外包钢套管预制拼装榫头承插式桥墩力学性能研究*

米家禾 亓兴军 王天佳 王珊珊

1.山东建筑大学交通工程学院 济南250101

2.浙江大学建筑工程学院 杭州310058

3.山东高速集团有限公司 济南250098

引言

桥梁作为重要的“城市生命线”，在地震作用下需要达到“小震不坏，中震可修，大震不倒”的设防目标，为抢险救灾提供条件。鉴于此，通过优化桥墩抗震性能以提高震后桥梁功能的可恢复性、可修复性甚至易修复性研究得到学者的广泛关注［1］，发展基于性能的结构设计方法，成为未来桥梁抗震的必然趋势［2］。海内外学者通过研究桥梁新材料［3-8］、新构件［9-12］以及新型结构体系来发展结构抗震韧性。钢套管加固法在保证施工便利的同时具有良好的加固效果。国内外很多学者对此进行研究，卢亦焱等［13］对比圆钢管自密实混凝土加固和增大截面加固，发现在用钢量基本相同的情况下，圆钢管自密实混凝土加固柱的抗震性能优于增大截面法加固柱的抗震性能；何岸等［14］对钢套管再生混凝土加固柱进行横向循环荷载研究其抗震性能，发现钢套管加固后水平承载力及侧向刚度有显著提高；吴德宽［15］采用自密实混凝土和局部柱体钢套管加固法研究对柱体抗震性能的影响，发现该方法大幅提高框架柱轴压承载力，并显著改善构件延性及受力性能；侯欣蕾［16］改善传统钢套管加固，采用局部钢围套加固法优化墩柱，发现该方法加固效果显著，墩柱刚度显著提高。

本文针对承插装配式桥墩震后柱体损伤严重不易修复等问题，提出一种外包钢套管预制拼装榫头承插式桥墩，具有施工速度快、承载力和抗侧力性能强的特点。通过对该桥墩进行静力和拟静力数值模拟，对比现浇桥墩和外包钢套管的榫头承插式桥墩的承载能力、破坏形式、抗震性能，探讨外包预制拼装榫头承插式桥墩的力学性能。

1 外包钢套管预制拼装榫头承插式桥墩构造

由于现浇桥墩和常规的装配式桥墩均通过自身滞回变形耗散地震能量，墩身容易发生严重的损伤或破坏。为此，本研究提出一种预制拼装榫头承插式桥墩，在墩柱潜在塑性铰区域外包钢套管，以尽可能减小震后桥墩的塑性损伤。图1 为本文所优化的榫头承插式桥墩构造示意图，其中墩柱和承台伸出的预埋钢筋通过UHPC（超高性能混凝土）搭接连接，将预制墩柱和承台构件连成整体结构，预埋钢筋搭接长度为十倍的纵筋直径。对于外包钢套管的榫头承插式桥墩，在桥墩受到地震影响时，钢套管作为第一道抗震防线，可以有效地消耗地震能量，保护墩身，减小对柱体的损伤破坏。

图1 榫头承插式桥墩构造Fig.1 Structural drawing of pier

2 桥墩参数

2.1 模型参数

本文桥墩模型参考文献［7］中的模型参数。为研究预制拼装榫头承插式桥墩在潜在塑性铰区外包钢套管加固后的力学性能，建立现浇桥墩及加固前榫头承插式桥墩模型进行对照。图2 为桥墩尺寸图，其中现浇桥墩墩柱直径为800mm，相较于现浇桥墩墩身，榫头承插式桥墩墩身下部伸出一段长为300mm，截面直径为600mm的“缩进段”作为墩柱承插入承台凹槽的榫头，承台凹槽是直径为1000mm，深度为300mm 的圆形凹槽；钢套管加固榫头承插式桥墩中，圆形钢套管由Q235 钢材制成，设置在承台与墩身接缝处上方区域，高度为1 倍的墩柱直径，厚度为3mm。三种类型桥墩均采用钢筋规格为HRB400，现浇桥墩墩身纵向配置13 根公称直径为25mm 的钢筋及42 根间距80mm 的箍筋；预制拼装榫头承插式桥墩纵向配置13 根公称直径为25mm 的钢筋及44 根间距80mm 的箍筋。为保证承台及墩身钢筋搭接稳定，灌浆料选用R120 的超高性能混凝土将上下部结构连接成整体。

图2 桥墩尺寸（单位： mm）Fig.2 Pier dimension drawing（unit：mm）

2.2 材料本构与单元类型

墩柱混凝土材料采用塑性损伤模型，依据《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）［17］中相关规定确定应力-应变关系，结合损伤因子d设置混凝土结构塑性损伤模型；钢材的应力-应变曲线采用双折线模型；UHPC 灌浆料选用塑性损伤模型，UHPC 受压应力-应变本构关系，选用杨剑等［18］提出的UHPC 单轴受压应力-应变关系；UHPC 受拉阶段时的应力-应变关系，选用张哲、邵旭东等［19］提出的双折线模型。

模型中墩身、承台、UHPC 灌浆料、耗能软钢均采用三维实体单元建模，选用八节点六面体线性减缩积分单元（C3D8R）模拟；墩柱模型中纵筋、箍筋均采用线性桁架单元（T3D2）。

2.3 接触定义和网格划分

在ABAQUS中定义接触和划分网格会直接影响计算结果的收敛性和计算精度。普通现浇桥墩整体性好，故将墩身和承台直接采用绑定约束（Tie）；榫头装配式桥墩是采用UHPC 将墩身和承台连成整体，因此应当考虑UHPC 与普通混凝土的接触问题，缩进段墩身与UHPC 灌浆料的接触部分切向采用“罚”函数摩擦模型，摩擦系数取0.5，法向采用“硬”接触约束模型；外包圆形钢套管与混凝土柱体滑移较小可忽略，所以选用绑定约束（Tie）。

2.4 加载工况

拟静力往复加载试验采用位移控制加载，如图3 所示。在墩顶施加0.3 轴压比的竖向力，按墩顶水平位移进行加载。加载位移逐级增加10mm，总共分为10 级加载。

图3 加载制度Fig.3 Loading system

3 竖向承载力比较

对三组桥墩的竖向承载力进行模拟比较。首先对桥墩承台底部进行固结，并添加重力荷载，随后通过对墩顶控制位移加载的方式，逐步施加向下50mm 的竖向荷载，以此得到竖向位移-荷载曲线，对比三种类型桥墩的竖向承载力。桥墩整个受压过程的荷载-变形曲线如图4所示，外包钢套管预制拼装榫头承插式桥墩的竖向承载力相较于现浇桥墩略有提高，在达到最大承载力后外包钢套管预制拼装榫头承插式桥墩承载力下降段更为平缓。根据图5 对比墩身竖向受压破坏位置可以发现：对榫头承插式桥墩的潜在塑性铰区域使用外包钢套管加固后，不仅提升了榫头承插式桥墩的竖向承载力，还有效地减小墩柱受压破坏的区域，塑性铰上移至钢套管上接缝处。

图4 竖向承载力比较Fig.4 Comparison of vertical bearing capacity

图5 受压破坏对比（损伤因子）Fig.5 Compression failure comparison（damage factor）

4 水平向承载力比较

桥墩墩身是钢筋混凝土柱体结构，在水平荷载作用下，随着墩顶位移的增大，墩身依次经历弹性段，弹塑性段及下降段。当荷载位移曲线到达屈服点时，代表着由弹性段过渡到弹塑性段；到达破坏点时，代表着从弹塑性段进入下降段。本文采用通用屈服弯矩法确定屈服点，破坏点的确定是以构件的承载力下降到最大承载力的85%作为构件破坏的依据。表1 为三种类型桥墩的在水平向荷载作用下的力学参数对比。

表1 力学参数Tab.1 Mechanical parameters

图6 是三种类型桥墩在0.3 轴压比下的水平承载力对比图，其中外包钢套管榫头承插式桥墩有着更大的水平承载力，比现浇桥墩的峰值承载力大7.65%。水平荷载作用下桥墩墩身的塑性发展过程如图7 所示，其中外包钢套管在一定程度上减小了在墩身塑性损伤的范围；现浇桥墩在水平单向荷载作用下受压侧和受拉侧均出现较严重的塑性损伤，而外包钢管可以有效保护承台以上的受拉侧墩身，对墩柱榫头部分的保护效果不明显；外包钢套管榫头承插式桥墩在水平单向荷载作用下，仅在榫头顶部出现小范围较严重的塑性损伤。

图6 水平承载力比较Fig.6 Comparison of horizontal bearing capacity

图7 桥墩墩身塑性发展过程Fig.7 Plastic development process of pier body

5 抗震性能比较

5.1 滞回曲线和骨架曲线对比

在墩顶施加0.3 倍轴压比的竖向力，根据三组桥墩拟静力往复加载过程中墩顶的荷载位移曲线得到如图8 的滞回曲线，提取每个加载等级的荷载峰值点得到如图9 的骨架曲线。由图8 可看出：三种类型桥墩模型的滞回曲线总体一致，呈较明显的梭形滞回曲线形态，曲线饱满体现出三种类型桥墩都具有较好的耗能能力，滞回环出现一定捏拢现象，是由于钢筋的屈服导致耗能能力有所降低。

图8 滞回曲线对比Fig.8 Hysteresis curve comparison

骨架曲线可以反映试件初始刚度、极限荷载、屈服后刚度和延性等抗震性能指标。表2 为三种类型桥墩在往复加载下所得骨架曲线的力学特征点。根据表2 和图9 可看出：三种类型桥墩模型的骨架曲线趋势基本相同，外包钢管的预制拼装榫头承插式桥墩在水平往复作用力下的承载能力比现浇桥墩大8.98%；但是外包钢管的榫头承插式桥墩延性相较于现浇桥墩和未加固的榫头承插式桥墩较差，这是由于在外包钢套管约束潜在塑性铰区域混凝土的同时，阻止了混凝土柱体裂缝的充分展开，以致于外包钢套管顶部形成塑性铰之后承载力迅速退化。因此外包钢套管加固在增强抗侧向力的同时损失了一定的延性。外包钢管预制拼装榫头承插式桥墩的延性系数大于4，满足桥墩抗震的要求。

表2 骨架曲线特征点Tab.2 Mechanical characteristic points of skeleton curve

图9 骨架曲线对比Fig.9 Skeleton curve comparison

5.2 水平等效刚度对比

在周期往复荷载作用下，桥墩受拉区混凝土率先开裂，转由钢筋受拉，受压区混凝土开始出现塑性变形，桥墩水平刚度出现下降；随着荷载增大，纵筋逐渐屈服，裂缝增大，直至受压区混凝土被压碎，构件破坏。三种类型桥墩的水平等效刚度退化曲线对比如图10 所示，其中水平等效刚度随施加水平位移加大而下降，在达到峰值荷载之前刚度下降幅度较大，而在峰值荷载之后刚度下降幅度较为平缓。在加载初期现浇桥墩的水平等效刚度略大于外包钢套管榫头承插式桥墩，在屈服荷载后外包钢套管榫头承插式桥墩的水平等效刚度大于现浇桥墩。

图10 桥墩水平等效刚度对比Fig.10 Comparison of horizontal equivalent stiffness

5.3 耗能性能对比

耗能能力是体现构件耗散外界输入能量的能力。在往复荷载作用下，构件通过自身塑性变形消耗能量。耗能能力由能量耗散系数E 表示，E越大，表示构件在往复荷载中能量耗散能力越强。图11 为每级水平荷载下的两种桥墩的耗散系数对比，其中榫头承插式桥墩在局部外包钢套管后耗能能力得到一定提升，并基本等同于现浇桥墩。

图11 能量耗散系数对比Fig.11 Comparison of energy dissipation coefficient

5.4 残余位移对比

残余位移是指构件在加载变形后，卸载至墩顶水平力为零时所产生的不可恢复的塑性变形。图12 为三种桥墩在经过往复荷载作用后的残余位移对比，其中三种桥墩的最大残余位移均在50mm左右；墩顶水平位移在4 级荷载以前时，三种桥墩残余位移差别不大；当墩顶水平位移在4 级荷载之后，相同的滞回位移下外包钢套管榫头承插式桥墩的残余位移比现浇桥墩略大，自复位能力相较现浇桥墩略有不足。

图12 残余位移对比Fig.12 Residual displacement comparison

6 结论

本文旨在提高榫头承插式桥墩抗震性能，为此提出了一种局部外包钢套管的榫头承插式桥墩，并基于ABAQUS有限元分析软件建模，通过数值模拟对比分析三种桥墩的竖向承载力、水平承载力及抗震性能，主要结论如下：

1.在竖向荷载作用下，预制拼装榫头承插式桥墩在钢套管的加固下，塑性铰上移至钢套管上接缝处，墩身的损伤相对其他两种桥墩较小，且竖向承载力大于现浇桥墩。

2.在水平荷载作用下，外包圆形钢套管的预制拼装榫头承插式桥墩相较其他两种桥墩水平承载力更大，达到峰值荷载后，承载力下降慢且在加载结束后墩身塑性损伤范围较小。

3.在水平往复荷载作用下，局部外包钢套管预制拼装榫头承插式桥墩具有更强的抗侧向力能力，同时拥有更大的刚度。

4.预制拼装榫头承插式桥墩在潜在塑性铰区外包钢套管后具有良好的抗震性能，整体基本等同现浇桥墩，但自复位能力相较现浇桥墩略有不足。