底节段加强对分段预制拼装桥墩抗震性能的影响分析

2023-01-06薛振兴赵建锋

青岛理工大学学报 2022年6期

薛振兴，赵建锋，吴明

(1.青岛理工大学土木工程学院，青岛 266525；2.中铁建工集团山东有限公司，青岛 266041；3.青岛市人民防空办公室，青岛 266072)

对桥梁结构而言，桥墩作为其重要组成部分，在地震活动中发挥着十分重要的作用，且桥墩往往是最容易发生损伤甚至是严重破坏的位置[1-2]。在地震作用下，预制拼装桥墩的塑性铰区域节段会产生较大的纵向压应变从而形成柱脚的刚性转动，造成该区域节段的混凝土保护层受压开裂甚至压碎剥落[3]，进而对桥梁结构的安全运营造成威胁。

目前对桥墩塑性铰区域的加强方式主要有箍筋加密、圆钢管约束、纤维增强复合材料(FRP)包裹、采用纤维水泥基复合材料(ECC)以及超高性能混凝土(UHPC)等，对塑性铰区域的混凝土容许损伤能力都有一定的提升作用[4]。CHOU等[5]采用圆钢管对底节段混凝土约束，发现该方式能够有效减少混凝土的损伤，且钢管高度越高，效果越明显，混凝土损伤越小。MOTAREF等[6]对底节段采用ECC和FRP包裹，能够提高底节段的容许损伤能力，减轻底节段的损伤，并通过振动台试验证实了该措施的有效性。张于晔等[7]提出了一种混合体系，研究发现边缘布置预应力钢筋能够有效保护接缝位置处的混凝土，减少混凝土的损伤，而且还能提高桥墩的承载能力。马煜等[8]对底节段采用粘贴碳纤维增强复合材料(CFRP)的处理方式，该加强方式能够提高桥墩的整体刚度和水平承载力，并且降低桥墩刚度的退化速度。赵建锋等[9]对节段预制拼装桥墩施加隔震体系，采用隔震体系能够明显降低桥墩的地震响应，延长桥墩结构的自振周期，但是无法改善底节段混凝土受损严重的情况。对于分段预制拼装桥墩而言，上述的研究工作仅从单一的加强方式进行考虑，并没有对不同加强方式的抗震效果进行系统的对比分析。

考虑到分段预制拼装桥墩在地震中的损伤主要在底节段的特点，本文对底节段采用了4种常用的不同加强方案，即箍筋加密、UHPC、钢套筒约束以及CFRP包裹，对比不同加强方案对分段预制拼装桥墩抗震性能以及底节段混凝土损伤的影响，并且分析了不同层数的CFRP包裹对抗震性能的影响。

图1 桥墩构造(单位：mm)

1 方案设计

为研究底节段不同的加强方式对分段预制拼装桥墩抗震性能的影响，设置4种方案，并与底节段未加强的桥墩进行对照。其中PSBC1的底节段未进行加强处理，PSBC2的底节段箍筋加密处理，PSBC3的底节段采用UHPC，PSBC4为底节段采用钢套筒约束，PSBC5的底节段粘贴1层CFRP。混凝土采用C40，箍筋采用HRB335，纵筋采用HRB400，预应力钢筋采用抗拉强度为1860 MPa的钢绞线，UHPC的弹性模量为4.205×104MPa、单轴受压峰值应力为138 MPa，钢套筒采用型号为Q345、t=12 mm的钢材，CFRP的抗拉弹性模量为240 GPa、极限抗拉强度为3800 MPa、单层布厚度为0.324 mm。桥墩的尺寸如图1所示，设计参数见表1。

2 模型建立与验证

2.1 模型建立

实体模型能更好地模拟桥墩在往复加载过程中的混凝土损伤，与试验结果较为接近[10]。因此，本文采用ABAQUS软件进行桥墩模型模拟，桥墩模型如图2所示。混凝土采用减缩积分控制的线性八结点六面体单元(C3D8R)模拟，混凝土模型采用ABAQUS中提供的损伤塑性模型(CDP)[11]，该模型能够更好地模拟出混凝土在实际加载过程中的变化；纵筋和箍筋采用桁架单元(T3D2)模拟，钢筋本构采用三折线本构[12]，该本构能够准确描述钢筋的弹性阶段、屈服阶段以及强度阶段；预应力钢筋采用梁单元(B31)模拟，由于预应力钢筋有较高极限抗拉强度，在实际工程中处于弹性状态，因此在本文的模拟中预应力钢筋采用线弹性关系；CFRP布由于较为柔软可忽略其抗弯刚度，采用膜单元(M3D4R)进行模拟[13]。纵筋和箍筋形成钢筋骨架，钢筋骨架通过“Embedded”约束方式嵌于混凝土节段之中。钢套筒、CFRP与混凝土通过绑定(Tie)的约束方式连接在一起[14]。预应力钢筋两端通过“MPC”约束与承台、墩帽相连接。混凝土节段柱之间存在接缝摩擦，通过定义摩擦属性来模拟接缝处的摩擦，切向摩擦系数为0.5，法向摩擦采用硬接触[15]。预应力通过降温的方式施加，静载通过集中力的方式施加。往复加载通过位移荷载控制，位移幅值为桥墩计算高度(2300 mm)的0.1%，0.2%，0.3%，0.5%，0.75%，1%，1.5%，2%，2.5%，3%，3.5%，4%，4.5%，5%，6%，7%，位移加载制度如图3所示。

表1 桥墩设计参数

图2 桥墩有限元模型

图3 位移加载制度

2.2 模型验证

为验证上述模拟方法的准确性，基于文献[16]中的试件2建立ABAQUS有限元桥墩模型。将上述模拟方法建立的桥墩模型所得到的滞回曲线与试验结果对比，如图4所示。结果表明，采用该模拟方法得到的滞回曲线与试验结果吻合程度较高，能够较为准确地预测桥墩的水平承载力、耗能能力以及残余位移等。

3 抗震性能分析

通过提取5个模型的侧向荷载-位移曲线即滞回曲线(图5)得到不同模型的骨架曲线、残余位移、累计耗能以及刚度退化等抗震性能指标，分析不同的加强方式对分段预制拼装桥墩抗震性能的影响。

图5 滞回曲线

桥墩模型的滞回曲线能够反映桥墩在往复荷载作用下的变形特征、刚度退化以及能量消耗等情况的变化。从图5的滞回曲线可以看出，PSBC1，PSBC2以及PSBC5的滞回曲线相对于PSBC3，PSBC4的更加饱满，意味着PSBC1，PSBC2，PSBC5的耗能能力较高。采用UHPC和钢套筒约束加强方式能够提高桥墩的水平承载力，同时减少了桥墩的残余位移。

3.1 骨架曲线

骨架曲线是结构在每次循环加载时最大水平力的轨迹，即每次循环加载的峰值力与相对应位移的曲线。从图6可以看出，PSBC1，PSBC2以及PSBC3在循环加载过程中呈现承载力先上升后下降的趋势，而PSBC4，PSBC5的承载力在此过程中一直呈现上升的趋势。PSBC1和PSBC2的承载力在位移幅值为1%时达到最大值，分别为46.46，46.84 kN；PSBC3的承载力在位移幅值为2.5%时出现最大值，为64.03 kN；而PSBC4和PSBC5的承载力在位移加载过程中一直处于上升阶段，在位移幅值最大时的承载力为68.27，51.58 kN。在位移幅值7%之内，PSBC3，PSBC4以及PSBC5的最大承载力相对于PSBC1分别提升约38%，47%，11%。

3.2 累计耗能

结构不同阶段的累积耗能是指该结构在此阶段之前的滞回曲线面积之和，能够反映结构的耗能能力。从图7的累积耗能曲线可知，随着位移加载不断进行，桥墩的耗能能力也随之不断增加。通过5种情况的对比，发现PSBC1，PSBC2以及PSBC5的耗能能力要明显强于PSBC3，PSBC4。在位移幅值达到最大时，5种情况的累积耗能分别为11 599.24，9 761.91，4 830.86，1 942.25，8 151.11 kN·mm。从最终的累积耗能可以明显地看出，采用UHPC和钢套筒约束显著降低了桥墩的耗能能力，而粘贴CFRP的桥墩累计耗能约为PSBC1的70%，采用箍筋加密的方式对于桥墩的耗能能力影响几乎可以忽略。

3.3 刚度退化

刚度是指材料或结构在受力时抵抗弹性变形的能力，是材料或结构弹性变形难易程度的表征。为了更好地描述桥墩在加载过程中的刚度退化情况，绘制出5种不同底节段加强方式桥墩的KS/K0-U曲线，如图8所示。其中，初始刚度K0为桥墩荷载-位移曲线在原点处的切线斜率，等效刚度KS为桥墩荷载-位移曲线上的任一点与坐标原点连线的斜率，U为位移。

5种模型的初始刚度分别为9.58，9.58，10.69，11.41，9.58 kN/mm。PSBC1，PSBC2以及PSBC5的初始刚度相同，说明底节段采用箍筋加密和粘贴CFRP的方式，对于桥墩的初始刚度没有提升。采用UHPC和钢套筒约束能够有效地提高桥墩的初始刚度，相对于PSBC1提升分别为11.6%，19.1%。从图8可以看出，4种底节段加强的方式对于桥墩的刚度退化没有实质性的改变，均呈现相同变化趋势，而且刚度退化速度相对较快。

3.4 残余位移

残余变形是指已经进入塑性阶段的材料或结构在卸载至初始状态后，其变形不能回到初始状态，而存在的一部分无法恢复的变形，又称为残余位移。从图9中可知，采用4种底节段加强方式能够减少桥墩的残余位移，且采用UHPC、钢套筒约束以及粘贴CFRP的效果要远好于箍筋加密。5种工况下桥墩残余位移在加载前期较小，随着位移不断增加，桥墩的残余位移也随之增大，但没有超过模型高度的1%，都拥有良好的自复位能力。在位移幅值达到最大时，4种工况下桥墩的残余位移分别为27.00，19.51，4.15，4.39，2.15 mm，粘贴CFRP的桥墩残余位移最小，约为普通桥墩的8%。

3.5 混凝土损伤

对于分段预制拼装桥墩而言，在往复荷载的作用下，底节段与承台之间的接缝不断地张开闭合，而且在接缝张开闭合的过程中，底节段的柱脚混凝土产生了受压破坏，甚至是压碎剥落。图10展示了5种工况下桥墩底节段混凝土损伤，且随着损伤因子的增大，混凝土损伤也更加严重。从图10可以看出，混凝土的受压损伤主要发生在加载方向两侧，而且损伤的区域主要是在底节段的下半区域。采用箍筋加密的方式能够减少混凝土的损伤，但是无法改变混凝土损伤严重的情况。采用UHPC和钢套筒约束能够有效地减少混凝土的损伤，而且损伤主要是发生在混凝土保护层，能够有效地保护核心混凝土不受损伤。而粘贴CFRP的桥墩相对于普通桥墩，减少了混凝土的损伤，受损区域仍然较大，但是由于外侧有CFRP包裹，桥墩仍具有较高的强度。

图10 混凝土损伤云图

4 CFRP参数敏感性分析

针对上述分析，与其他加强方式相比，底节段粘贴1层CFRP的分段预制拼装桥墩表现出较好的抗震性能，具有较高的水平承载力、较小的残余位移、良好的耗能能力以及减少混凝土损伤的能力。为了更好地研究不同层数的CFRP包裹对分段预制拼装桥墩抗震性能的影响，本文建立3个模型，分别为底节段包裹1层、2层以及3层CFRP的S1，S2和S3模型，其他设计参数均保持一致。

图11—13分别展示了S1，S2以及S3的滞回曲线、耗能能力以及残余位移。与S1相比，S2在最大水平承载力方面提升了8.7%，最大累计耗能下降了18.8%，残余位移减少了14%。与S2相比，S3在最大水平承载力方面提升了4.2%，最大累计耗能下降了9.9%，残余位移减少了31.5%。随着CFRP层数的增加，提升了对底节段混凝土的约束程度，使得底节段混凝土的破坏程度降低，桥墩的承载力得到提高，耗能能力降低，同时也降低了残余位移，但是改变CFRP层数对桥墩抗震性能的影响并不显著。