双柱式节段拼装桥墩抗震性能的影响因素分析

黄子萱 宁晓骏 马沂帆

（昆明理工大学建筑工程学院，云南昆明 650500）

0 引言

随着交通运输的需求不断增长，预制装配桥梁这项快速建造技术因其建设高效、质量稳定可靠、对环境影响小成为桥梁建设重要的发展方向［1］。在抗震方面，葛继平等［2］采用实体有限元方法分析循环荷载作用下的抗震性能，得出预应力筋增加，构件强度增加但延性降低。张于晔等［3］研究混合体系预制拼装桥墩，发现可同时利用接缝非线性行为和底部塑性铰机制来抵抗地震作用。韩艳等［4］通过拟静力试验分析承插式装配桥墩各影响因素对抗震性能的影响，得出承插深度和灌浆强度增大能提高承插式装配桥墩的承载能力。LIU X 等［5］进行了准静态循环试验，以比较RC 柱、UBPRC 柱和FPC 柱的抗震性能。结果表明，UBPRC 柱具有较高的屈服后刚度和较小的准静态残余位移，但耗能能力较弱。

目前针对这类桥墩的抗震性能研究主要集中在单柱结构上，相对而言，双柱式结构的研究较为匮乏。通过建立有限元模型，对节段拼装桥墩的部分变量进行分析，研究双柱式节段拼装桥墩在不同影响因素变化下的抗震性能，并探讨节段配箍率、轴压比、预应力度对其性能的影响。通过考察其在耗能能力、刚度退化以及预应力损失等方面的变化规律，为以后预应力节段拼装桥墩的设计与应用提供依据。

1 模型建立

1）模型参数。预应力双柱式节段拼装桥墩的基准模型采用的混凝土强度等级为C40，纵筋选用HRB400 级别，配筋率为1.33%；箍筋选用HPB300级别，配箍率为1.16%；预应力钢筋选用5 束s15.2的预应力钢绞线，其抗拉强度标准值为1 860 MPa，预应力度设定为0.4，桥墩构造如图1 所示。

2）单元选择。混凝土采用8 节点六面体线性缩减积分单元（C3D8R）来进行模拟，钢筋无粘结预应力筋的模拟则选择桁架单元建模，仅考虑轴向力的作用。

3）边界条件。普通钢筋与混凝土间的相互作用使用嵌入区域约束，无粘结预应力钢筋的约束使用多点约束，盖梁采用刚度极大的弹性体材料，作为刚体使用；不考虑桩土作用，采用承台底固定的约束方法。

4）荷载施加。上部结构对桥墩产生轴压力，模拟采用在盖梁顶部设置参考点RP-1 并施加向下的集中力的方式；预应力的施加采用降温法；地震作用采用低周往复位移加载方式来模拟，且每个加载等级循环执行一次，加载制度如图2 所示。

图2 加载制度

为全面的反映桥墩的混凝土损伤状况，此次模拟的加载方向选定为45°加载［6］。

2 预应力节段拼装桥墩参数分析

2.1 配箍率影响分析

保持节段拼装桥墩其他影响因素不变，仅改变配箍率，分析GJ-1 至GJ-5 5 个试件，对应配箍率分别为0.75%、1.16%、1.68%、2.28%、2.98%。各桥墩混凝土损伤对比图如图3，其中GJ-2 最大值为0.9825，GJ-4 最大值为0.9676，桥墩混凝土损伤变化规律与其他试件一致，各参考指标的曲线对比如图4 所示，侧向承载力等参数汇总如表1 所示。

表1 不同配箍率试件参数

图3 不同配箍率试件混凝土损伤对比

在Mander 模型［7］中，增加配箍率能够有效增大构件混凝土强度，因此合理增加配箍率会较为明显地减小墩身混凝土损伤。通过对比各配箍率的桥墩混凝土损伤图，可以观察到配箍率在1.16%至2.28%范围内，墩身混凝土的损伤随着配箍率的增加而减小。

根据图4（a）与表1 中数据分析得知，在位移加载的初期阶段，配箍率的变化对桥墩骨架曲线的影响较小；然而，在加载的后期阶段会产生较为显著的影响。当配箍率增大，桥墩的侧向峰值承载力和侧向极限承载力也相应增加。此外，随着配箍率的增加，侧向峰值位移和侧向极限位移呈现出先增大后减小的趋势，并在配箍率为1.68%时达到最高。

从图4（b）观察，加载小于60mm时，配箍率对桥墩的累计耗能能力影响较小，这是因为小位移加载对桥墩节段损伤影响较小。一旦位移加载超过60mm，配箍率的影响变得较为明显。随着配箍率的增加，桥墩的累计耗能能力逐步减弱。这是因为箍筋可以有效约束混凝土，使得配箍率较高的桥墩在大位移加载时损伤较小，能量消耗也较低。

在图4（c）中观察到，不同配箍率的节段拼装桥墩的刚度退化曲线差异较小，可以得出结论配箍率对刚度退化影响极小。

通过观察图4（d），可以得出以下结论：当位移加载小于200 mm 时，不同配箍率下节段拼装桥墩残余位移都较小。当位移加载超过200 mm 后出现较大的差异。节段拼装桥墩的残余位移随着配箍率的增加呈现先减小后增大的趋势。配箍率为0.75%和1.68%时，残余位移分别达到最大、最小值。

2.2 轴压比影响分析

在保持节段拼装桥墩其他影响因素不变的情况下，只改变轴压比，分析了ZYB-1 至ZYB-5 5 个试件，对应的轴压比分别为0.1 至0.5，每次增幅0.1。各桥墩的混凝土损伤对比图如图5 所示，其中ZYB-2最大值为0.982 5，ZYB-4 最大值为0.982 5，桥墩混凝土损伤变化规律与其他试件一致，各参考指标的曲线对比如图6 所示，侧向承载力等参数汇总如表2所示。

表2 不同轴压比试件参数

图5 不同轴压比试件混凝土损伤对比

图6 不同轴压比试件综合曲线对比

通过对比各轴压比下的桥墩混凝土损伤图，可以观察到随着轴压比的增加，墩身损伤会相应地增大。且轴压比达到0.3 后，墩身中部节段混凝土逐渐产生损伤，为了控制墩身混凝土的损伤并减小损伤范围，需要合理控制轴压比。

通过观察图6（a）与表2 可以得出：轴压比对节段拼装桥墩的骨架曲线具有较大影响。节段拼装桥墩的侧向峰值承载力与侧向极限承载力迅速提升，而侧向峰值位移与侧向极限位移则随着轴压比的增大迅速下降，当轴压比达到0.4 后，侧向峰值位移与侧向极限位移的下降速度减缓。

根据图6（b）的分析，可以得出以下结论：节段拼装桥墩的最终累计耗能能力随轴压比的增加呈下降趋势。然而，在桥墩未失效时，在同一位移加载条件下，桥墩的累计耗能能力随着轴压比的增大而增加。尽管提高轴压比可以在初期提高桥墩的耗能能力，但同时会导致桥墩的位移循环减小。因此选择合适的轴压比可以提高整体耗能效果。

从图6（c）看出，随着轴压比的提高，节段拼装桥墩的初始刚度会相应地增加。在位移加载达到100 mm 前，拼装桥墩的刚度快速下降，一旦位移加载超过100mm，桥墩的刚度下降速率减缓并趋于平稳。

从图6（d）看出，当加载位移接近桥墩侧向极限位移时，不同轴压比的节段拼装桥墩的残余位移迅速增大。总体而言，随着轴压比的增大，桥墩的残余位移减小。轴压比小于0.3 时，残余位移的差异较小且较平稳。

2.3 预应力度影响分析

在保持节段拼装桥墩其他影响因素不变的情况下，不改变预应力筋数量只改变预应力度，分析了YYLD-1 至YYLD-5 5 个试件，对应的预应力度分别为0.2 至0.6，每次增幅0.1。各桥墩的混凝土损伤对比图如图7 所示，其中YYLD-2 最大值为0.982 5，YYLD-4 最大值为0.982 5，桥墩混凝土损伤变化规律与其他试件一致，各参考指标的曲线对比如图8 所示，侧向承载力等参数汇总如表3 所示。

表3 不同预应力度试件参数

图7 不同预应力度试件混凝土损伤对比

图8 不同预应力度试件综合曲线对比

通过比较各桥墩混凝土损伤图，可以观察到墩身混凝土损伤随着预应力度的提高逐渐减少但效果并不显著。

根据图8（a）与表3 数据分析，节段拼装桥墩的侧向峰值承载力与侧向极限承载力增长，但增幅并不显著；侧向峰值位移则随着预应力度的增加表现出先增大后减小的变化规律，当预应力度为0.4 时，侧向峰值位移最大，而侧向极限位移随预应力度的增加而逐渐下降。

根据图8（b）分析，可以得出结论：在相同位移加载条件下，不同预应力度的节段拼装桥墩在失效之前的耗能能力不同。随着预应力度的增加，桥墩的耗能能力也增强，即预应力度越大，耗能能力越强。然而，较低的预应力度使得桥墩承受更多次的往复加载，因此在最终的累计耗能效果上，预应力度较低的桥墩具有更强的耗能能力。

通过观察图8（c），可以发现节段拼装桥墩在往复加载过程中，预应力度对刚度退化的影响较小，只有在初始刚度和部分加载段的退化速度上略有差距。

从图8（d）可以看出，位移加载达到300 mm 前，桥墩残余位移变化在不同预应力度下较小且保持稳定。位移加载达到300 mm 后，YYLD-1 与YYLD-2桥墩的残余位移迅速增加。较大的预应力度能够保证节段拼装桥墩从加载初期到失效过程中残余位移较小。相比之下，较小的预应力度只能在位移加载早期阶段保持较小的残余位移，而当加载位移接近侧向极限位移时，残余位移会快速增加。

3 结论

本文设计了4 组不同参数的模拟试验方案，以探究配箍率、轴压比、预应力度对节段拼装桥墩抗震性能的影响，得到以下结论：

1）配箍率的提高可以显著减小墩身损伤和累计耗能能力，桥墩的侧向峰值承载力、极限承载力和侧向极限位移也相应地提升。建议配箍率选择在1.16%～2.28%。

2）轴压比的增大会显著增大桥墩混凝土的损伤程度。然而，提高轴压比可以显著提高桥墩的侧向峰值承载力、侧向极限承载力以及初始刚度和同位移加载下的累计耗能能力，同时减小残余位移。建议轴压比选择在0.2 ～0.4。

3）预应力度的增大可以明显控制桥墩的残余位移。然而，增大预应力度会抑制桥墩的侧向极限位移和总体累计耗能能力。建议预应力度选择在0.2～0.4。