装配式圆钢管约束混凝土桥墩抗震性能研究

欧智菁， 颜建煌， 俞 杰， 林上顺， 秦志清

(1. 福建工程学院 土木工程学院，福州 350118； 2. 福建省交通规划设计院有限公司，福州 350004)

钢管约束混凝土柱是在钢管内部填充混凝土，钢管在梁柱节点处断开，钢管不直接承受竖向力，仅对核心混凝土起到约束的一种组合结构，具有承载力高，延性好，耗能能力强等优点[1-2]。国内外学者对钢管约束混凝土墩柱的抗震性能研究较为成熟，文献[3-4]开展了钢管约束混凝土短柱、中长柱的拟静力试验研究，探讨了延性、耗能、刚度退化和残余位移等方面的抗震性能，同时建立有限元模型并进行参数分析，在此基础上提出了恢复力模型计算方法；文献[5]对圆钢管约束钢筋高强混凝土短柱开展拟静力试验研究，结果表明，圆钢管约束钢筋高强混凝土短柱具有优越的变形能力和抗震性能，并建立了钢管约束钢筋高强混凝土短柱的荷载-位移恢复力模型。

装配式混凝土桥墩具有施工快速、对周边环境影响小、施工质量高等优势，目前对其抗震性能研究的较为广泛，在非强震区得到了应用[6]。文献[7]以预制拼装桥墩为研究对象，探讨地震作用下该类桥墩墩身与承台接缝处的受力机理和灌浆套筒设置于塑性铰区对桥墩整体抗震性能的影响，研究表明，因灌浆套筒刚度大，易在墩身与承台连接处形成刚性区域，发生墩身曲率重分布且应力集中；文献[8]对灌浆套筒和预应力连接的预制拼装桥墩开展了拟静力试验研究，研究结果表明，该类预制拼装桥墩表现出良好的抗震性能，灌浆套筒的布置会使传统塑性铰区域上移至套筒顶部，说明灌浆套筒对传统塑性铰区域具有局部增强的作用；文献[9-10]研究采用混合接头连接的(灌浆套筒与钢管剪力键组合)装配式混凝土桥墩抗震性能，结果表明，带钢管剪力键的装配式混凝土桥墩的水平峰值荷载和延性性能都优于传统灌浆套筒连接的装配式混凝土桥墩。

本文提出的装配式圆钢管约束混凝土桥墩，其兼具钢管约束混凝土柱和装配式桥墩的优势，预期将具有承载力高、延性好和施工便捷等特点，可作为强震区预制拼装桥墩的推荐方案。目前对圆钢管约束混凝土柱和装配式混凝土桥墩的抗震性能研究较为成熟，而对装配式圆钢管约束混凝土桥墩研究较为局限，相关文献少见报道。因此，为进一步分析该类桥墩的延性机制、破坏机理和失效模式等，本文对其开展抗震性能试验研究，同时建立有限元模型，进行参数分析，可为装配式圆钢管约束混凝土桥墩的动力特性分析和抗震构造设计提供参考与借鉴。

1 拟静力试验

1.1 试件设计与制作

本文以约束方式(YT-8与T-8)及连接方式(YTG-8与YT-8)为参数，以沈海高速公路福厦段扩容二期工程某桥为原型，设计了3根1∶6缩尺桥墩试件，分别为1根灌浆套筒连接的装配式混凝土桥墩(以下简称“T-8”)，1根传统灌浆套筒连接的装配式圆钢管约束混凝土桥墩(以下简称“YT-8”)以及1根采用混合接头连接(灌浆套筒与钢管剪力键组合)的装配式圆钢管约束混凝土桥墩(以下简称“YTG-8”)，桥墩具体构造如图1所示。

图1 桥墩构造图(mm)Fig.1 Piers structure diagram (mm)

桥墩试件总高度为1.7 m，墩身有效高度均为 1 m，试件的承台设计尺寸为800 mm×800 mm×500 mm，考虑到与地面的连接，利用空钢管在底座加设4个孔洞，通过螺栓与地面固结；柱帽设计尺寸为 360 mm×360 mm×200 mm，为避免试验时试件顶部在水平方向往复荷载作用下发生滑移，试件加载头与作动器通过螺杆连接。桥墩制作过程如图2所示。

图2 YTG-8桥墩制作流程图Fig.2 Pier production process of YTG-8

圆钢管采用Q235钢材，其规格250 mm×4 mm，圆钢管高度为970 mm，在墩身的上下两端预留15 mm。钢管剪力键采用Q235，厚度为10 mm的钢材；墩身预埋钢管剪力键的长度为200 mm，直径为152 mm；承台的钢管剪力键凸出高度为200 mm，直径为142 mm。钢管剪力键外部布置8个常规灌浆套筒。墩身纵筋及承台均采用直径为12 mm的HRB400钢筋，箍筋采用直径为8 mm的HRB400钢筋，间距200 mm。钢管内填C40混凝土，试件的材料性能如表1所示。

表1 材料性能参数Tab.1 Material performance parameters

1.2 试验装置

拟静力试验采用MTS电液伺服加载系统，加载如图3所示。为了消除试验中产生的误差，方便后期对试验数据进行修正。在试件底座的水平方向分别设置2个位移计，用来测量试验过程中底座是否发生滑移及起拱，同时在加载头的中心增加1个位移计来校核系统的位移是否存在误差。应变片沿着试件竖向高度和环向方向布置用于测量钢管的环向变形与竖向变形。

图3 试件加载图Fig.3 Specimen loading diagram

1.3 试验加载方法

试验的加载模式，如图4所示。桥墩的顶部根据轴压比采用千斤顶施加竖向的恒定轴力，轴压比n取0.15(n=N0/Nu，即试验时墩顶施加的恒定轴力N0与装配式圆钢管约束混凝土桥墩极限承载力Nu的比)。试验全程采用位移进行控制。试件安装完成后，对试件进行预加载，确保各试验仪器、各部位正常工作后进入正式加载。试件正式加载时，在试件达到屈服之前，由于试件的变形较小，每一级位移循环2次；当试件出现屈服，每一级位移循环3次；当荷载降低至水平峰值荷载的85%以下时，则停止加载。

图4 加载模式示意图Fig.4 Schematic diagram of loading mode

1.4 试验过程及破坏形态

采用混合接头连接的圆钢管约束混凝土桥墩试件(YTG-8)的试验现象如下：在加载初期，试件处于弹性阶段，墩身未有明显变化；当荷载达到水平峰值荷载时，墩身圆钢管的上下端部有轻微的混凝土剥落现象；随着位移持续增大，能听到钢管清脆的响声，外包钢管无明显变化，内部混凝土因被圆钢管约束，加载时观测不到内部混凝土的变化。当试验结束后，将圆钢管切开，观察发现内部混凝土仅在墩高1/2往下出现一些细微的横向裂缝，如图5(a)所示；破开混凝土后，钢筋变形不明显；灌浆套筒内的浆料饱满，连接钢筋未被拔出，而钢管剪力键内的混凝土无明显裂缝，且钢管剪力键没有明显屈服或变形，如图5(b)所示。说明预制墩身与承台之间的连接采用混合接头(灌浆套筒与钢管剪力键组合)具有刚度大、整体性较好的优势；采用混合接头连接的圆钢管约束混凝土桥墩试件(YTG-8)破坏形态，如图5所示。

图5 YTG-8桥墩破坏形态Fig.5 YTG-8 bridge pier destruction form

灌浆套筒连接的圆钢管约束混凝土桥墩试件(YT-8)的试验现象如下：YT-8试件在弹性阶段与混合接头(灌浆套筒与钢管剪力键组合)连接的桥墩试件(YTG-8)的现象基本一致，当荷载达到水平峰值荷载时，钢管的上下端部有轻微混凝土掉落，但外包钢管无明显变化，内部混凝土因被圆钢管约束，试验时无法观察内部混凝土的变化情况。试验结束后，切开外钢管观察内部混凝土的破坏情况，发现仅在墩高1/2往下出现一些细小的横向裂缝，如图6(a)所示；当凿开混凝土时，内部钢筋变形的也不明显。灌浆套筒内的浆料饱满，如图6(b)所示；在试验过程中没有出现钢筋被拔出的情况，且钢筋未拉断。YT-8桥墩破坏形态，如图6所示。

图6 YT-8桥墩破坏形态Fig.6 YT-8 bridge pier destruction form

装配式钢筋混凝土桥墩试件(T-8)的试验现象如下：当水平位移为4 mm时，通过裂缝观察器可看出墩身开始出现2～3条的微裂缝；当水平位移为8 mm时，墩身新增2条裂缝，且裂缝直接肉眼可见，当水平位移达到20 mm时，墩身开始出现少量纵向裂缝，横向裂缝持续延伸，斜线裂缝开始出现；当水平位移为24 mm时，试件峰值荷载，横向裂缝不再增大，已经出现贯穿裂缝；当水平位移为32 mm时，墩底混凝土崩裂，产生剥落的趋势，且距离墩底1/2处的应变片断裂；当水平位移为60 mm时，墩底混凝土完全压碎，且荷载降低至水平峰值荷载的85%以下，停止试验。T-8桥墩破坏过程，如图7所示。

2 结果分析与对比

2.1 有限元计算模型

采用ABAQUS软件，对3根桥墩试件建立有限元模型。混凝土均用C3D8R单元，混凝土的本构关系均采用Han Linhai本构模型[11]。钢筋采用桁架(T3D2)单元，箍筋本构关系采用Kent-Park模型[12]。钢管采用壳(S4R)单元，钢材本构关系采用Giuffre-Menegotto-Pinto模型[13]，收敛准采用牛顿迭代法。

圆钢管与内部混凝土的法向接触采用“硬接触”来模拟；切线方向上，圆钢管和内部混凝之间黏结滑移采用“库伦摩擦”模型，摩擦因数取0.6[14]。钢筋与混凝土接触采用Embedded。考虑到计算效率，单元网格划分尺寸为40 mm。灌浆套筒和混凝土之间采用Tie接触。地梁底面设置接触来约束地梁的6个自由度。

2.2 试件的荷载-位移滞回曲线

3根(YTG-8，YT-8和T-8)桥墩试件在水平往复荷载作用下的荷载-位移滞回曲线，如图8所示。

图8 桥墩试件的滞回曲线Fig.8 Hysteresis curve of pier specimens

由图8(a)可知，传统灌浆套筒连接的装配式混凝土桥墩试件(T-8)的荷载-位移滞回曲线有明显的捏缩现象，说明混凝土墩身与承台的连接刚度低，连接效果不理想。

由图8(b)和图8(c)可知，与灌浆套筒连接的装配式圆钢管约束混凝土桥墩试件(YT-8)相比，采用混合接头(灌浆套筒与钢管剪力键组合)连接的装配式圆钢管约束混凝土桥墩(YTG-8)的滞回曲线更为饱满，滞回曲线呈梭形，滞回环面积明显增大，说明预制混凝土墩身与承台之间仅采用灌浆套筒连接时，其连接效果较弱，预制混凝土墩身与承台之间不能完全协同工作，造成滞回曲线捏缩现象较为明显；而采用混合接头连接可以有效提高预制混凝土墩身与承台连接处的强度，耗能能力增强，从而提升装配式混凝土桥墩的整体抗震性能。

在试验研究的基础上，采用ABAQUS软件对3根桥墩试件开展了数值模拟分析，见图8。3根桥墩试件因制作精度、设备等误差，导致试验结果与有限元分析结果存在一定的差异，但整体上吻合较好，滞回曲线的捏缩程度、滞回环的面积均较为接近，说明本文所建立的有限元模型是合理的。

2.3 试件的荷载-位移骨架曲线

将图8中的滞回曲线上各加载循环最高点按照顺序连接即为桥墩试件的骨架曲线[15]，如图9所示。骨架曲线特征值，如表2所示。由图9可知，3根桥墩试件的骨架曲线均包括3个阶段：即弹性阶段、屈服阶段以及下降阶段。3根桥墩试件在达到水平峰值荷载后，均有明显的下降阶段，但下降段的斜率变化不大。

图9 各试件的骨架曲线对比图Fig.9 Comparison of skeleton curves of specimens

表2 试件骨架曲线特征值和模拟值对比Tab.2 Eigenvalue and simulation value of skeleton curves

由图9和表2可知，相比于传统装配式混凝土桥墩试件(T-8)，采用灌浆套筒连接的装配式圆钢管约束混凝土桥墩试件(YT-8)的弹性刚度、屈服荷载和水平峰值荷载分别提高了27.5%，36.6%和30.0%，是由于YT-8试件的墩身外部被圆钢管有效约束，试件的墩身刚度大，且内部混凝土的损伤较小，因此有约束桥墩试件弹性刚度、屈服荷载和水平峰值荷载明显高于无约束桥墩试件。相比于YT-8试件，采用混合接头连接的装配式圆钢管约束混凝土桥墩试件(YTG-8)的弹性刚度、屈服荷载和水平峰值荷载分别提高了25.7%，6.2%和18.4%，说明采用混合接头连接能够避免桥墩试件出现“强柱弱节点”的现象，在连接处增加钢管剪力键是合理且有效的，能够增强连接处的强度，提高桥墩试件的承载能力和整体性能，同时钢管剪力键的设置能够保障桥墩试件的稳定性，提高墩身定位的准确性。

由表2还可知，有限元计算结果与试验结果的误差均在6%以内，表明本文建立的有限元模型可准确计算出各桥墩试件的骨架曲线特征值。

2.4 延性性能

延性性能是评价桥梁结构抗震性能的重要参数之一[16]，采用位移延性系数μ表示，即μ=Δu/Δy(式中：Δu为极限位移，即当试件的循环荷载降低为峰值荷载的85%时达到极限荷载，对应的位移为极限位移； Δy为屈服位移，屈服位移是指屈服荷载点对应的位移，根据JGJ 101—1996《建筑抗震试验方法规程》[17]取值)，位移延性系数如表3所示。

表3 位移延性系数的模拟值与试验值对比Tab.3 Comparison of simulated value and experimental value of displacement ductility coefficient

由表3可知，圆钢管约束的混凝土桥墩试件(YTG-8、YT-8)位移延性系数均大于4，表现出良好的延性性能。相比于T-8试件，YT-8试件的位移延性系数提高了52.4%，说明约束方式的增强可有效提升桥墩的延性性能。相比于YT-8试件，YTG-8试件的位移延性系数提高了9.9%，当提高预制桥墩的连接处时，能够提升装配式桥墩的整体性能，还能增强桥墩试件的后期非线性变形能力，有效延缓桥墩发生破坏，同时外钢管设置降低内部混凝土的损伤，因此采用混合接头连接的圆钢管约束混凝土桥墩试件表现出较好的延性性能。由表3还可知，有限元计算得出的位移延性系数与试验值误差在5%以内，进一步验证了本文建立的有限元模型能准确的模拟出各桥墩试件的抗震性能指标。

2.5 耗能能力

采用等效黏滞阻尼系数[18]来评价YTG-8，YT-8和T-8桥墩试件的耗能能力，绘制得出用等效黏滞阻尼系数曲线，如图10所示。

图10 各试件的累积耗能图Fig.10 Cumulative energy consumption capacity of piers

由图10可知，在加载初期，3根桥墩试件的耗能能力均较弱，可知桥墩试件处于弹性阶段，变形较小。随着水平位移的逐级增加，3根桥墩试件的耗能能力不断增强，滞回环愈加饱满，桥墩试件吸收更多能量。从图10中明显可以看出，3根桥墩试件的等效黏滞阻尼系数大小依次为：YTG-8>YT-8>T-8，表明桥墩试件随着约束方式和连接方式的增强，耗能能力逐渐提升。

2.6 刚度退化

为研究3根桥墩试件在水平反复荷载作用下的刚度退化情况，采用割线刚度(Ki)表示[19]，绘制刚度退化曲线，如图11所示。

图11 刚度退化曲线Fig.11 Stiffness degradation curves

由图11可知，YTG-8，YT-8和T-8桥墩试件刚度退化的规律均是先快后慢。在试件加载的前期，各试件均处于弹性阶段，墩身的初始损伤较小；当试件达到水平峰值荷载，此时刚度退化达到初始刚度的50%左右；由图11并结合表4可知，3根桥墩试件的初始刚度差别较大，YTG-8试件的初始刚度最大，T-8试件的初始刚度最小，3根桥墩试件的刚度退化率均达到90%以上，说明桥墩试件随着约束方式和连接方式的增强，桥墩试件的刚度得到显著提高。

表4 刚度特征值Tab.4 Stiffness characteristic values

2.7 残余位移分析

试验时在往复荷载作用下，加载过程中水平承载力达到零时，滞回曲线与x轴的交点为非零值，此值即为桥墩试件的残余位移值[20]。残余位移与加载位移之间的关系，如图12所示。

图12 各试件残余位移Fig.12 Residual displacement of specimens

由图12可知，加载初期，试件处于弹性阶段，残余位移均较小，几乎可忽略不计。当位移大于20 mm时，残余位移开始以陡坡的形式上升，这时钢筋与钢管剪力键受力增大，开始出现受拉屈服的现象，墩身的自复位能力显著降低，直至试件破坏。采用混合接头(灌浆套筒与钢管剪力键组合)连接的圆钢管约束混凝土桥墩试件(YTG-8)的残余位移明显小于灌浆套筒连接的桥墩试件(YT-8，T-8)，主要在于采用混合接头连接的桥墩试件(YTG-8)在受力后，钢管剪力键会发生弹性变形，增强墩身的自复位能力，能有效降低墩身的残余位移，而仅用灌浆套筒连接的桥墩试件(YT-8，T-8)接头处较薄弱，所以在加载的前后产生残余位移均较大。

3 关键参数对比分析

由第2章的试验研究可知，采用混合接头连接的装配式圆钢管约束混凝土桥墩表现出良好的抗震性能。因试验数量有限，为进一步探讨不同参数对该类桥墩试件的水平峰值荷载及位移延性的影响规律，以轴压比(n取0.10，0.15，0.20，0.25和0.30)、长细比(λ取2，4，6，8和10)和混凝土强度(fc取30 MPa，40 MPa，50 MPa，60 MPa和70 MPa)为变化参数进行有限元分析，计算结果如表5、表6所示。

表5 水平峰值荷载计算Tab.5 Calculation of the horizontal peak loads

表6 位移延性系数计算Tab.6 Calculation of the displacement ductility coefficients

由表5可知，在不同参数条件下，采用混合接头连接的装配式混凝土桥墩的水平峰值荷载P2均大于采用灌浆套筒连接的装配式混凝土桥墩的水平峰值荷载P1，二者比值在1.12～1.63，均值为1.26。当轴压比在0.10～0.15，长细比在8～10，水平峰值荷载比(P2/P1)数值较大，分别为1.31和1.59左右；当混凝土强度在30～70 MPa内，水平峰值荷载比(P2/P1)基本不变，均在1.20左右。

由表6可知，在不同参数条件下，采用混合接头连接的装配式混凝土桥墩的位移延性系数μ2均大于采用灌浆套筒连接的装配式混凝土桥墩的位移延性系数μ1，二者比值在1.06～1.34，均值为1.12。当轴压比为0.20时，位移延性系数比(μ2/μ1)最大，为1.34，其余均在1.10左右；当长细比在2～10时，位移延性系数比(μ2/μ1)均在1.12左右，变化幅度不明显；当混凝土强度在30～70 MPa内，位移延性系数比(μ2/μ1)几乎不变，均在1.10左右。

综上分析，采用混合接头连接的装配式圆钢管约束混凝土桥墩在不同轴压比、长细比、混凝土强度条件下，水平峰值荷载及位移延性系数均大于采用灌浆套筒连接的装配式圆钢管约束混凝土桥墩，因此在工程中推荐预制混凝土墩身与承台之间采用混合接头(灌浆套筒与钢管剪力键组合)连接。

4 结 论

(1) 装配式圆钢管约束混凝土桥墩试件的滞回曲线较为饱满，曲线呈现梭形，位移延性系数大于4，耗能能力强，残余位移小，表现出良好的抗震性能。

(2) 与传统装配式混凝土桥墩试件相比，采用灌浆套筒连接的圆钢管约束混凝土桥墩试件的弹性刚度、水平峰值荷载和位移延性系数分别提高了27.5%，30.0%和52.4%。

(3) 与灌浆套筒连接的圆钢管约束混凝土桥墩试件相比，采用混合接头连接的装配式圆钢管约束混凝土桥墩的弹性刚度、水平峰值荷载和位移延性系数分别提高25.7%，18.4%和9.9%。

(4) 试验结果与有限元关键参数计算表明，采用混合接头连接的装配式圆钢管约束混凝土桥墩的水平峰值荷载及位移延性系数均优于采用传统灌浆套筒连接的圆钢管约束混凝土桥墩，水平峰值荷载比(P1/P2)在1.12～1.63，位移延性系数比(μ2/μ1)在1.06～1.34，因此在工程中建议预制混凝土墩身与承台之间采用混合接头(灌浆套筒与钢管剪力键组合)连接。