基于抗氯盐型灌浆料的承插式预制桥墩的抗震性能研究

宋林林,赵连地,谢尚志,薛 振

(1.山东交通学院,济南 250300; 2.济南城建集团有限公司,济南 250031)

0 引言

随着交通基础设施工业化的快速发展,装配式结构在越来越多的桥梁工程中得到了应用。承插式桥墩作为一种装配式桥墩结构形式,将预制墩柱吊装至承台预留孔内,用高强砂浆或灌浆料填补墩柱周围空隙,不通过钢筋连接令预制墩柱与承台成为整体。与灌浆套筒连接及预应力钢筋连接等以钢筋为联结单元的构造形式相比,承插式桥墩具有施工简单、节约经济等优点,但存在灌浆料耐久性差、结构抗震性能差等不足。承插式桥墩灌浆部位为墩柱与承台连接的关键构造部位,也是薄弱构造部位。韩艳等[1]通过拟静力试验与数值模拟相结合的方法研究了承插式装配桥墩的抗震性能,发现承插式桥墩的承载能力与墩柱嵌入深度及灌浆料性能密切相关。徐艳等[2]研究了灌浆料对承插式桥墩力学性能的影响,对应用高强灌浆料的承插式桥墩试件与现浇整体式试件的抗震进行了对比分析,结果表明,灌浆料的弹性模量对灌浆部位的刚度及稳定性具有直接影响。当前装配式桥梁的服役环境越来越复杂,传统的灌浆料在装配式桥梁结构中暴露的问题越来越多。服役于海域环境或大量使用除冰盐地区的桥梁,氯化物通过灌浆料的毛细孔道进入结构内部,使得灌浆部位的钢筋发生锈蚀,导致钢筋与灌浆料黏结性能退化,对承插式桥墩结构的整体性、抗震性造成影响[3-4]。而灌浆料性能是影响整体结构安全性的关键因素,故亟需一种能够应用于特殊环境下的抗氯盐型灌浆料来弥补传统灌浆材料在耐久性方面的不足,满足高氯盐环境下装配式桥梁工程的需求,并根据该抗氯盐型灌浆料的性能参数,研究应用此灌浆料的承插式预制桥墩的抗震性能。

基于特殊服役条件下承插式预制钢筋混凝土桥墩存在的耐久性问题,配制了一种抗氯盐型灌浆料,通过灌浆料流动度试验、力学性能试验及耐久性试验,确定了其最佳配合比。建立一个承插式钢筋混凝土桥墩有限元模型,将配置的灌浆料应用其中,通过研究该装配式桥墩模型在低周往复荷载下的破坏部位、破坏形态、滞回曲线及耗能情况,分析此承插式钢筋混凝土桥墩的抗震性能。

1 高耐久灌浆料配制及性能测试

1.1 材料及参数

抗氯盐型灌浆料采用P.II52.5等级的普通硅酸盐水泥(C)作为胶凝材料,采用I级粉煤灰(FA)、矿粉(SL)、硅灰(SF)作为矿物掺和料,采用标准砂作为细集料,拌和用水采用自来水。根据灌浆料对早强、微膨胀性方面的需求,掺入聚羧酸高效减水剂、早强剂、膨胀剂等外加剂,制备新型灌浆料。

P.II 52.5普通硅酸盐水泥密度为3.13 g/cm3,比表面积为336 m2/kg。I级粉煤灰密度为2.30 g/cm3,比表面积为428 m2/kg。矿粉密度为2.79 g/cm3,比表面积为460 m2/kg。硅灰密度为2.28 g/cm3,比表面积为22 194 m2/kg。水泥及矿物掺和料的化学组分见表1。

表1 胶凝材料及矿物掺和料化学组分

减水剂添加比例为胶凝材料的1.55%,早强剂添加比例为胶凝材料的1.6%,膨胀剂添加比例为胶凝材料的0.03%。

1.2 灌浆料配比设计及性能试验

为了确定新型灌浆料最佳性能指标及最优配合比,设计5组不同配合比的试验组,根据《水泥基灌浆料应用技术规范》(GB/T 50448-2015)[5]进行灌浆料流动度试验、强度试验及氯离子渗透试验。不同试验组配合比见表2。

表2 不同试验组配合比设计

将水泥、矿物掺和料、标准砂、水及外加剂加入到搅拌机中进行充分拌和,测试新型灌浆料初始及30 min流动度。每试验组成型3组40 mm×40 mm×160 mm尺寸的棱柱体灌浆料试件及φ100×50 mm尺寸的圆柱体灌浆料试件。棱柱体试件用于测试其抗折及抗压强度,圆柱体试件用于测试其氯离子迁移系数。试验过程如图1所示。

图1 试验流程Fig.1 Flow chart of the test

1.3 试验结果及分析

测得新型灌浆料初始及30 min流动度、抗折及抗压强度、28 d氯离子迁移系数如表3所示。

表3 不同配比新型灌浆料试验结果

由表3可知,第1组、第5组灌浆料初始流动度小于300 mm,流动性较差,不能满足灌浆料对于流动度的要求。第2组、第3组灌浆料流动度较好,但力学性能较差,其3 d抗压强度均小于40 MPa,不能满足规范要求。第4组灌浆料流动度较大且力学性能优异,均满足规范要求。

对于灌浆料达不到标准要求的原因,主要是矿物掺和料的添加比例及水灰比不合理。第1组、第5组灌浆料加入了两类矿物掺和料,只添加粉煤灰、矿粉或硅灰,矿物的微观效应、活性效应不明显,且水灰比较小,故导致灌浆料流动性较差。第2组、第3组灌浆料水灰比较大,分别为0.30、0.32,其28 d抗压强度与3 d抗压度相比,分别增长了16%、18%。第4组灌浆料水灰比适中,为0.27,其28 d抗压强度与3 d抗压度相比,增长了约35%。由此说明,水灰比越大,强度越低。

矿物掺和料的添加比例也会影响灌浆料氯离子的迁移系数。矿物掺和料添加比例少,导致灌浆料内部孔隙率较大,进一步加快了氯离子向灌浆料内部的迁移速率,使得灌浆料内部的钢筋发生锈蚀。而第4组灌浆料添加了颗粒大小不同的三类矿物掺和料,能够将灌浆料内部孔隙填充紧密,故其28 d氯离子迁移系数较小,仅为2.04×10-12m2/s,满足高氯盐环境对于高耐久性的需求。

综上所述,第4组灌浆料综合性能最佳,其配合比为水泥∶粉煤灰∶矿粉∶硅灰∶砂∶水=1∶0.16∶0.15∶0.15∶1.00∶0.28。

2 桥墩有限元模拟

承插式钢筋混凝土桥墩模型主要包括圆形墩柱、承台及盖梁,均采用C40混凝土。桥墩总高度为2.2 mm,承台尺寸为0.6 m×1.5 m×0.6 m。将盖梁简化为柱顶端块,尺寸为0.45 m×0.45 m×0.3 m。墩柱高1.2 m,截面直径为0.4 m,墩柱外设置一层高耐久灌浆料填补承插空隙。

墩柱、承台及盖梁纵向钢筋均设置为直径16 mm的HRB335级热轧带肋钢筋,墩柱纵筋为8根,承台、盖梁纵筋为12根。墩柱、承台箍筋均采用直径为10 mm的HRB300级光圆钢筋,盖梁箍筋采用直径为8 mm的HRB300级光圆钢筋。承台及盖梁箍筋间距为80 mm,墩柱箍筋非加密区间距为100 mm,柱底承插部位600 mm的范围设计为箍筋加密区,箍筋间距为60 mm。墩柱、承台及盖梁混凝土保护层均为20 mm。在承台顶面中心位置处预留墩柱承插孔,孔洞直径500 mm,深度为300 mm,灌浆料厚度为10 mm。为防止柱顶混凝土受压破坏,在柱顶布置一层直径10 mm的HRB300的钢筋网片。模型整体及配筋图如图2所示。

图2 模型概况(单位:mm)Fig.2 Overview of the model (mm)

采用Abaqus有限元软件建立承插式钢筋混凝土桥墩,桥墩模型按照上述几何尺寸进行建模,普通混凝土、灌浆料采用实体单元中的C3R8D六面体单元,钢筋材料选取桁架单元中的T3D2单元。为了缩短模型运算分析时间,混凝土与灌浆料、混凝土与钢筋、灌浆料与钢筋之间接触类型设置为不考虑黏结滑移的刚性接触。

为模拟桥墩真实的服役状态,将承台底部设置为完全固结,将上部端块的顶面与侧面分别耦合于一点,在耦合点处添加荷载。端块顶面耦合点施加结构自重大小的竖向集中荷载,侧面耦合点施加低周往复荷载,荷载采用位移控制。

模型中普通混凝土塑性损伤本构模型按照GB50010—2010《混凝土结构设计规范》[6]中的相关参数选取,C40混凝土抗压强度取实测值43.2 MPa,抗拉强度取标准值2.39 MPa,弹性模量取值为3.25×104MPa。目前,灌浆料并没有相对成熟的本构模型,多采用与普通混凝土相似的轴向受压应力-应变曲线,整个曲线由上升段与下降段两部分组成[7],采用灌浆料的抗压强度实测值为65.3 MPa,抗拉强度为7.2 MPa,弹性模量为3.45×104MPa,泊松比为0.2。钢筋的应力-应变关系曲线采用双折线模型,钢筋达到屈服后,应变随应力增大而增大。

3 桥墩抗震性能分析

3.1 破坏部位及破坏形态

ABAQUS中的应力云图可以反映灌浆料与混凝土在低周往复荷载作用下的受压破坏及受拉开裂情况,桥墩的破坏形态如图3所示。

图3 灌浆料与混凝土破坏形态Fig.3 Grouting material and concrete damage pattern

由图3可知,承插式桥墩在地震中受到损坏最严重的部位为预制构件连接处,当加载完毕时,DAMAGEC图表明桥墩立柱混凝土受压破坏的区域为立柱中下部,部分混凝土达到极限压应变被压碎,但由于灌浆料强度较高,未产生破坏。DAMAGET图表明加载结束后,桥墩立柱混凝土在中下部出现较大裂缝,灌浆部位发生轻微损坏,但并未造成钢筋黏脱破坏。当高氯盐环境中桥梁遭遇震害时,应用此抗氯盐型灌浆料装配式桥墩在构件连接处内部产生破坏较小,说明该灌浆料具有良好的工作性能。

3.2 滞回曲线与骨架曲线

该承插式桥墩的滞回曲线与骨架曲线如图4所示。

图4 滞回曲线和骨架曲线Fig.4 Hysteresis curve and skeleton curve

由图4可知,当荷载较小时,桥墩未发生屈服,此时桥墩处于理想的弹性工作阶段,基本未产生残余位移,在滞回曲线中表现为集中与重叠于一条倾斜的直线,此直线的斜率即为桥墩的初始刚度,滞回环的面积较小,基本不存在耗能能力。随着低周往复荷载幅值的增加,桥墩混凝土逐渐开裂,钢筋慢慢屈服,截面刚度也逐渐下降,此时滞回环以梭形为主,曲线比较饱满,滞回环面积相应扩大,表现出较好的耗能能力。荷载继续增大,可以观察到滞回曲线受到钢筋-混凝土滑移的影响,捏拢效应愈发明显,表明耗能能力稳定。通过骨架曲线可知,该承插式桥墩峰值荷载在300 kN左右,能够反映出该桥墩在低周往复荷载作用下的承载能力、刚度等指标满足承插式桥墩抗震要求,具有较好的抵抗地震破坏的能力。

4 结论

基于特殊服役条件下承插式预制钢筋混凝土桥墩存在的耐久性问题,配制了一种抗氯盐型灌浆料,在承插式钢筋混凝土桥墩中应用此灌浆料,针对桥墩整体抗震性能进行有限元建模分析,得出如下结论:通过灌浆料材料性能试验,测得其基本力学指标及氯离子迁移系数能够满足规范要求,确定了最优配合比。数值模拟结果表明,承插式桥墩受震破坏较严重部位在各预制构件连接处,应用此灌浆料的装配式桥墩经加载模拟后,混凝土材料产生严重破坏,但灌浆料连接处发生破坏并不显著。根据滞回曲线图、骨架曲线图及位移延性系数可知,应用此抗氯盐型灌浆料的承插式桥墩在地震作用下耗能稳定,具有稳定的抗震性能。高氯盐环境中装配式桥墩应用此抗氯盐型灌浆料,抵抗氯离子渗透的能力突出,抗震性能能够满足要求,可延长结构的服役寿命。