超高强-普通钢筋混合配筋节段拼装桥墩抗震性能分析

蔡忠奎，苑 溦

(1.南京工业大学 土木工程学院，江苏 南京 211816； 2.江苏开放大学 建筑工程学院，江苏 南京 211816)

0 引言

“一带一路”重大战略的顺利实施需要加速建设沿线国家的交通基础设施，国内中长期高速铁路和高速公路网络的建设任务十分紧迫，同时，各大中城市为解决空间问题也亟需建设立体交通系统，这些迫切任务的顺利完成要求作为交通枢纽的桥梁结构能够实现高效率、生态化的建造。然而，传统现浇施工方式往往导致整个桥梁建设工期冗长、桥位附近生态和生活环境劣化[1]。

预制节段拼装桥墩(Precast Segmental Bridge Column，简称PSBC)为提高桥梁下部结构建造效率提供了有效思路[2]。如图1(a)所示，PSBC是将钢筋混凝土墩身沿纵向划分为若干节段进行模块化预制，再在建造时将诸预制节段进行机械化拼装成整体。由于预制节段体量小、自重轻，便于运输和吊装，因此PSBC尤其适用于施工条件较为严苛的山区桥梁和交通密集的城市高架桥梁。图1(b)为2010年落成的美国Hoover Dam大桥，该桥中应用了高达92 m的PSBC构件[3]。

HEWES等[4]对早期PSBC的抗震性能开展了拟静力试验研究。研究表明，该类桥墩各节段仅依赖预应力筋连接，滞回耗能能力较差，震后残余位移很小、有利于震后快速修复。为提高PSBC的抗震性能，国内外学者研究了多种新型材料的作用效果，包括纤维增强复合材料、超高性能混凝土和超高强钢筋等。此处，强度在700 MPa以上的钢筋通常被称为“超高强钢筋”，从而区别于500 MPa和600 MPa级高强钢筋[5-6]。但能够同时提高PSBC抗震性能和自复位性能的有效策略鲜见报道。

针对上述问题，作者提出“混合配筋PSBC”概念，其构造如图1(c)所示，是在PSBC中同时配置普通钢筋和超高强钢筋，使两类纵筋置于预制墩身和承台预留孔道内并灌浆。超高强钢筋采用精轧螺纹钢筋，但不施加预应力。无黏结预应力筋采用钢绞线制作，置于墩身中心用以连接诸预制节段。实际拼装时，混合配筋PSBC的两类纵筋从承台内伸出，插入到混凝土节段的预留孔道内；同时，在预制节段的吊起、下放过程中令预应力筋穿过各节段；拼装时采用环氧树脂胶接缝，各节段端面均为水平面；通过张拉预应力筋使拼接缝密闭贴合，然后进行压力灌浆作业。施工工艺未尽之处请详见作者相关专利说明材料[7]。

图1 节段拼装桥墩示意图

为检验该新型PSBC设计理念的有效性，对3个总高4.2 m、截面尺寸0.6 m×0.4 m的桥墩试件进行了拟静力试验研究。试验结果表明，超高强钢筋在普通钢筋屈服后依然保持弹性，有效提高了桥墩的屈服后刚度，可在保持滞回耗能能力基本不变的前提下显著减小桥墩的残余位移。得益于金属波纹管的凹凸外形与内部灌浆料的优异强度，超高强和普通钢筋可与墩身混凝土协同工作，避免纵筋滑移破坏，充分发挥超高强钢筋的强度特性。而且，试验结束后发现两类纵筋几乎没有受压屈曲现象，这主要是因为混合纵筋受到了高强灌浆料、金属波纹管、钢箍筋和混凝土的共同约束作用。

在试验研究的基础上，本文继续针对混合配置超高强与普通钢筋的PSBC开展数值研究，建立精细化有限元模型，开展单调与滞回加载分析，揭示主要设计参数对此类新型PSBC抗震性能的影响规律，为进一步提出基于性能的抗震设计方法奠定基础。

1 混合配筋PSBC建模方法和验证

1.1 纤维模型建模方法

太平洋地震工程中心开发的OpenSees平台在桥梁抗震分析中的高效性已广为验证[2，8]，故本文基于该平台建立混合配筋PSBC纤维模型。PSBC与传统现浇钢筋桥墩的主要差异在于前者存在一定数量的拼接缝。因此，在现有的现浇桥墩的模拟方法上，准确考虑接缝截面上的材料分布和力学行为，即可提出PSBC纤维单元模型建立方法。从配筋构造上看，如图1(c)所示，每个墩身节段在预制时需要配置少量小直径的架立筋，固定箍筋和金属波纹管形成骨架，再浇筑混凝土；这些架立筋仅位于节段内部，不存在于接缝处。从传力特征上看，节段内混凝土可传递拉应力，接缝可视作混凝土完全受拉开裂，因此不能传递拉应力。从边界条件上看，PSBC拼接缝处的抗剪承载力主要由贯通钢筋的销栓作用和节段间的静摩擦力两部分组成，接缝抗剪承载力大于桥墩构件自身的水平承载力，理论上不会发生节段剪切错动；国内外多位研究者[4，9-10]与本文作者开展的拟静力试验结果表明，PSBC的拼接缝(主要是墩底接缝)在水平位移作用下会发生张开与闭合，但各节段间基本没有剪切错动。因此，在纤维模型中应考虑接缝上下两节段在水平自由度上变形耦合、不发生错动，而在转动自由度上并不耦合、可以有相对转动。根据上述分析，建立如图2所示的纤维模型并详细阐述如下。

如图2所示，每个预制钢筋混凝土节段均采用一个非线性梁柱单元(Nonlinear Beam Column)模拟，该单元是基于柔度法建立的梁柱单元。本文沿非线性梁柱单元长度方向设置5个积分点。每个节段拼接缝均采用一个零长度截面单元(Zero Length Section)模拟。在桥墩每个拼接缝处存在着相互接触的两个节段端面，故对应建立两个具有相同坐标的节点，同时如图2所示，对这两个节点的水平自由度施加耦合约束，即限制节段间的剪切错动。图2还示出了赋给每个节段单元和每个接缝单元的纤维截面，其中后者截面上无架立筋纤维，且混凝土保护层和约束混凝土纤维的抗拉强度ft均为0。本文中PSBC模型的预应力是通过位于墩身中心的1 860 MPa级无黏结钢绞线施加的。在纤维模型中，预应力筋采用桁架单元(Corot Truss)模拟，并令单元顶部和底部节点的自由度分别从属于基础和墩顶节点，以此模拟预应力筋两端的锚固效果。

图2 PSBC纤维模型建模方法

纤维模型中各材料的本构模型详述如下。矩形截面桥墩混凝土采用Kent-Scott-Park混凝土本构模型(Concrete02)，并考虑了箍筋对核心混凝土的约束效果。由于Kent-Scott-Park本构模型基于体积配箍率来考虑箍筋对核心混凝土的约束作用，因此本文未对箍筋肢数、弯钩等构造细节予以限定。桥墩纵向钢筋采用Chang-Mander钢筋本构模型(ReinforcingSteel)；无黏结预应力筋采用理想弹塑性本构模型(ElasticPP)，并通过设置初始应力参数来施加预应力。墩底接缝由于应变渗透效应引起的滑移行为采用粘结滑移本构模型(Bond_SP01)。各类本构模型的关键参数计算方法和文献依据汇总于表1。

表1 材料本构模型关键参数计算方法Table 1 Calculation methods for key parameters in material stress-strain relationships材料本构模型关键参数计算方法参考文献混凝土Concrete02本构模型约束混凝土峰值压应力fcc=(1+ρvfyhfc0)fc0SCOTT等[11]约束混凝土极限压应变εccu=0.004+0.9 ρv(fyh300)SCOTT等[11]混凝土轴心抗拉强度ft=0.622 8fcYASSIN[12]钢筋Reinforcing Steel本构模型初始硬化应变εsh=3εyCHANG等[13]初始硬化模量Esh=0.01Es粘结滑移Bond_SP01本构模型钢筋屈服时的滑移量sy=2.54(db8 4371.8 fyfc)2.5+0.34ZHAO等[14]钢筋达峰值强度时的滑移量su=(30 ～ 40)sy 注: fc0为未约束混凝土轴心抗压强度;ρv为体积配箍率;fyh为箍筋屈服强度;fy为纵向钢筋屈服强度;εy为纵向钢筋屈服应变;Es为钢筋弹性模量;db为纵筋直径。

1.2 纤维模型验证

根据上述纤维模型建模方法，对作者开展的拟静力试验中的3个PSBC试件进行模拟，检验此建模方法的有效性。PSBC试件为截面尺寸0.6 m ×0.4 m、总高度4.2 m的矩形桥墩，其中，试件ED1N1为传统的仅配置HRB400级普通钢筋的PS-BC桥墩，试件PSB3N1和PSB3N2为采用PSB1080级超高强钢筋和HRB400级普通钢筋的混合配筋PSBC。其他试件设计信息详见参考文献[15]。

图3所示为纤维模型分析所得滞回曲线与拟静力试验滞回曲线的对比情况，由该对比结果可知，上述模拟方法在预测传统型和混合配筋PSBC水平力-位移反应方面具有较好的准确性。下面，将采用此建模方法开展更为深入的参数分析。

(a)与传统PSBC试件对比

2 工况设计

表2所示为所设计的13个PSBC分析工况。所有PSBC工况具有相同的几何尺寸，为1.2 m×0.8 m的矩形截面，墩身高度为6.4 m，属于城市高架桥常见墩柱尺寸[16]。沿墩高分为3个节段，每个节段重约5.1 t，适合采用灵活机动的中小型运输吊装设备快速施工。根据《城市桥梁抗震设计规范(CJJ 166-2011)》，各工况桥墩均采用C45混凝土，则未约束混凝土轴心抗压强度fc=35 MPa；各桥墩轴压比nG均取为0.1，则桥梁上部结构传递给桥墩的轴力N按下式计算：

N=0.1fcA

(1)

式中：A为墩身全截面面积。另外，各桥墩施加的预应力产生的轴压比为0.05。所有桥墩工况的箍筋采用HRB400级热轧带肋钢筋，沿桥墩全高进行箍筋加密，体积配箍率为1.0%，满足《城市桥梁抗震设计规范(CJJ 166-2011)》的规定，可对核心混凝土形成有效约束。

本文主要研究两个变量对混合配筋PSBC抗震性能的影响规律，即超高强钢筋的屈服强度和混配比例。共选择3种精轧螺纹钢筋作为超高强钢筋，即国家标准《预应力混凝土用螺纹钢筋》中的PSB785、PSB1080和PSB1200级筋材，三者的名义屈服强度分别为785、1 080和1 200 MPa，抗拉强度分别为930、1 230和1 330 MPa。第二个变量“混配比例”即超高强钢筋面积占全部纵筋面积的比例，共5种取值：0%(表示仅有普通钢筋)、20%、30%、40%和50%。另外，13个工况的总配筋率均为1.6%，满足《城市桥梁抗震设计规范》要求。

在表2所示的13个工况中，“R1”为传统的仅配置普通钢筋的PSBC对比件；其余12个工况为混合配筋PSBC。混合配筋工况的名称均由两部分组成，第一部分的字母“PSB”与其后数字表示超高强钢筋类型，并根据超高强钢筋类型而分为3组；第二部分的字母“H”与其后数字表示混配比例。例如，第一组试件PSB785H40表示采用PSB785级精轧螺纹钢筋作超高强钢筋，且超高强钢筋占总配筋率的40%。

表2 参数分析工况Table 2 Design of parameter analysis序号工况名称超高强钢筋类型混配比例/%超高强钢筋配筋率/%普通钢筋配筋率/%总筋率/%1R1无00 1.61.62PSB785H20PSB785200.321.281.63PSB785H30PSB785300.481.121.64PSB785H40PSB785400.640.961.65PSB785H50PSB785500.800.801.66PSB1080H20PSB1080200.321.281.67PSB1080H30PSB1080300.481.121.68PSB1080H40PSB1080400.640.961.69PSB1080H50PSB1080500.800.801.610PSB1200H20PSB1200200.321.281.611PSB1200H30PSB1200300.481.121.612PSB1200H40PSB1200400.640.961.613PSB1200H50PSB1200500.800.801.6

3 单调加载分析

所有PSBC工况在墩顶沿弱轴施加水平位移，则桥墩截面高度为0.8 m；单调加载至8%位移角，即512 mm，得到桥墩水平力-位移单调加载曲线，如图4所示。图4(a)、图4(b)、图4(c)分别为采用PSB785、PSB1080和PSB1200级超高强钢筋的混合配筋PSBC试件与对比件R1的单调加载曲线对比情况。由此3个图可知，将PSBC构件中所配置的一部分纵向普通钢筋替换为超高强钢筋，有利于桥墩水平承载力的提高，且对其初始抗侧刚度没有影响，即对桥墩基本自振周期没有影响。这是由于两类筋材的弹性模量相同，而超高强钢筋在普通钢筋屈服后依然保持弹性，故可促进混合配筋PSBC水平承载力的进一步提高。图4(d)所示为混配比例同为40%的3个混合配筋PSBC与对比件R1的对比情况。由该图可知，增加超高强钢筋的屈服强度有助于提高混合配筋PSBC的水平承载能力。

(a)采用PSB785级超高强钢筋

屈服点可用于表征材料或构件开始出现不可恢复的残余变形，因此，对于传统仅配置普通钢筋的桥墩、以及新型混合配筋桥墩而言，均可将普通钢筋的首次受拉屈服作为屈服点，这也便于实现基于性能的抗震设计。混合配筋PSBC中纵向普通钢筋率先屈服，此时相应的水平位移定义为屈服位移Dy，水平力定义为屈服荷载Vy。桥墩屈服之后，超高强钢筋依然保持弹性，故桥墩水平承载力随加载位移继续增加，表现出明显的屈服后强化行为，该行为可用下面两个性能指标来刻画。第一个指标为屈服后刚度比rk，定义为：

(2)

式中：k1是初始刚度，取为单调加载曲线上屈服点割线刚度；k2是屈服后刚度，即屈服点与峰值点连线的斜率；Vp和Dp分别是峰值力和峰值位移。叶列平[17]等指出，屈服后刚度比的增加有利于减小结构震后残余位移和地震响应离散性。第二个指标为强化段长度系数μΔp，定义为：

(3)

由上式可知，强化段长度系数表示从屈服位移开始强化、直至达到峰值位移这一过程的相对长度。另外，μΔp本质上为采用峰值位移计算的位移延性系数。上述各性能参数的计算结果汇总于表3，并将混合配筋对PSBC屈服后强化能力的影响结果示于图5。

由图5(a)可知，混合配筋可显著提高PSBC屈服后刚度比rk。例如，第2组采用PSB1080级超高强钢筋、且混配比例为30%的试件P1080H30的rk是对比件R1的1.7倍；第3组工况PSB1200H50的rk是对比件R1的2.1倍。同时，提高超高强钢筋的屈服强度或混配比例，均有利于混合配筋PSBC屈服后刚度比的增加。由图5(b)可知，混合配筋可使PSBC构件屈服后的强化行为更加明显，具有更长的强化段，且强化段长度系数μΔp随着超高强钢筋屈服强度和混配比例的增加而增大。例如，工况PSB1200H50的μΔp约是对比件R1的2倍。另外，强化段长度系数本质上为采用峰值位移计算的位移延性系数，因此由图5(b)还可获悉混合配筋可有效提高PSBC的位移延性。

表3 工况分析结果Table 3 Parameter analysis results序号工况名称屈服位移角/%屈服力/kN峰值位移角/%峰值力/kN超强钢筋屈服角/%rk/%μΔp残余位移角/%1R10.9504.12.1 565.1—0.09 2.35 2.832P785H200.9506.92.6 636.81.240.13 3.01 2.813P785H300.9512.73.1 675.31.300.13 3.45 2.584P785H400.9513.63.3 715.11.350.15 3.68 2.445P785H500.9513.73.4 754.91.410.17 3.80 2.326P1080H200.9511.32.9 670.51.540.14 3.27 2.657P1080H300.9513.13.3 727.01.670.15 3.73 2.438P1080H400.9514.23.7 785.71.780.17 4.18 2.179P1080H500.9514.43.9 846.51.890.19 4.41 1.9910P1200H200.9511.43.0 682.91.670.14 3.38 2.5811P1200H300.9513.13.5 746.41.820.15 3.95 2.3012P1200H400.9514.33.8 812.71.950.18 4.30 2.0213P1200H500.9514.54.2 884.42.100.19 4.73 1.81

(a)对屈服后刚度比的影响

4 滞回加载分析

对所设计的13个工况继续开展滞回加载分析，研究混合配筋桥墩在往复水平荷载作用下的响应规律。鉴于桥墩在地震作用下最大位移角反应约为3%到4.5%，本文中各工况循环加载至4.5%位移角。图6所示为混合配筋工况PSB785H30和PSB1200H30与仅配置普通钢筋的工况R1的滞回曲线对比结果。根据滞回曲线，可计算出各工况在各级加载位移下的残余位移角和累积滞回耗能，分别如图7和图8所示。此处，残余位移角是指残余位移与桥墩高度的比值。各工况循环加载结束时的残余位移角汇总于表3。

(a)工况PSB785H30与对比件的滞回曲线

图7揭示了混配比例和超高强钢筋屈服强度对混合配筋PSBC自复位能力的影响规律。分析图7(a)可以得出以下两条重要结论。第一，采用相同强度的超高强钢筋时，增大混配比例可减小混合配筋PSBC的残余位移，即提高其自复位能力。由表3可知，工况PSB1200H30和PSB1200H50的残余位移角分别比对比工况R1减小19%和36%。第二，PSBC的残余位移角随加载位移的增加而迅速增大，可见，控制桥墩震时最大位移响应是减小其震后残余位移的重要策略。分析图7(b)可知，采用相同的混配比例时，提高超高强钢筋的屈服强度有利于混合配筋残余位移的减小。

普通钢筋和超刚强钢筋的屈服情况对各工况桥墩的残余位移角有直接影响。表3示出13个桥墩模型的普通钢筋屈服均发生于0.9%位移角(即桥墩屈服位移角均为0.9%)，而混合配筋桥墩中超高强钢筋受拉屈服发生于位移角1.24%至2.10%。因此，混合配筋桥墩中纵筋的分批屈服是此类新型桥墩具有较高屈服后刚度比和较小残余位移的内在力学机理。另外，由图7还可看出，在较大位移角时(超高强钢筋已屈服)，混合配筋桥墩在减小残余位移角的优势有所减弱。例如，加载至2%位移角时，PSB785H40的残余位移角比对比件R1减小了51%；而在4.5%位移角时，PSB785H40比R1减小了14%。

(a)混配比例的影响

图8揭示了混配比例和超高强钢筋屈服强度对混合配筋PSBC耗能能力的影响规律。观察图8(a)和图8(b)可以发现，各混合配筋PSBC工况的累积滞回耗能曲线与对比件R1的耗能曲线十分接近。该结果表明，当混合配筋PSBC的超高强钢筋屈服强度在785 MPa至1 200 MPa之间变化、混配比例在20%至50%之间变化时，混合配筋PSBC的滞回耗能能力与仅配置普通钢筋的PSBC相似。据此可知，混合配筋创新策略在提高桥墩自复位能力的同时，可确保耗能能力基本不变。值得一提的是，能够不牺牲PSBC耗能能力而提高其自复位能力的有效方案依然少有报道。

(a)混配比例的影响

5 结论

a.就本文工况而言，将传统PSBC中20%～50%的普通热轧带肋钢筋替换为屈服强度为785～1 200 MPa的精轧螺纹钢筋(作为超高强钢筋)，可实现纵筋的分批屈服，从而有效提高PSBC的屈服后刚度比rk和强化段长度系数μΔp。本文研究结果表明，混合配筋PSBC的rk最高可增至传统PSBC对比件的2倍左右。

b.提高超高强钢筋的屈服强度或混配比例，均有利于混合配筋PSBC的自复位能力的提高。本文研究结果表明，往复加载至4.5%位移角时，与仅配置普通钢筋的传统PSBC相比，混合配筋PSBC的残余位移最多可减小36%。另外，混合配筋创新策略在提高桥墩自复位能力的同时可确保耗能能力基本不变，而能实现此性能目标的其他有效方案依然少有报道。

c.由本文分析结果可知，经过合理设计，超高强钢筋可增加混合配筋桥墩的屈服后强化能力和自复位能力，且对其初始抗侧刚度和基本自振周期没有影响。因此，在以提高铁路桥梁工程的震后功能性和可修复性为设计目标时，可将配置超高强钢筋-普通钢筋的混合配筋桥墩作为潜在可行的方案之一。