灌浆波纹管装配式桥墩双向地震损伤评价方法

2022-11-17蓝亦辉夏樟华陈浩冲赖仕永

世界地震工程 2022年4期

蓝亦辉，夏樟华，陈浩冲，赖仕永，史妍

（1.上海城建市政工程（集团）有限公司，上海， 200333；2.福州大学土木工程学院，福建福州 350108）

引言

由于装配式桥梁的发展，装配式桥墩开始被深入研究［1］。灌浆波纹管连接是预制构件之间连接最常见的方式之一，具有漏浆风险少、施工快、成本低和连接可靠等优势。为了明晰其可靠性，陈云钢等［2］制作了162个预制波纹管连接钢筋锚固混凝土拉拔试件，连续加载拉拔发现灌浆波纹管连接更加可靠。

如何提升装配式桥墩抗震性能，这是关注较高的一个问题，许多学者进行了实验研究。PANG等［3］对灌浆金属波纹管节段拼装墩开展拟静力试验，发现荷载位移响应和损伤演化与现浇墩接近；TAZARV等［4］波纹管用超高性能混凝土填充，拟静力循环荷载研究两个预制墩缩尺为1/2模型的抗震性能；吴佳东等［5］拼装混凝土桥墩中用灌浆波纹管进行连接，与传统现浇墩对比，验证两者抗震性能良好；包龙生等［6］通过试验验证装配式桥墩各项性能能达到现浇桥墩要求；王志强等［7］证实了波纹管和套筒灌浆管连接结构的工程合理性，其性能指标和现浇试件相近。

王军文等［8］用6种结构损伤模型测试桥墩，其中王东升修正后的Park-Ang模型最好；对于双向地震荷载耦合作用的抗震评价研究较少，江辉等［9］研究在双向地震作用下高桥墩的弹塑性力学行为，其在单向地震作用下的动力效应明显小于双向水平地震；夏樟华等［10］分析了钢筋混凝土箱型墩的双向恢复力特性。鉴于此，开展双向拟静力试验，提出装配式桥墩在双向地震荷载耦合作用下的抗震性能评价指标。

1 双向拟静力试验介绍

1.1 试件设计

制作8个缩尺比1：5的拟静力试验试件，其中传统现浇混凝土桥墩试件（BBPC-1、BBPC-2）尺寸一样，6个装配式桥墩试件（BBPC-3～BBPC-8）用灌浆波纹管连接；BBPC-1～BBPC-4试件尺寸相同，主要比照桥墩抗震性能受整体现浇和节段拼装、双向矩形加载制度和单向加载制度的影响。BBPC-4与BBPC-6的尺寸参数一样，主要分析桥墩抗震性能受轴压比变化的综合影响；BBPC-7和BBPC-8的长细比和BBPC-4的不同，分析了桥墩抗震性能受长细比的影响，试件的主要设计参数见表1。

表1 试验构件设计参数Table 1 Test component design parameters

根据中国城市桥梁抗震设计规范，金属波纹管长度不得小于24ds（ds为连接纵向钢筋的直径）。此处的长度是指钢筋锚固长度。因此，用于连接预制桥墩试样进行试验的金属波纹管的设计长度为540 mm，内径45 mm，外径47 mm，壁厚为0.6 mm。纵向钢筋深入金属波纹管540 mm。顶部加载端尺寸530 mm×700 mm×700 mm，承台尺寸1300 mm×800 mm×740 mm，墩顶距加载中心250 mm。柱体、承台和加载端用C40混凝土，保护层厚度20 mm。BBPC-1～BBPC-8试件用10根直径18 mm的HRB400热轧带肋钢筋作为纵筋，配筋率1.50%；箍筋选取直径8 mm的HPB235光圆钢筋，箍筋间距100 mm，0.93%的配箍率；加密区墩柱底端的箍筋的高度500 mm，箍筋间距50 mm，1.80%的配箍率，主要构件设计见图1-4。

图1 BBPC-1和BBPC-2试件构造图Fig.1 SpecimenBBPC-1 and BBPC-2

图3 截面配筋图Fig.3 Section reinforcement diagram

图4 承台构造图Fig.4 Cap structure diagram

1.2 材料性能

试件采用商品混凝土，强度等级为C40。纵向钢筋由直径为18 mm的HRB400热轧钢筋组成。箍筋由直径为8 mm的HPB235普通钢筋组成。钢筋力学性能按GB/T 228-2002中的有关规定进行测定。表2展示结果。

表2 钢筋材料性能表Table 2 Reinforced material performance tables

灌浆料采用超高性能混凝土，配合比见表3，其中体积比指定为钢纤维，质量比计算将水泥质量定义为1，最大粒径的细砂不超过0.63毫米，按《预制拼装桥墩技术规程》，采用28天的抗压强度。

表3 UHPC配合比Table 3 Proportion of UHPC

1.3 试验方案

水平往复加载装置用1台MTS244.31型和1台MTS244.41型机器，能提供的最大荷载分别为250 kN和500 kN，现场图5。对BBPC-1和BBPC-3试件沿试件强轴（X方向）单向加载。根据钢筋是否屈服应变来区分弹性阶段和弹塑性阶段；试件达到破坏的判定标准通常为水平承载力下降到其极限的85%。弹性阶段，第一级加载1 mm，以后每级递加2 mm，每级1次循环加载；当钢筋屈服应变以后，10 mm递增加载，每级3次加载循环，加载到试件破坏。对于BBPC-2和BBPC-4～BBPC-8六个试件进行双向加载，用正方形加载制度，见图6。X（东西向）和Y（南北向）双向非同步加载，位移幅值比1：1，每个方向的加载过程与单向加载制度相同。

图5 加载装置现场布置照片Fig.5 Loading device site layout photos

图6 矩形加载制度Fig.6 Rectangular loading system

1.4 试验结果分析

因装配式墩构件构造相同，试验现象较为类似，主要为墩底部混凝土开裂，钢筋屈服，墩身裂缝增多，墩底主裂缝开始斜向开展，混凝土开始压溃和脱落。接缝有张开闭合现象，混凝土保护层被压碎掉落，露出箍筋，主筋在四个墩角处会露出并屈曲，沿水平承载力下降很快。表4为BBPC-2试件加载和损伤过程。

表4 试件BBPC-2试验过程构件特征Table 4 Component Characteristics of Specimen BBPC-2 Test Process

从结果看：试验试件均为弯曲破坏，以试件BBPC-1～BBPC-6的最终破坏为例，如图7所示。

图7 墩柱最终破坏Fig.7 Final failure of the pier

2 试验结果分析

2.1 滞回曲线与耗能分析

试件滞回曲线如图8所示，比较图8（a）和图8（c），峰值荷载下试件承受的最大载荷值BBPC-1与BBPC-3试件相近。通过图8（b）和图8（d）比较，相较于试件BBPC-4，试件BBPC-2的滞回环都更饱满，极限承载能力更高，拥有更强的滞回耗能能力。

图8 各个试件的荷载-位移滞回曲线Fig.8 Load-displacement hysteresis curve of each specimen

单双向加载现浇墩和装配式墩的累计滞回耗能见图9。灌浆波纹管连接装配式墩与现浇墩的耗能较为接近，如单向加载试件BBPC-1和BBPC-3以及双向加载试件BBPC-2和BBPC-4。双向加载造成构件损伤加大，引起相应的耗能大于单向加载，如单向加载整体现浇试件BBPC-1耗能能力远低于双向加载的BBPC-2试件。比较BBPC-4、BBPC-5和BBPC-6试件，装配式墩的总体耗能随轴压比变大而变大，见图10。加载和位移等级一样，试件长细比越大滞回耗能越小，影响规律与现浇墩一样。

图9 BBPC-1～BBPC-4试件的滞回耗能曲线对比Fig.9 Comparison of hysteretic energy dissipation curves of BBPC-1～BBPC-4 specimens

图10 不同轴压比试件的滞回耗能曲线对比Fig.10 Comparison of hysteresis energy consumption curves of specimens with different axial pressure ratios

2.2 骨架曲线

图11-12是每个试件的骨架曲线对比图。在加载方式相同的情况下，现浇墩和装配墩的骨架曲线形状基本接近，后期装配式墩刚度下降更快。比较BBPC-2和BBPC-4（X向），看出双向荷载耦合作用会导致承载能力下降，BBPC-4（X向）荷载小于BBPC-3。装配式墩轴压比和长细比对承载力和刚度的影响与现浇墩基本接近，随增压比增大而增大，随长细比增大而减小。

图11 各试件的荷载-位移骨架曲线对比Fig.11 Comparison of load-displacement skeleton curves of each specimen

图12 不同轴压比试件的荷载-位移骨架曲线对比Fig.12 Comparison of load-displacement skeleton curves of specimens with different axial compression ratios

3 不同设计参数对滞回特性的影响

3.1 滞回曲线对比

使用OpenSees软件，用Truss单元模拟钢筋，用disp-Beam-Column单元模拟桥墩，混凝土结构用修正的Kent-Park模型。改进的Menegotto-Pinto模型（Steel02）适用于普通钢筋，接缝单元用零长度单元，使用不考虑受拉的EPP（Elastic-PerfectlyPlastic）材料模拟，EPP材料是理想的弹塑性材料。图13为有限元模拟和试验所得每个试件X，Y方向的滞回曲线，以BBPC-2试件为例，看出两者差别不大，计算模型具有较高的精度。以下对灌浆波纹管装配式桥墩研究。

图13 BBPC-2拟静力试验结果和有限元模拟对比图Fig.13 Comparison of BBPC-2 quasi-static test results and finite element simulation

3.2 轴压比的影响

模型试件名字命名为BBPC-5、BBPC-6和BBPC-9，轴压比分设为5%、10%和20%，见图14。滞回曲线饱满度和荷载峰值跟轴压比成线性关系，极限荷载急剧下降，轴压比10%的试件滞回耗能后期显著增加。

图14 BBPC-5、BBPC-6和BBPC-9试件的滞回曲线对比Fig.14 Hysteresis curve of the BBPC-5、BBPC-6 and BBPC-9 specimens

3.3 长细比的影响

模型试件名字命名为BBPC-8、BBPC-10和BBPC-11，长细比分设为10、11.47和12.94，见图15。峰值抗力、极限承载能力和滞回曲线饱满程度随长细比减小而增大，滞回耗能变小。

图15 BBPC-8、BBPC-10和BBPC-11试件的滞回曲线对比Fig.15 Hysteresis curve of the BBPC-8、BBPC-10 and BBPC-11 specimens

3.4 耗能钢筋配筋率的影响

模型试件名字命名为BBPC-4、BBPC-12和BBPC-13，耗能钢筋的配筋率分设为0%、0.18%和0.36%，见图16。由图可知：峰值抗力、滞回曲线、极限承载能力和滞回耗能随耗能钢筋配筋率变大而增大。

图16 BBPC-4、BBPC-12和BBPC-13试件的滞回曲线对比Fig.16 Hysteresis curve of the BBPC-4、BBPC-12 and BBPC-13 specimens

3.5 纵筋配筋率的影响

模型试件名字命名为BBPC-14、BBPC-15和BBPC-4，纵筋配筋率分设为0.9%、1.18%和1.50%，见图17。极限承载能力、滞回曲线饱满和峰值抗力都随着纵筋配筋率的增大而增大，滞回耗能前期相近后期增大。

图17 BBPC-14、BBPC-15和BBPC-4试件的滞回曲线对比Fig.17 Hysteresis curve of the BBPC-14、BBPC-15 and BBPC-4 specimens

3.6 混凝土强度的影响

模型试件名字命名为BBPC-16、BBPC-4和BBPC-17，混凝土强度率分设为C30、C40、C50见图18。由图可知：极限承载能力，滞回曲线饱满和峰值抗力都随着混凝土强度的增大而增大，滞回耗能基本不受影响。

图18 BBPC-16、BBPC-4和BBPC-17试件的滞回曲线对比Fig.18 Hysteresis curve of the BBPC-16、BBPC-4 and BBPC-17 specimens

4 考虑双向地震作用性能指标

4.1 性能水准划分

性能水准因结构构件和非结构构件等因素划分，东南大学陈家勇［11］根据其结构破坏特点对预制装配桥墩体系进行了三水准划分。性能水准分四级：轻微损伤（I）、中等破坏（II）、严重破坏（III）和倒塌（IV）。

4.2 性能指标量化

量化指标方面，刘艳辉［12］提出混凝土和钢筋不同性能水准时，得到位移和材料应变值的关系；美国和日本等国家用变形容许位移角定量描述了桥梁各性能水平［13］；孙颖等［14］选用墩顶漂移率作为量化指标；PARK等［15］提出性能指标D；陆本燕等［16］综合混凝土桥墩的破坏特性，分性能水平为“五档”，最后建立了对应其“五档”性能水平的量化指标；根据有限元分析模型和双向拟静力试验，讨论并计算性能指标量化方法。

为使性能水平相对应其损伤程度的划分，表5用4个等级区分损伤指标D的破坏状态。

表5 损伤指数D与破坏等级的关系Table 5 Damage index D relationship with the damage level

根据损伤评价的指标D的计算公式：

根据滞回性能在双向拟静力荷载作用下的特点，得出损伤评价指标D的计算公式：

由计算公式（2），图19损伤指标D对应不同损伤状态，损伤指标D四个等级范围0.04～0.12、0.12～0.34、0.46～0.92和1.28～1.96，Park-Ang指标限值和实测结果一致。所以，装配式桥墩抗震性能评价指标可以采用所提出的损伤指标D。

图19 损伤指标值Fig.19 Damage index

4.3 基于易损性的装配式桥墩地震损伤评估

4.3.1 易损性定义

结构的易损性是指结构在确定的地震强度作用下，超越各种破坏极限状态的条件概率，计算式为：

式中：结构抗震需求Dd；Dc代表结构的抗力；IM意味地震动参数意味结构地震需求对数标准差意味结构抗力对数标准差。地震动参数指标是SA时作为地震动参数指标时

Dd与IM的联系：

得到：

则式（3）可以表示为：

式中：a、b、A和B都代表回归系数。

4.3.2 概率地震需求分析

建立D与地震动参数PGA之间的概率关系。桥墩是桥梁中的重要部位，所以在分析桥梁的易损性时常看墩柱的易损性。

以卓越周期的不同，用5条地震动记录：Landers波、El Centro波、晋江波、Kobe波和Cerro Prieto波。地震动峰值加速度（PGA）作为地震动参数，对每条地震动统一调幅为10个等级，从0.1g至1.0 g。

根据概率需求原理，当结构受到地震作用时线性回归分析变量为地震波的PGA的结构的损伤值，横纵桥向回归结果。

（1）横桥向的回归方程为：

其中相关系数R2=0.637 1

（2）纵桥向的回归方程为：

其中相关系数R2=0.763。

4.3.3 易损性分析

对数正态分布Dd和Dc，分别把式（7）和式（8）两式代入式（3），计算得横纵桥向桥梁墩柱的失效概率。

横桥向：

纵桥向：

将每种情况的地震动强度（PGA）和结构抗震能力的中位值Dc代入表达式（9）和式（10），得出每种情况下的超越概率，因此绘出图20。性能水准Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ表示轻微损伤、中等破坏、严重破坏和倒塌。可以看出：（1）PGA一样时，不同损伤状态下横桥向超越概率比纵桥向低；（2）开始阶段PGA比较小的时候，Ⅲ和Ⅳ曲线平缓，但是Ⅰ和Ⅱ曲线比较陡；PGA中间的时侯，Ⅳ曲线到Ⅰ曲线，开始慢慢变陡；后面PGA比较大时，曲线又开始变于平坦；（3）在确定的一定的地震作用下，桥墩出现的每种破坏状态发生的概率可以通过易损性曲线来计算得出。