两节段装配式钢筋混凝土桥墩受压极限承载力研究

王紫超，杨切

（1.中交第二航务工程局有限公司，湖北 武汉 430040；2.长大桥梁建设施工技术交通行业重点实验室，湖北 武汉 430040；3.交通运输行业交通基础设施智能制造技术研发中心，湖北 武汉 430040；4.中交公路长大桥建设国家工程研究中心有限公司，北京 100032）

0 引言

装配式桥梁具有施工速度快、环境污染小等优点，其中灌浆套筒装配式桥墩已经应用于我国的一些城市桥梁工程，如上海的S7 高速公路、吉林市恒山东路跨及上海嘉闵北二段高架等[1]。可是受压承载力方面的研究较少，存在理论研究滞后于工程实践的情况，并且装配式桥墩几乎都是单节段，拼装部位只有一处。但是对于城市桥梁，预制桥墩受限于自身尺寸、交通流及城市道路限高等因素，运输极不方便，随着社会发展，尺寸极大的桥墩必将出现，起重吊装也会成为一大难题，因此提出了两节段灌浆套筒装配式钢筋混凝土圆墩新型结构，并且在已有的试验基础上对其进行研究。

目前，在钢筋混凝土受压构件的承载力方面已有较多研究。王静等[2]对钢筋混凝土柱的受压性能进行了试验研究，研究结果表明，轴压柱表现柱中部混凝土崩裂破坏，钢筋屈服；小偏压柱受压侧表现为混凝土首先达到抗压强度，并出现纵向裂缝和钢筋屈服。倪国荣[3]进行了钢筋坑蚀对混凝土柱偏压性能的影响研究，研究结果表明，钢筋坑蚀的随机性对柱的可靠性有很大影响，钢筋坑蚀构件承载力的下降速度比均匀锈蚀更快。国外对墩柱承载力也进行了相关研究，Bo 等[4]进行了普通硅酸盐混凝土柱的大偏心受压性能试验研究。Kristiawan 等[5]进行了普通钢筋混凝土柱的受压性能试验研究，研究结果表明，普通钢筋混凝土柱在集中应力作用下，其破坏模式为柱顶混凝土压碎破坏。

由此可见，对轴压及偏压作用下钢筋混凝土柱的研究多采用整体式柱，装配式桥墩极限承载力理论研究明显滞后。而且轴压作用及偏压作用下，灌浆套筒连接装配式墩柱由于边界条件发生变化，装配式桥墩的承载力、破坏模式与整体式墩柱可能会出现一些重大差异，然而试验数据有限，需要采用经过试验验证的有限元方法，有必要对两节段灌浆套筒装配式桥墩的力学性能进行研究，为工程应用提供参考。

1 有限元建模方法

按照经典力学理论[6]，当长柱两端铰接并且承受轴压荷载作用时，柱的破坏位置一般发生在柱中，为了避免应力集中以及考虑墩柱的两节段长度不能相差太多，两节段墩柱的合理连接部位位于承台以上0.35～0.45 倍墩柱长度处，本文取0.4。图1 为单节段灌浆套筒试验构件示意图，两节段墩柱有限元模型在长度为1 400 mm 的试验立柱（图1）基础上增加了2 100 mm 长的立柱，立柱模型也从短柱变成了长柱，同时配筋方式与试验模型一致。

图1 单节段灌浆套筒试验构件示意图（mm）Fig.1 Schematic diagram of single segment grouting sleeve test component(mm)

混凝土及灌浆料选择的单元是C3D8R，属于实体单元，钢筋单元选择的是T3D2 单元，属于三维线性桁架单元[7-8]。灌浆套筒为Q345 钢，单元选择S4R，S4R 是四边形减缩积分单元，属于壳单元。混凝土、钢筋及灌浆套筒本构均来自GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》[9]，混凝土采用C35 混凝土本构，灌浆料本构采用文献[10]的本构，钢筋及套筒采用二次折线形的本构，所有数值均采用标准值。钢筋混凝土采用损伤塑性模型，损伤塑性模型能较好地模拟钢筋混凝土的非线性。钢筋混凝土有限元模型的建立采用的是组合式模型，直接将钢筋、灌浆套筒嵌入到混凝土中。

桥墩拼装接触面采用库仑摩擦模型[11]，切向行为采用的是罚函数，法向行为采用的是硬接触，硬接触保证了面与面之间只传递压应力，不传递拉应力。墩柱通过耦合点耦合约束，承台底部固结，墩柱上部铰接。网格采用结构化网格划分。墩柱具体情况见图1。

2 单节段构件数值模型验证

2.1 轴向荷载-轴向位移曲线图

将按照实际试验构件建立的有限元模型（墩柱长度为1 400 mm）计算所得的轴向荷载-轴向位移曲线与试验结果比较，如图2 所示，其中GJ-1 为灌浆套筒轴压试件，偏心距为0 mm，GJ-2 为灌浆套筒小偏压试件，偏心距为25 mm，GJ-3 为灌浆套筒大偏压试件，偏心距为105 mm。

图2 轴向荷载-轴向位移曲线图Fig.2 Axial load-axial displacement curve

从图2 中可以看出，有限元模拟得出的轴向荷载位移曲线经历了3 个阶段：直线上升阶段、曲线上升阶段、曲线下降阶段，这3 个阶段分别对应构件的弹性阶段、弹塑性阶段、塑性阶段。有限元模拟出来的曲线与实际的曲线吻合较好。

从图3 可以看出，有限元分析的极限承载力与试验值非常接近，两者比值的均值为0.944，方差为0. 018，变异系数为0.019，最大偏差仅为7.56%。表明有限元分析具有足够的精度，可用于参数分析。

图3 有限元分析的承载力值与试验值的比值Fig.3 Ratio of bearing capacity value of finite element analysis to test value

2.2 构件破坏图

对试验立柱进行了有限元模拟，有限元模拟的破坏形态与试验破坏形态（图4）是一致的。轴压作用下为墩柱跨中混凝土的压碎破坏，在小偏压状态下表现为受压侧混凝土压碎破坏。进一步验证了有限元模拟的可靠性。

图4 构件破坏图Fig.4 Component failure diagram

3 两节段墩柱有限元模型参数分析

3.1 长细比影响

本小节分析了两节段有限元模型在不同偏心距、不同长细比以及不同的配筋率情况下的极限承载力，并且与规范JTG 3362—2018《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》[12]计算值做了对比。

图5为不同长细比情况下灌浆套筒连接桥墩的承载力规范计算值与有限元值对比图，构件配筋率为1.84%，其中包括了短柱、长柱及细长柱，短柱长细比为3.92，长柱长细比为7、9.8、11.2、16、22，细长柱长细比为28。

图5 不同长细比情况下承载力规范计算值与有限元值对比图Fig.5 Comparison of bearing capacity between code and FEM under different slenderness ratios

可以看出，在偏心距和配筋率一定的情况下，随着构件长细比的增大，构件的极限承载能力随之降低，计算值与有限元值基本呈线性下降。从图6 可以看出，有限元模拟的极限承载能力普遍高于计算极限承载能力，规范计算值偏于保守，并且随着偏心距的增大，两者比值增大。

图6 有限元分析的承载力值与试验值的比值Fig.6 Ratio of bearing capacity value of finite element analysis to test value

3.2 偏心距影响

图7为不同偏心距情况下的灌浆套筒连接桥墩的承载力规范计算值与有限元值对比图，构件的长细比为9.8，构件的配筋率为1.84%，其中包括了轴压、小偏压及大偏压各种荷载状况，偏心率为0～0.84。

图7 不同偏心距情况下承载力规范计算值与有限元值对比图Fig.7 Bearing capacity comparison between code and finite element method under different eccentricity

可以看出，在长细比及配筋率一定的情况下，随着构件偏心距的增大，构件的极限承载能力随之降低，计算值与有限元值基本呈非线性下降。有限元模拟的极限承载能力普遍高于计算极限承载能力，规范计算值偏于保守。

3.3 配筋率影响

图8为不同配筋率情况下灌浆套筒连接桥墩的承载力规范计算值与有限元值对比图，构件长细比为9.8，对于受压构件，JTG 3362—2018《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》规定，全部纵向钢筋最小配筋率为0.5%，最大配筋率一般不超过5%，一般纵筋配筋率为1%～2%。所以选取的配筋率变化范围为0.92%～2.51%。

图8 不同配筋率情况下承载力规范计算值与有限元值对比图Fig.8 Comparison of bearing capacity between code and finite element method under different reinforcement ratios

可以看出，在偏心距和长细比一定的情况下，随着构件配筋率的增大，构件的极限承载能力随之增大，计算值与有限元值基本呈线性上升。从图9 可以看出，有限元模拟的极限承载能力普遍高于计算极限承载能力，规范计算值偏于保守，并且随着偏心距的增大，两者比值增大。

图9 有限元分析的承载力值与试验值的比值Fig.9 Ratio of bearing capacity of finite element analysis to test value

总体而言，两节段装配式钢筋混凝土桥墩在不同长细比、偏心距及配筋率情况下，其承载力变化规律与整体式桥墩几乎一致，两节段灌浆套筒装配式桥墩承载力可参照现行整体式墩柱规范计算。

3.4 两节段墩柱有限元构件破坏模式

进行了不同长细比情况下两节段墩柱有限元构件破坏模式模拟，并与传统的整体式长柱的破坏模式进行了对比，有一定的代表性。

对于长细比为9.8、偏心距为25 mm 的有限元构件（上端铰接，下端固结），有限元构件在发生破坏时，破坏部位发生在构件上部受压侧，这与整体式长柱的破坏模式一致，同时两节段灌浆套筒装配式桥墩的节段连接部位没有发生破坏，说明了两节段灌浆套筒装配式桥墩的节段连接较可靠，这与文献[13]中灌浆连接件组合构件受力性能可靠的结论相一致。

对于长细比为28、偏心距为25 mm 的有限元构件（上端自由，下端固结），节段连接部位将墩柱分割成两段，破坏部位分别发生在每一段墩柱的中部，与同条件下整体式柱的受压侧破坏不一致，同时两节段灌浆套筒装配式桥墩的节段连接部位没有发生破坏，说明两节段拼装钢筋混凝土桥墩，在上端自由，下端固结工况时，不完全适用现行整体式墩柱规范，值得实际工程借鉴。

4 结语

1）采用GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》中的混凝土及钢材本构能较好地模拟单节段或两节段灌浆套筒装配式桥墩。同时两节段墩柱的合理连接部位位于承台以上0.35～0.45 倍墩柱长度处。

2）灌浆套筒装配式桥墩（上端铰接，下端固结）极限承载力随着长细比的增大，极限承载力显著降低；随着偏心距的增大，极限承载力显著降低；随着配筋率的增大，极限承载力随之增大，承载力变化规律与整体式桥墩几乎一致。同时按JTG 3362—2018《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》计算，两节段灌浆套筒装配式桥墩承载力计算结果偏于安全，所以两节段灌浆套筒装配式桥墩承载力计算可参照现行整体式墩柱规范。

3） 对于小偏压两节段拼装RC 构件，当构件上端铰接，下端固结时，其破坏部位与同条件下整体式墩柱一致；当构件上端自由，下端固结时，与同条件下整体式柱的受压侧墩柱中部的材料破坏不一致，不完全适用现行整体式墩柱规范，值得实际工程借鉴。