大跨徑超高性能混凝土雙肢薄壁高墩的抗震性能分析

張永偉

（山西省交通新技術發展有限公司，山西 太原 030012）

0 引言

超高性能混凝土（UHPC）是指利用纖維、水泥、硅粉、粉煤灰、高效減水劑等配制而成的高強度、高延性、低孔隙率的新型復合材料[1-3]，據相關研究表明：其抗壓、抗拉強度是普通混凝土的4倍，抗折強度可達普通混凝土的10倍，斷裂能更是可以達到普通混凝土的250倍，具有良好的收縮徐變和耐久性能，已廣泛應用于裝配式建筑，預制梁、板、柱等建筑結構中，取得了較好的應用效果[4-8]。

雙薄壁墩是當前大跨徑連續剛構橋中橋墩的常用形式，由兩個相互平行的墩壁與主梁鉸接或者剛接而成，作為一種柔性墩，它既可以承受上部荷載，保持橋梁相對穩定，又可滿足上部結構位移變形的需要，對于大跨徑橋墩，除了滿足承載和耐久特性，橋墩的抗震性能一直是工程界研究的重點問題[9]。陳愛軍等[10]通過試驗研究發現，當軸壓取5%時，試驗雙肢薄壁的延性最差，當軸壓比取10%時，試驗雙肢薄壁的延性最好；蘇鵬[11]、陳彥江[12]等研究了系梁設置對雙肢薄壁剛構橋地震響應的影響，認為合理設置梁系可以減小支座在地震中的響應；朱麗杰以水大橋為例，模擬研究了壁厚對雙肢薄壁墩溫度場及溫差效應的影響[13]。

將UHPC應用于橋梁建設，不僅可以提升橋梁的力學性能和耐久性，還可以減小構件自重，使得吊裝更為簡便。但是，將UHPC應用于橋墩的研究還相對較少，故本文開展了大跨徑超高性能混凝土雙肢薄壁高墩的抗震性能室內模型和有限元模型分析，可為UHPC在連續剛構橋中的設計與運用提供借鑒。

1 模型設置

1.1 室內模型

本文模擬對象為山西某三跨連續剛構橋，主跨跨徑達到120 m，最大墩高為57.6 m，橋墩設計使用年限為100年，設計安全等級和荷載等級均為1級。按照相似理論（模型長度∶實際長度=1∶16），共設置3種（兩組普通鋼筋混凝土墩和一組UHPC試驗墩）室內模型，UHPC摻入端勾型鋼纖維，直徑為0.2 mm，平均長度為13 mm，鋼纖維體積摻量約為2.5%，各試驗墩具體參數見表1。采用電液伺服加載系統對各試驗墩進行荷載加載試驗，采用YHD-50型位移計和TST3826靜態應變進行位移和應變測量，試驗位移加載控制示意見圖1。

表1 試驗墩模型參數

UHPC試驗墩不進行鋼筋配置，故UH1配筋率不列入考慮范圍。

圖1 位移加載控制示意

1.2 有限元模型

圖2 有限元分析模型

采用ABAQUS有限元分析軟件建立數值分析模型，并選擇損傷塑性模型來模擬UHPC，即認為材料破壞模式包括受拉開裂和受壓破碎，損傷塑性模型具體參數為：膨脹角30°、偏心率0.01、強度比1.16、黏聚系數0.000 5；損傷塑性屈服準則采用非關聯流動法則，且選用Drucker-Prager雙曲線模型；采用C3D8R單元進行網格劃分。荷載模擬加載步驟為首先在墩頂施加豎向荷載，然后再在墩頂施加水平荷載。有限元模型見圖2。

2 不同試驗墩抗震性對比

試驗及模擬得到的不同試驗墩荷載-墩頂水平位移曲線見圖3，從圖3中可以看到：試驗墩實測的荷載位移曲線與模擬分析得到的荷載位移曲線基本吻合，但兩者仍具有一定的差異。這主要是因為在模擬分析時所采用的本構關系與實際情況有一定出入，同時模型破壞準則及材料參數均會與實際情況有一定差別，故而兩者存在一定差異。與普通混凝土橋墩相比，UHPC橋墩的滯回曲線更加飽滿，呈“弓”形變化趨勢，表明其延性變形能力較佳。普通鋼筋混凝土試驗墩的曲線“捏縮”效應更為顯著，縱向配筋率越大，滯回曲線更飽滿，承載和變形能力更大。

圖3 荷載-墩頂水平位移曲線

通過分析計算，得到了3組試驗墩的抗震參數，見表2。

表2 3組試驗墩的抗震參數分析結果

從表2中可以看到：試驗結果與模型結果相差較小，其中，位移延性指數平均相差4.1%，承載力平均相差6.7%，綜合抗震指標相差3.1%。從各組參數對比來看，普通鋼筋混凝土試驗組的延性變形能力較小，而UHPC試驗組的延性達到10以上，為普通鋼筋試驗組的2倍以上，盡管在周期荷載作用下（試驗目的模擬的是地震周期荷載，為了避免誤解，筆者改為周期荷載），UHPC試驗墩的承載力有所降低，但相對鋼筋混凝土墩減小幅度較小。普通鋼筋混凝土試驗墩的綜合抗震指標分別為4.01和6.64，可見，加大配筋率可以增加橋墩的抗震特性，但工程造價成本也會隨之增加，而UHPC試驗墩的綜合抗震指標可以達到普通鋼筋試驗墩的4倍，即超高性能混凝土雙肢薄壁高墩的抗震能力較普通橋墩提升約300%。

3 UHPC橋墩抗震參數設計

3.1 系梁位置的影響

圖4 系梁高度對UHPC雙肢薄壁墩抗震性能影響

當雙肢厚度和間距一定時（雙肢厚度為120 mm，間距為238 mm），通過改變系梁距橋墩底部的高度來探討UHPC雙肢薄壁墩的抗震性能，結果見圖4。從圖4中可以看到：隨著系梁高度的逐漸增加，橋墩延性系數和極限荷載值均呈先增大后減小的變化特征，當系梁位于墩高1/2位置時，橋墩的抗震性能最佳。因此，在設計時，建議將超高性能混凝土雙肢薄壁高墩的系梁高度設置在墩高1/2處。

3.2 雙肢厚度的影響

當系梁高度和雙肢間距一定時（系梁高1 660 mm、雙肢間距238 mm）,通過改變雙肢厚度來探討UHPC雙肢薄壁墩的抗震性能，結果見圖5。從圖5中可以對比看到：隨著雙肢墩壁厚度的增加，墩頂的極限承載能力會逐漸增強，但是延性系數卻會逐漸降低。當雙肢墩的橫向寬度不變時，厚度越大，受到的彎矩也會逐漸增加，橋墩的抗推剛度也隨之增大。增大壁厚雖然在一定程度上可以提升結構的承載能力，但會降低其變形能力，對抗震效果反而不利。結合分析結果，認為當壁厚處于120～150 mm時，橋墩的抗震性能較佳。

圖5 雙肢壁厚對UHPC雙肢薄壁墩抗震性能影響

3.3 雙肢間距的影響

當系梁高度和雙肢壁厚一定時（系梁高1 660 mm、雙肢壁厚120 mm）,通過改變雙肢間距來探討UHPC雙肢薄壁墩的抗震性能，結果見圖6。從圖6中可以看出：當系梁高度和雙肢壁厚一定時，隨著雙肢間距的增大，延性系數和極限荷載均呈先增大后減小的變化特征，當雙肢間距為250 mm時，延性系數和極限荷載達到最大值，表明此時UHPC雙肢薄壁墩的抗震性能最佳，當間距超過250 mm后，反而對墩身的抗震性能不利。

圖6 雙肢間距對UHPC雙肢薄壁墩抗震性能影響

4 結論

a）超高性能混凝土（UHPC）可以很大程度上提升雙肢薄壁高墩的延性變形能力，綜合抗震性能是普通鋼筋混凝土橋墩的4倍左右。

b）根據模擬結果，建議在雙肢薄壁墩1/2高度處設置一道系梁。增大雙肢厚度，不利于橋墩的抗震能力；當雙肢間距為250 mm時，橋墩的抗震能力最佳。

c）研究成果可為超高性能混凝土在大跨徑連續剛構橋雙肢薄壁高墩中的設計與運用提供參考。