采用灌漿波紋管連接的預(yù)制拼裝雙柱式橋墩抗震性能研究

蔡葉瀾

（福州市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，福州 350000）

1 引言

節(jié)段預(yù)制拼裝橋墩已經(jīng)在美國(guó)的德克薩斯州、 華盛頓州等地得到廣泛應(yīng)用，我國(guó)在杭州灣跨海大橋、東海大橋、上海長(zhǎng)江大橋、港珠澳大橋等跨海橋梁的橋墩也采用節(jié)段預(yù)制拼裝， 結(jié)果表明： 該技術(shù)能降低現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)量，有效縮短工期，具有明顯的優(yōu)越性[1-8]。 目前節(jié)段預(yù)制拼裝橋墩的拼接接頭主要采用灌漿套筒接頭、 灌漿金屬波紋管接頭等型式，其中灌漿套筒的直徑一般較小，對(duì)拼接施工的精度要求較高， 而灌漿金屬波紋管的直徑相對(duì)較大，拼接施工的難度相對(duì)較小，是一種具有較好發(fā)展前景的接頭構(gòu)造。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)針對(duì)節(jié)段拼裝橋墩的抗震性能，開展了大量的理論研究和試驗(yàn)研究， 主要圍繞單柱墩的承臺(tái)-墩柱節(jié)點(diǎn)或墩柱-墩柱節(jié)點(diǎn)， 且一般采用單向加載[9-12]。 然而實(shí)際工程中的橋墩，以雙柱墩和多柱墩居多，其節(jié)點(diǎn)連接構(gòu)造和塑性鉸機(jī)制比單柱墩復(fù)雜得多，在地震作用下常受到雙向或多向荷載作用。為此，本文擬在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上， 研究采用灌漿金屬波紋管接頭的節(jié)段拼裝雙柱墩的抗震性能，以預(yù)應(yīng)力度為主要參數(shù)，建立數(shù)值分析模型， 研究關(guān)鍵參數(shù)對(duì)節(jié)段拼裝雙柱墩抗震性能的影響規(guī)律。

2 有限元模擬

OpenSees 有限元分析軟件是由加州大學(xué)伯克利分校為主研發(fā)而成，以結(jié)構(gòu)分析為主體，適用于結(jié)構(gòu)靜力或動(dòng)力的非線性分析等， 自1997 年正式推出第一版本以來，越來越受到全世界從事土木工程各個(gè)領(lǐng)域?qū)W者的青睞，在美國(guó)的一些大學(xué)和科研院所的科研項(xiàng)目中已被廣泛采用[13-14]。 邵淑營(yíng)[15]開展了采用灌漿波紋管接頭的雙柱式橋墩擬靜力試驗(yàn)，采用OpenSees 有限元軟件中的纖維梁?jiǎn)卧M了試件的受力過程，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果表明OpenSees 有限元軟件具有較高的非線性數(shù)值模擬精度，可用于參數(shù)分析。

2.1 試件設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際工程中的某橋?yàn)楸尘埃O(shè)計(jì)了縮尺比為1∶5的節(jié)段拼裝雙柱墩試件(圖1)， 設(shè)計(jì)軸壓比為0.05、0.1、0.2 三種。橋墩承臺(tái)尺寸為2400mm×720mm×360mm，蓋梁尺寸為3300mm×550mm×350mm， 墩身直徑為250mm，墩高1365mm。 試件采用C40 商品混凝土；墩身沿圓周均勻布置8 根縱筋，直徑為14mm，配筋率為2.51%；箍筋采用的光圓環(huán)形鋼筋，直徑為8mm，間距為80mm，配箍率為1.14%，其中距離承臺(tái)、蓋梁300mm 范圍內(nèi)設(shè)置箍筋加密區(qū)， 間距為50mm。 對(duì)于PGCP 試件， 預(yù)應(yīng)力筋采用1×7φ5，單根張拉力為93.8kN，預(yù)應(yīng)力筋穿過接縫，并通過灌漿金屬波紋管連接。試件底部承臺(tái)和蓋梁均配有鋼筋網(wǎng)，沿高度方向分為4 層。 墩身混凝土保護(hù)層厚度取20mm。

2.2 模型的建立

節(jié)段拼裝橋墩采用非線性梁柱單元(Nonlinear Beam-Column Element) 進(jìn)行建模， 試件模型如圖2 所示(利用OpenSeesIDE 程序顯示模型形狀)；對(duì)于蓋梁，采用彈性梁柱單元(Elastic Beam-Column Element)進(jìn)行建模。將墩柱縱筋和混凝土視為一個(gè)整體， 再將截面劃分為纖維單元，分別賦予其相應(yīng)的材料屬性。沿墩身長(zhǎng)度方向劃分5 個(gè)單元；沿蓋梁長(zhǎng)度方向劃分4 個(gè)單元，墩底邊界條件為固結(jié)。

圖1 試件示意圖(單位：mm)

圖2 PGCP 試件示意圖

3 參數(shù)分析

對(duì)外加預(yù)應(yīng)力的灌漿波紋管節(jié)段拼裝試件進(jìn)行參數(shù)分析。針對(duì)軸壓比、縱筋配筋率、初始預(yù)應(yīng)力大小、預(yù)應(yīng)力配筋率、立柱高度參數(shù)進(jìn)行了針對(duì)性模擬，探討上述參數(shù)對(duì)試件滯回曲線、骨架曲線、滯回耗能、殘余位移和等效剛度的影響。

3.1 軸壓比

討論軸壓比對(duì)預(yù)應(yīng)力灌漿波紋管節(jié)段拼裝橋墩抗震性能的影響，考慮軸壓比為5%、10%、20%，進(jìn)行參數(shù)分析。由圖3 可知，隨著軸壓比的增大，滯回曲線飽滿程度有所增加，表現(xiàn)為滯回耗能的增加；峰值荷載略微提高；殘余位移增大；屈服前期剛度有所提高，后期剛度退化較快。

3.2 縱筋配筋率

討論縱筋配筋率對(duì)預(yù)應(yīng)力灌漿波紋管節(jié)段拼裝橋墩抗震性能的影響， 考慮縱筋配筋率為1.57%、1.88%、2.19%，進(jìn)行參數(shù)分析。由圖4 可知，隨著縱筋配筋率的增大， 滯回曲線飽滿程度增加明顯， 表現(xiàn)為滯回耗能的增加；峰值荷載提高；中后期的等效剛度提高。

圖3 軸壓比的影響

圖4 縱向配筋率的影響

3.3 初始預(yù)應(yīng)力大小

初始預(yù)應(yīng)力的增加可以提高橋墩的屈服強(qiáng)度， 對(duì)于節(jié)段拼裝橋墩效果更為明顯。 預(yù)應(yīng)力筋將墩身節(jié)段連接成為整體， 通過施加初始預(yù)應(yīng)力使得節(jié)段接縫依靠摩擦力抵抗側(cè)向剪切力的作用。預(yù)應(yīng)力偏小，橋墩的整體剛度不夠， 則易出現(xiàn)橋墩接縫的剪切滑移破壞； 若預(yù)應(yīng)力偏大， 將引起橋墩塑性鉸區(qū)混凝土提前壓碎以致屈服后強(qiáng)度下降較快。

對(duì)于預(yù)應(yīng)力灌漿波紋管節(jié)段拼裝試件， 以初始預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的軸壓比7.47%、14.94%、22.41%，進(jìn)行參數(shù)分析。由圖5 可知，隨著初始預(yù)應(yīng)力的增大，滯回曲線飽滿程度變化不大；峰值荷載略微提高；殘余位移略微降低；前中期等效剛度提高。

3.4 預(yù)應(yīng)力筋配筋率

討論預(yù)應(yīng)力筋配筋率對(duì)預(yù)應(yīng)力灌漿波紋管節(jié)段拼裝橋墩抗震性能的影響， 考慮預(yù)應(yīng)力筋配筋率為0.14%、0.28%、0.56%，進(jìn)行參數(shù)分析。由圖6 可知，隨著預(yù)應(yīng)力筋配筋率的增大，滯回曲線飽滿程度變化不大，滯回耗能增加不明顯；峰值荷載提高；殘余位移降低；等效剛度提高。

3.5 立柱高度

討論立柱高度對(duì)預(yù)應(yīng)力灌漿波紋管節(jié)段拼裝橋墩抗震性能的影響，其他參數(shù)相同，將立柱高度設(shè)為1 m、1.25 m、1.5 m，進(jìn)行參數(shù)分析。由圖7 可知：隨著立柱高度的減小，滯回曲線飽滿程度有較大幅度的增大；峰值荷載明顯增大；殘余位移增大；等效剛度增大。

4 結(jié)論

對(duì)采用灌漿波紋管連接的節(jié)段拼裝雙柱墩的抗震性能進(jìn)行數(shù)值分析， 研究其滯回特性、 損傷機(jī)理和破壞模式，并進(jìn)行參數(shù)的敏感性分析，得到的主要結(jié)論如下。

(1)從滯回曲線形狀上看：試件X 向滯回環(huán)呈現(xiàn)為梭形，Y 向滯回環(huán)滑移現(xiàn)象明顯。這是由于試件X 方向優(yōu)先加載引起的損傷影響了Y 方向的滯回性能，此外，Y 方向約束少，剛度小，強(qiáng)度退化較快，導(dǎo)致其卸載段更接近于一條直線；從骨架曲線形狀上看：節(jié)段拼裝試件經(jīng)歷強(qiáng)度上升、穩(wěn)定和退化3 個(gè)階段，骨架曲線大致呈三折線。

圖5 初始預(yù)應(yīng)力大小的影響

圖7 立柱高度的影響

(2)隨著軸壓比增大，試件的滯回曲線飽滿程度有所增加，峰值荷載略微提高，殘余位移增大，屈服前期剛度有所提高，后期剛度退化較快。

(3)縱筋配筋率對(duì)模型滯回曲線的影響較大，隨著縱筋配筋率的增大，滯回曲線飽滿程度增加明顯；峰值荷載提高；中后期的等效剛度提高。

(4)施加預(yù)應(yīng)力后，試件自復(fù)位能力提高，殘余位移減小，延性水平、等效剛度、耗能能力和極限承載力有所提高。預(yù)應(yīng)力的存在使試件峰值承載力出現(xiàn)時(shí)間滯后，抗震性能較好。初始預(yù)應(yīng)力對(duì)模型滯回曲線的影響較小，初始預(yù)應(yīng)力增大，滯回曲線飽滿程度變化不大，峰值荷載略微提高，殘余位移略微降低，前中期等效剛度提高。 隨著預(yù)應(yīng)力筋配筋率的增大，滯回曲線飽滿程度變化不大，峰值荷載提高，殘余位移降低，等效剛度提高。

(5)隨著立柱高度的減小，滯回曲線飽滿程度有較大幅度的增大，峰值荷載明顯增大，殘余位移增大，等效剛度增大。