坏状态、设计方法等都尚未有系统的结论,因此一般只能应用在低震区,中、高震区则受限.为此,国内外学者开展了一系列的模型试验和数值试验,分析了装配式桥墩的易损部位和破坏模式,提出了多种改进方式并取得了较好的效果.然而,目前装配式桥墩的连接形式种类繁多,抗震性能各不相同,缺少系统的分类.用于性能提升的手段和用于抗震分析的方法虽在不断进步,但缺少总结.在装配式桥墩研究中,缺少桥梁体系层面的抗震性能分析,缺乏基于桥梁全寿命周期的抗震设计方法,未能结合装配式结构天然特点以满足韧性抗震理念的需求.

鉴于此,本文根据抗震性能的区别将国内外装配式桥墩的连接形式分为等同现浇(emulative connection)体系和非等同现浇(non-emulative connection)体系.通过已有工程实例和施工特点,对不同连接形式的桥墩抗震性能(如滞回耗能能力、残余位移等)进行对比.采用现有的抗震性能提升手段分析,探讨将高性能材料、新连接装置和混合体系应用于桥墩时的优势与不足,并将研究方法区分为理论分析、模型试验和数值模拟3类,进行梳理总结.最后,提出进一步推广装配式桥墩应用所面临的由体系层面分析、全寿命周期设计、韧性理念要求带来的挑战,指出研究方向,为国内外装配式桥墩研究与应用提供参考和借鉴.

1 装配式桥墩连接形式分类及应用

装配式桥墩连接包括墩身节段之间、桥墩与承台之间、桥墩与盖梁之间的连接.根据装配式桥墩的滞回曲线、破坏模式等抗震性能,将不同连接形式的桥墩体系分为等同现浇体系和非等同现浇体系,并介绍相应的施工特点、工程实例和抗震性能.

1.1 等同现浇体系

等同现浇体系是指通过可靠的节段连接来保证桥墩塑性铰充分发展的桥墩抗震体系,该体系的抗震性能与整体现浇体系相当.其特点为：滞回曲线较为饱满,一般呈梭形和弓形(见图1(a)和(b)),耗能能力强,残余位移大；最终破坏一般为墩顶、墩底塑性铰区域的弯曲破坏,如保护层混凝土脱落、核心混凝土压碎,纵筋屈曲,箍筋外鼓拉断等,屈服后承载力能够在一定位移范围内基本保持不变,延性较好.如果节段连接处桥墩截面受到连接装置的削弱,接缝处抗剪能力减小,则容易出现剪切滑移,滞回曲线捏拢明显,形状向反S形和Z形(见图1(c)和(d))转变,耗能能力减弱,残余位移增大,而且往往具有不对称性.等同现浇体系的连接形式主要包括现浇湿接缝连接、预留槽式连接、承插式连接、灌浆套筒连接、灌浆波纹管连接等.

(a) 梭形

现浇湿接缝连接是指在接缝两端预埋主筋并通过搭接等方式连接,现场浇筑混凝土形成湿接缝完成连接.其特点为：存在大量的现场作业量,需要布置钢筋笼,精度要求低.现浇湿接缝连接多用于墩柱底部与承台的连接,典型构造与工程应用见图2.该连接方式整体性好,施工质量得到保证时抗震性能与整体现浇体系最为接近,而且符合传统的施工习惯,应用较广[2].Kim等[3]将预制桥墩节段之间和节段内部均通过现浇连接,发现该桥墩滞回环呈弓形,破坏模式为混凝土剥落、纵筋屈曲.

(a) 构造

预留槽式连接又称口袋连接,是指在承台或盖梁内预留槽孔,桥墩两端预留纵筋并插入该槽孔中,在桥墩安装就位后灌注混凝土或者高强砂浆完成连接,通常还会在槽孔处预埋大直径的波纹管,增加新老混凝土的相互作用.承插式连接是指将预制墩身嵌入到承台或者盖梁的预留孔洞或者承台的钢筋笼中,底部铺设高强水泥砂浆,四周填充混凝土完成连接.两者的构造示意图和工程实例照片分别见图3和图4.预留槽孔连接可以降低施工精度要求,减少现场作业量,但应用在墩顶时需要为盖梁提供临时支撑,槽孔的存在还会影响钢筋的布置.承插式连接没有钢筋穿过墩柱与盖梁或承台之间的界面,故能进一步减少现场作业.与整体现浇桥墩相比,预留槽式连接和承插式连接分别能降低约42%和75%的现场工作量[4].

(a) 构造

(a) 构造

预留槽式连接的钢筋搭接长度和承插式连接的桥墩埋深决定了槽孔深度,对装配式桥墩抗震性能的影响较大.当孔深与墩宽或墩身直径的比值为0.7～1.2时,基本能够避免连接处提前破坏.提高配筋和设置剪力键能够进一步提高变形和耗能能力.桥墩滞回曲线多呈饱满的弓形或者反S形,抗震性能与现浇桥墩相当[5-10].

灌浆套筒连接是指将钢筋由两端分别插入高强套筒,向套筒内灌注高强灌浆料,使得钢筋和套筒牢固结合完成连接,可以用于桥墩节段之间、墩顶与盖梁之间、墩底与承台之间3个连接位置处.墩顶或墩底的接触面一般采用高强砂浆垫层,墩身节段采用环氧砂浆胶接缝.灌浆波纹管连接是指桥墩预埋纵向钢筋并伸入预埋在承台或盖梁内的波纹管中,在接缝处铺设高强砂浆,就位后灌浆完成连接.这2种连接的构造示意图与工程实例照片分别见图5和图6.灌浆套筒施工速度较快,精度要求高,套筒内灌浆密实度直接影响桥墩的受力性能.灌浆波纹管的精度要求相对较低,纵筋搭接更加充分,整体性更好,但需要更充分的搭接长度以及更高的盖梁高度,而且墩柱外伸钢筋更长,运输难度更大.

(a) 构造

(a) 构造

灌浆套筒和波纹管连接的预制桥墩变形均主要集中在接缝处,墩身损伤较小,滞回曲线多呈弓形和反S形[13-14].灌浆套筒连接桥墩的位移能力等性能指标弱于现浇试件,可以通过将套筒预埋在承台内部以及增强塑性铰区配箍的方法来改善桥墩的延性和耗能能力,通过提高纵筋强度来增加桥墩的极限强度[11,15-16].增大套筒的直径和长度会增加套筒的刚性长度,造成接缝处钢筋过早拔出,轴压比较小时更为不利[12,17-18].灌浆波纹管连接桥墩的性能基本能达到整体现浇水平,连接强度与管道尺寸、混凝土和灌浆强度有关[19-20].除了上述常见的连接形式,近年来学者们还对机械套筒连接、法兰盘连接、螺栓连接、管栓连接等连接形式开展了分析(见图7).这些预制柱的破坏模式、耗能能力等性能与整体现浇体系接近,但塑性铰均存在上移现象,位移延性下降,滞回曲线多呈反S形和Z形[21-24].

(a) 机械套筒[21]

1.2 非等同现浇体系

节段接缝容易张开、闭合,满足摇摆体系需要设置摇摆界面的要求.因此,可以将墩底接缝设置为摇摆界面隔离地震能量输入,形成非等同现浇体系.桥墩在预应力和自重作用下具有自复位能力,力学行为见图8,滞回曲线呈倒Z形或旗帜形.与等同现浇体系相比,非等同现浇体系的变形主要依赖于接缝张开引起的刚体转动,残余位移由接缝塑性变形导致,墩身基本保持弹性,残余位移小,不加入额外耗能元件时几乎没有耗能能力.

(a) 体系构造

非等同现浇体系一般采用无黏结后张预应力连接,要求在墩身、盖梁和承台中预留孔道,节段就位后,将预应力筋穿过孔道,并在两端张拉锚固,将桥墩、盖梁、承台整体连接.预应力筋可以采用高强精轧螺纹钢筋或高强钢绞线.高强螺纹钢筋一般为直束,两端分别锚固于盖梁和承台处,钢绞线可以采用U形锚固在盖梁上.精轧螺纹钢筋在承台处锚固工艺复杂,钢绞线对弯曲半径要求高,且墩身需额外配筋,施工难度大、成本高.预应力损失会极大程度降低桥墩的力学性能,耐久性差.目前后张预应力连接多用于非震区,构造示意图与工程实例照片见图9.

(a) 构造

无黏结后张预应力连接的预制节段桥墩接缝处曲率发展迅速,变形集中于墩底[25-26],但受损程度较现浇体系低.根据是否设置耗能装置和预应力筋,滞回曲线分别呈现不饱满的倒Z形和饱满的旗帜形特征.Mashal等[27]将无黏结后张预应力连接和外置耗能应用于新西兰Wigram-Magda桥,在2016年7.8级震级的Kaikoura地震中所在地900多座桥受到损伤,而该桥则完好如初.有黏结预应力连接的桥墩具有更大的刚度、强度、耗能能力和残余变形,但滞回环捏拢严重,呈Z形,灌浆料的握裹可能使预应力筋提前屈服,导致预应力严重损失,采用高强螺纹钢筋时更为明显,可以通过部分脱黏的方法予以改善[28-31].分散布置预应力筋可以提高桥墩的承载性能和自复位能力,但耗能能力减弱,边缘预应力筋容易屈服[32].采用耗能钢筋能够减小接缝曲率,抑制接缝张开,提高桥墩的强度、刚度和耗能能力[33],通过提高钢筋强度以及采用脱黏处理避免应力集中的方式都可以改善接缝处塑性变形,进一步提高桥墩变形和耗能能力,减小残余位移[34-35].

1.3 装配式桥墩体系对比

为更直观地展示并对比已有装配式桥墩连接形式的特点,图10给出了不同连接形式装配式桥墩的破坏模式.6种常见连接形式的施工特点、抗震性能及工程实例见表1.不同体系的抗震性能、设计施工、运营维护对比见表2.实际应用时,应综合考虑影响因素,选择合适的连接形式.如跨海桥梁的现场作业限制小而耐久性要求高,可以选择现浇湿接缝连接；城市桥梁的环境和工期要求严格,可以分别选择套筒或波纹管连接；高烈度区更注重抗震性能和震后修复,可以选择后张预应力连接.

(a) 湿接缝[3]

表1 常见连接形式的施工特点和抗震性能

表2 装配式桥墩体系对比

2 装配式桥墩抗震性能提升方法

除了对不同连接形式的装配式桥墩开展抗震性能验证和影响因素探究以外,国内外学者还致力于将高性能材料和新型连接装置应用到桥墩上,或结合不同桥墩连接形式的优势形成混合抗震体系,从而提升装配式桥墩的抗震性能.下面对现有的性能提升方法进行系统梳理.

2.1 高性能材料应用

装配式桥墩变形主要集中在接缝附近,该处受力极为不利.采用常规的钢筋混凝土材料容易造成过早发生混凝土压溃或者钢筋屈曲、断裂现象.在钢筋搭接区域混凝土强度不够时,存在钢筋由于握裹力不足而提前发生拔出破坏的风险.此外,桥墩构件在施工和运输过程中可能承受拉力(如吊装)而出现早期开裂损伤,在运营过程中也可能发生钢筋锈蚀,从而降低桥墩的力学性能.针对上述问题,学者们将高性能材料应用到关键部位以避免局部失效,从而改善整个桥墩的抗震性能.这些高性能材料包括工程水泥复合材料(engineered cementitious composites, ECC)、超高性能混凝土(ultra high performance concrete, UHPC)、纤维增强聚合物(fiber-reinforced polymer, FRP)、形状记忆合金(shape memory alloy, SMA)等.

ECC的抗拉强度高、韧性好,应用在预制节段之间的灌浆连接时可以避免连接受拉损伤失效[8],应用在塑性铰区时能够明显减少混凝土剥落,防止钢筋屈曲和刚度退化,显著提升承载、变形和耗能能力,但并不影响裂缝发展[36-37].UHPC的抗压和抗拉强度都较高,用作灌浆料可以提高黏结强度,避免连接处混凝土压坏,而且钢筋锚固长度或墩身承插深度均随黏结强度的提高而减小,桥墩滞回曲线多呈弓形,塑性铰区在连接段以外的墩身发展,可以通过增强墩身配箍来增大变形能力[6,38-41].此外,将UHPC用于墩底节段能够大幅减小摇摆接缝处损伤和残余位移,不需要额外布置钢筋就能形成旗帜形滞回[42].FRP的抗拉强度高,SMA具有自复位能力,两者都能改善预应力筋[7]或耗能钢筋[43-45]屈服后塑性变形、残余变形大的问题.FRP还能替代钢管包裹在预制节段墩柱的外部以减小混凝土损伤[46-47].采用上述高性能材料加固后的桥墩塑性铰区破坏如图11所示.

(a) ECC[8]

高性能材料的应用能够避免连接处受力集中破坏或减小筋材塑性变形,从而优化桥墩整体响应,且仅应用在局部并不一定会明显增加造价.然而,新型材料的本构关系、与传统材料的黏结性能、最优材料应用量等仍需进一步深入研究.

2.2 节段接缝连接装置的优化

除了应用高性能材料,学者们还通过优化节段接缝处的连接装置来提高桥墩的抗震性能和可施工性.为了减小钢筋在连接装置中的滑移和拔出、避免装置与混凝土黏结失效,郑永峰等[48-50]通过在灌浆套筒和波纹管内部设置凸环肋、楔块以及在外壁增加环状凹槽等方式,提高连接装置与钢筋、混凝土之间的黏结强度和承载能力,减小锚固长度,减缓刚度退化,改进后滞回曲线多呈弓形.为了改善节点受力,Guerrini等[51]在预应力筋锚固处设置橡胶或聚丙烯垫层,以降低预应力体系刚度,避免应力集中,提高变形能力；杜青等[52-54]在节段交界面上加入钢管、芯榫以提供抗剪能力,并额外内置弹性垫块,减小局部混凝土损伤,滞回曲线多呈反S形.针对耗能装置震后需要快速更换的问题,学者们采用可更换UHPC板以及钢板等方便替换的外置耗能装置来提高桥墩的承载力和耗能能力[47,55-56].相关装置的构造示意见图12.

(a) 变形钢管灌浆套筒[48]

采用新型连接装置、节点改善装置能够优化节段接缝处的受力,避免节段处连接失效、变形过大,外置耗能装置方便检修替换,已应用于工程实际中[27,55].然而,上述新型装置的推广仍面临设计方法不统一、加工和安装工艺不成熟、特殊环境下金属的耐久性不足等问题,还需要进行深入研究.

2.3 混合体系

等同现浇体系的整体性和耗能能力较好,非等同现浇体系则具有独特的自复位能力.将这2种装配式桥墩体系变形机制相结合,便可形成混合体系.为了增强墩底塑性变形能力,Zhang等[57-58]将桥墩底部与承台现浇形成整体,在桥墩上部采用节段拼装,并施加预应力形成混合体系,墩底塑性铰充分发展,滞回曲线呈反S形和旗帜形,下部结构采用UHPC时能进一步提高位移能力.Mohebbi等[7,59-60]将后张预应力分别与承插式连接、灌浆套筒连接结合,提高开裂荷载和屈服荷载,并获得自复位能力,滞回曲线向旗帜形转变.

墩底节段采用现浇与承台形成整体,可以避开墩底接缝对塑性铰发展的不利影响.将预应力应用到等同现浇体系中形成混合体系,能够有效提高装配式桥墩的自复位能力,明显改善抗震性能.然而,混合体系又同时存在2种体系各自的问题,如塑性铰维修困难、采用预应力筋会提高施工和维护等方面的操作难度等,在实际应用时应当充分权衡利弊.

3 装配式桥墩抗震性能研究方法

装配式桥墩抗震性能研究方法分为理论分析、模型试验及数值模拟.在地震作用下装配式桥墩的力学行为具有明显的非线性特征,直接开展理论分析难度较大,近年来学者们致力于提出简化模型,推导理论公式,为设计提供参考.例如,将等同现浇体系不同连接形式均简化成集中塑性铰,将双柱墩简化成墩高为反弯点至墩底的单柱墩,对塑性铰长度、转动角度等进行修正得到理论公式[61-62],将承插桥墩类比为嵌岩桩以确定最小的承插深度[9].对于非等同现浇体系,一般要求桥墩处于弹性阶段,因此可基于刚体假设开展理论分析[58,63],将墩底截面边缘混凝土消压,将耗能钢筋屈服作为力学行为临界点；然而,忽略钢筋黏结滑移和摇摆节点损伤等非线性因素会引起较大的误差.

模型试验是最能够真实反映装配式桥墩力学性能的方法.根据试验对象层次可以分为装置、构件、体系,根据试验方法可以分为拔出试验、拟静力试验、拟动力试验和振动台试验,根据加载方向可以分为单向和多向.其中,文献[18,50]中的连接装置轴向拔出试验和文献[5,47]中的构件单向拟静力试验最为常见,文献[7,26]中的振动台试验也逐渐增多,试验结果能够确定钢筋的搭接和锚固长度,得到桥墩骨架曲线、滞回曲线和破坏模式.然而,最常用的单向拟静力试验无法考虑动力因素以及来自另一方向的耦合效应,实际地震则多数与桥梁呈一定角度输入,因此试验结果难以反映真实响应.鉴于此,近年来装配式桥墩试验方法朝着多向加载发展,如双向拟静力试验、多向振动台试验等.双向拟静力试验可用于研究加载路径对桥墩性能的影响,桥墩在双向荷载耦合作用下水平承载力和极限位移均减小[64],损伤更加严重,得到的弯矩能力更能校核节段拼装墩的极限承载能力[65].多向振动台试验能够探究近断层地震对桥墩性能的影响,竖向地震动会造成轴力变化,削弱桥墩能力并增大响应,而三向输入或非一致激励则会使桥墩响应减小[66-67].此外,子结构拟动力试验既能够反应地震动特性,又能对单个构件进行加载,放宽对缩尺比的要求[68],但在装配式桥墩上应用较少,值得推广使用.

数值模拟分析一般先基于试验数据进行模型校核,然后对建立的模型进行参数分析.常见的数值模型包括纤维模型和实体模型.以典型的非等同现浇装配式桥墩为例,常用模型见图13.纤维模型基于开源有限元软件OpenSees,将截面划分为若干层纤维,相较于塑性铰单元,能够更真实地反映截面屈服过程,而且考虑了动轴力的影响,计算速度快,拟合效果好.近年来,模型建立的方法也得到了快速发展,如采用素混凝土截面、零长度不受拉弹簧、零长度转动弹簧来模拟接缝[51,63,69],采用不受拉弹簧模拟灌浆料[9],采用修正的钢筋应力应变来模拟钢筋黏结滑移[70],采用大直径钢筋模拟墩身内的套筒[11].实体模型通常基于ANSYS、ABAQUS等大型通用有限元软件,需要设置准确的材料特性、边界约束等,结果能够直观反映应力应变分布,判断损伤位置和破坏模式,但计算量较大,在需要精确分析桥墩应力分布以探究新型装置力学性能[22]、验证新材料模型[70]等情况下具有显著优势.数值模型的精度与很多因素有关,计算结果未必在每个加载步都能与试验结果吻合良好,校核时应当更关注桥墩力学行为、损伤发展过程与实际试验结果是否一致.

(a) 纤维模型

4 发展前景与展望

通过对不同连接形式的装配式桥墩抗震性能开展深入研究,揭示了装配式桥墩的力学机理和抗震能力,部分成果已经应用于实际工程中.然而,装配式桥墩的进一步推广应用还存在一定问题.

4.1 体系层面的需求分析

抗震设计的最终目标是满足需求与能力的平衡关系.目前研究多数集中于局部构造和构件,仅对桥墩构件进行分析,着眼于整个桥梁体系层面的研究较少,无法全面反映桥墩的需求,造成桥墩的能力既可能过分保守,也可能不够安全.

4.1.1 基于体系构件的地震损伤转移

除桥墩外,其他桥梁构件(如伸缩缝、挡块等)在地震作用下也可能发生损伤和破坏.目前,对装配式桥墩的研究只针对桥墩自身,未能考虑地震作用下预制桥墩与体系其他构件之间的相互影响.Zhao等[71]通过有限元模型分析发现,相较于整体现浇体系,装配式桥墩桥梁的桥面振动更为剧烈,桥墩进入塑性后主梁之间的碰撞次数更多,主梁碰撞对桥墩峰值响应具有一定的改善作用；然而,该方面的研究相对较少,需要进行深入分析以得到更准确更全面的结论.另一方面,从抗震体系分类来看,只有延性体系才会对装配式桥墩自身的极限变形能力、耗能能力等抗震性能有较高的要求.减隔震体系的损伤主要集中在减隔震装置,对桥墩的性能需求可以大幅减小,而且震后维修方便,非常适合装配式桥墩体系,相关应用集中在增大结构阻尼方面,如设置外置耗能装置[47,55-56].支座支承原本就是装配式上部结构(如小箱梁、T梁等)的必要条件,可以释放温度变形,更符合设计习惯,采用减隔震支座(如铅芯橡胶支座)能够有效减小预制拼装桥墩桥梁在地震下的主梁位移和桥墩内力[72],但相关研究较少.因此,如何将桥梁体系的性能需求合理分配给各个构件需要进行深入研究.

4.1.2 基于体系荷载的多灾害风险评估

我国正处于经济快速发展的阶段,道路车流量的增长速度相当可观,车辆荷载的作用值和作用时间都显著增加,在地震过程中桥梁上仍有车辆通行已经不是小概率事件.此外,车辆超载的频率也有所增加.近年来发生了如哈尔滨阳明滩大桥匝道桥等多起重车偏载引起的桥梁倾覆事故.位于交通主干线的桥梁需要将车辆荷载视作常态并纳入抗震分析中的一部分,甚至还需要考虑超载偏载的情形.现有装配式桥墩试验和分析集中于针对单墩水平方向的加载分析,车辆荷载往往与上部结构恒载一起简化为竖向力或质量块,甚至不予考虑.一方面,车辆可以发挥类似质量调谐阻尼器的作用,减小桥墩响应[73],车辆荷载也增大了桥墩的轴压比和屈服荷载；另一方面,车辆偏载会给桥墩带来初始的偏心力矩,装配式桥墩的墩身接缝容易张开,桥墩更容易屈服.更重要的是,地震作用下摇摆桥墩存在侧倾失效的风险[74],车辆偏载对此可能有加剧作用.车辆荷载对桥墩性能需求的影响、对桥墩在地震作用下真实破坏模式的改变等相关方面的研究较为缺乏.

此外,桥梁还可能会遭遇如车辆碰撞、爆炸、火灾等其他偶然作用.这些灾害既可能先对桥墩造成损伤并削弱其抗震能力,也可能与地震共同作用增大桥墩性能需求,如地震时车辆无法正常行驶而发生碰撞、引发爆炸和火灾等极端情形.装配式桥墩桥梁和整体桥墩桥梁受到的影响并不相同.例如,前者在车辆撞击下位移响应更大,残余变形也存在区别[75].是否能够考虑多灾害耦合作用,对装配式桥墩桥梁体系进行更高层次的风险评估是值得深入探讨的问题之一.

4.2 装配式桥梁全寿命周期的抗震设计

桥梁的服役年限较长,性能并非保持不变.近年来,学者们致力于实现桥梁全寿命周期设计研究,装配式桥梁体系也应当被纳入研究范畴.装配式桥梁的全寿命周期包括设计、施工、运营、管养、维修、拆除、再利用,可以划分为2个主要阶段：从决策到成桥的实施阶段以及从成桥到拆除的运维阶段.抗震设计也应当满足相应的要求.

4.2.1 标准化的设计方法

在实施阶段,装配式桥墩桥梁缺乏统一、成熟的抗震设计方法.我国的桥梁抗震规范仅能指导现浇体系,并不完全适用于装配式桥墩桥梁.等同现浇体系在一定程度上可以参考延性体系进行设计,但前提是能够保证接缝连接的可靠性.Tazarv等[20,41]提出了基于试验的保证连接强度的设计方法,但桥墩承插深度、钢筋锚固长度等关键参数并没有统一定论.针对非等同现浇体系的研究仍停留在理论分析和性能验证阶段,设计方法尚未成熟,存在摇摆弹簧等参数不一致的问题.真正将其作为抗震体系进行设计的仅有针对性较强的试点桥梁如新西兰Wigram-Magda桥[27].具体的接缝构造、耗能装置设计等还需进一步完善,才能实现推广应用.

4.2.2 耐久性的检修维护

在运维阶段,装配式桥墩桥梁需要考虑材料性能退化和结构损伤对抗震性能的影响.目前,不同连接形式的装配式桥墩抗震性能研究均只针对初始成桥阶段.桥墩性能并非一成不变,在碳化、氯离子侵蚀等环境作用下材料会发生劣化,在车辆、地震、火灾等荷载作用下结构会发生损伤,相关研究较为缺乏.装配式桥墩由于存在贯穿截面的天然接缝,容易受到环境侵蚀,金属耗能装置腐蚀会造成耗能效果、最大变形能力明显下降[76],钢筋的腐蚀会明显降低预制桥墩的变形能力和强度[77].此外,即使在正常使用状态下,钢筋混凝土也存在徐变和松弛现象,都会对桥墩的抗震性能造成影响.因此,首先应当做好装配式桥墩的防腐工作,特别是暴露在空气中的外置耗能装置；其次,应定期检测钢筋锈蚀程度、预应力水平等关键指标,必要时可以应用桥梁健康监测系统进行实时监测,在设计阶段决定检测方法并预留相应的操作空间；最后,应针对装配式桥墩在劣化和损伤后的抗震性能开展研究,确定更换维修的部位和临界退化指标,并制定相应的维修策略.

4.3 基于韧性抗震理念的桥墩性能要求

社会对城市抗震要求不断提高,韧性抗震的理念也随之而来.韧性是指系统在受到外界扰动后的抵抗、恢复和适应能力[2],体现在以下2个方面：① 提高抗震性能避免破坏；② 震后快速修复.目前的桥梁韧性抗震主要针对整体现浇体系,需要深入研究如何结合装配式桥墩的天然特点来实现韧性抗震的2个要求.

4.3.1 基于连接特点的新型减震手段

与现浇结构相比,装配式结构的最大特点是存在节段接缝.节段接缝会导致装配式桥墩整体性不如现浇桥墩,但又为摇摆体系提供了天然的摇摆界面.为了充分利用节段接缝并避免摇摆过程中的混凝土损伤,Sideris等[66]在桥墩预制节段间设置了滑动接缝,接缝处的摇摆和滑动提供隔震和耗能能力,并由后张预应力实现震后自复位功能；ElGawady等[78-79]在节段接缝中插入橡胶垫块,以降低桥墩的初始刚度和地震力需求,进一步提高位移能力,并减小桥墩的损伤和残余位移；赵建锋等[72]将墩底接缝的弹性橡胶垫层替换为铅芯支座,从而增大了耗能能力.刘世佳等[80]发现将减隔震支座放于墩身中间可以更有效地改善山区高墩和非等墩高桥梁的受力,而节段拼装桥墩正好能够提供放置支座的接缝.对于等同现浇体系,节段接缝之间存在套筒等连接装置.这些装置通常作为保护构件不允许发生损伤和破坏,强度和刚度较大,影响塑性铰发展并减小了桥墩的变形能力[17].如果能够将这些装置设置成减隔震装置,保证正常使用状态刚度需求的前提下,允许在地震中屈服并保证快速维修,同样可以改善桥墩受力.合理应用节段接缝和连接装置来提高装配式桥墩的抗震性能具有重大研究意义,目前相关方面的研究较为缺乏.

4.3.2 模块化的快速修复

快速修复是韧性抗震理念的关键.等同现浇体系的破坏多数呈典型的塑性铰破坏特征,损伤较小时需要重新浇筑保护层,中等损伤时可以在墩底外围布置一圈钢套筒或CFRP套筒并浇筑混凝土[77],损伤严重时往往需要将整个塑性铰区域拆除重建,修复困难,无法满足快速恢复的要求.另一方面,套筒、波纹管等连接装置在地震中也会受到损伤,损伤后的力学性能是否依旧能够满足抗震的要求、如何判断不能继续承载、如何进行更换等相关问题还需要进一步探讨.对于非等同现浇体系,受控摇摆行为使得墩身基本保持弹性,墩底混凝土的加强也可以有效限制摇摆界面的损伤,外置的耗能装置方便维修更换,因此能够较好地体现韧性抗震的理念.然而,非等同现浇体系的关键指标预应力水平在地震作用下损失可达40%[66],使得抗震性能大幅退化,且桥墩预应力检测、补张拉以及更换难度都较大.装配式结构的优势体现在模块化的施工加速了建造过程,如何将连接装置、预应力、墩身节段等划分成标准化的零件,进一步实现震后损伤的模块化快速修复,还是尚未解决的难题,需要进一步深入研究.

5 结论

1) 装配式桥墩的连接形式包括现浇湿接缝连接、预留槽式连接、承插式连接、灌浆套筒连接、灌浆波纹管连接、后张预应力连接、机械套筒连接、法兰盘连接、钢板连接等,可以根据滞回曲线、破坏模式等抗震性能分为等同现浇体系和非等同现浇体系.等同现浇体系在地震作用下呈典型的塑性铰破坏,耗能能力强,残余位移大.非等同现浇体系能够通过摇摆隔震令墩身处于弹性状态,并通过预应力提供自复位能力,耗能能力主要依靠墩身内部的耗能钢筋或者外部的耗能装置.在实际工程中,设计人员应根据抗震性能、设计施工、运营维护等各方面要求选择合理的连接方式.

2) 高强材料、新型装置、混合体系的应用能够提高装配式桥墩的抗震性能.ECC和UHPC能减轻塑性铰的混凝土受损程度,后者还能用作灌浆料,提高黏结强度,减小钢筋锚固长度和桥墩承插深度.FRP和SMA能够减小桥墩损伤和残余变形.新型连接装置和节点改善装置可以进一步保证钢筋连接、改善接缝受力,外置耗能装置则可加快震后修复速度.结合多种连接形式的混合体系能够同时具备较好的耗能能力和自复位能力.

3) 装配式桥墩抗震性能研究方法包括理论分析、模型试验和数值模拟.理论分析可以得到简化的力学模型.相较于单向拟静力加载,多向加载的模型试验能够得到更全面的抗震能力和动力响应.纤维模型需要的参数少,拟合效果好,计算速度快.实体模型在需要进行精细分析局部受力以及考虑破坏模式时具有显著优势.实际应用时应根据研究目的和现有条件进行选择.

4) 装配式桥墩的推广应用还面临着新的挑战.首先,应当从桥梁体系层面分析装配式桥墩的性能,体系构件的损伤转移可以减小装配式桥墩的响应,考虑车辆荷载偏载以及偶然作用的多灾害风险评估则会显著增大桥墩的需求甚至改变破坏模式.其次,装配式桥墩桥梁全寿命周期设计在实施阶段缺少统一成熟的设计方法,在运维阶段缺少劣化和损伤的检测及其对抗震性能的影响指标.最后,韧性理念对装配式桥墩提出了新的抗震要求,节段接缝的利用可以提高桥墩的抗震性能,震后桥墩也应继续保持模块化的优势,实现快速修复.