預制雙柱墩設計參數對抗震性能的影響分析

王 健，閆 暢，劉 釗，張建東,4

(1. 江蘇省南京市公路事業發展中心公路科學研究所，南京 210039；2. 蘇交科集團股份有限公司，南京 211112；3. 東南大學，南京 210096；4. 南京工業大學，南京 211816)

混凝土橋梁的預制裝配化技術，可以實現工廠化預制，加快施工速度，減輕工程對環境的影響，易于保證工程質量，且能降低橋梁生命周期成本，工程界正逐步發覺并認同該技術的經濟優勢[1-2]。近幾年，預制裝配式橋墩在我國逐漸推廣運用，許多跨海大橋和城市高架都用到這種新型結構橋墩。而預制裝配式橋墩的抗震性能直接影響結構的受力性能，對預制裝配式橋墩的發展至關重要。

現階段國內外對預制裝配式橋墩的研究，大都集中在獨柱墩上[3-5]，而對預制裝配式雙柱墩的研究十分缺乏，這主要是因為單柱墩受力可簡化為單自由度計算模型，力學圖示較為簡單，而雙柱墩為超靜定結構，在側向力作用下墩柱上下端均可產生塑性鉸，其力學計算模型較為復雜，動力響應及滯回特性與獨柱墩有明顯區別[6]。Kwan等[7]利用DIANA有限元分析軟件建立了框架式預制裝配式橋墩模型，分析了無黏結預應力橋墩的抗震性能。Hieber等[8]總結了預制混凝土橋墩的關鍵問題，從施工角度提出了兩類節段拼裝框架墩方案。Cheng[9]通過變化試驗參數開展了58次拼裝框架墩的振動臺試驗，研究了其動力特性與抗震性能，并推導了試驗墩阻尼系數的計算方法。展丙來[10]在縱向和橫向地震作用下，對比分析節段拼裝雙柱墩與現澆雙柱墩的地震響應情況，研究了在不同工況下減隔震措施的減震應用效果、減隔震支座設置和參數選擇原則。本文根據以往雙柱墩在低周往復荷載下的試驗資料，通過改變一部分設計參數，分析這些設計參數對預制裝配式雙柱墩的抗震性能的影響，為今后的橋墩設計提供合理化參數建議。

1 計算模型

本文針對普通鋼筋混凝土墩(RC墩)和預應力鋼筋混凝土墩(PC墩)這兩類預制裝配式橋墩，通過對其施加循環往復荷載進行有限元分析，研究其抗震性能。以某預制裝配式雙柱墩工程為原型建立有限元模型，墩柱分兩節段預制，節段之間通過“干接縫+無黏結預應力筋+接縫面縱向耗能鋼筋”的形式連接，試件構造形式如圖1所示。墩柱高為 750 cm，中心間距為710 cm，圓形墩柱截面直徑為100 cm。研究設計參數包括恒載軸力比、預加力軸力比和接縫面縱向鋼筋配筋率。根據設計參數的不同取值設計了10種雙柱墩結構，預制裝配式雙柱墩相關參數如表1所示。

(a) RC試件 (b) PC試件

表1 預制裝配式雙柱墩相關參數

(續表)

2 有限元計算

本次預制裝配式雙柱墩的抗震性能分析運用實體有限單元法，通過有限元軟件ABAQUS進行模擬[11]?；炷羻卧捎每s減積分八節點實體單元(C3D8R)，鋼筋采用T3D2桁架單元；混凝土本構模型采用塑性損傷模型(CDP模型)，其損傷因子變化曲線如圖2所示；鋼筋本構模型采用雙折線模型；預應力鋼束采用降溫法施加預應力；材料參數如表2所示。

(a) 受壓損傷因子變化曲線

接縫面采用HARD CONTACT接觸，切向摩擦系數為0.5；將基礎在底部進行固結處理并假定其為剛性結構。為驗證有限元模型參數取值的正確性，以臺灣地震研究中心開展的裝配式橋墩擬靜力試驗[3]中C8C試件研究為背景，該試驗模型采用“預應力筋+耗能鋼筋”的連接形式，建立如圖3所示的預制橋墩有限元模型。計算所得的接縫面張開量對比如圖4所示。由圖4可知，數值模擬得到的接縫張開量與試驗結果吻合較好，最大不超過7.9%。模擬結果滿足精度要求，該有限元模型參數可以用于模擬裝配式橋墩及其接縫局部受力行為。

表2 材料參數 (MPa)

圖3 預制橋墩有限元模型

圖4 接縫面張開量對比

3 計算結果

對兩類橋墩(RC/PC墩)開展計算機有限元分析，分析得到往復力作用下預制橋墩的應力分布如圖5所示。

本文針對預制裝配式雙柱墩在不同設計參數下進行抗震性能分析，比較恒載軸力比、預加力軸力比和接縫面縱向鋼筋配筋率這3個設計參數對結構滯回曲線、骨架曲線、殘余變形、接縫面張開量及剪切滑移量的影響，綜合研究預制裝配式雙柱墩的滯回特性與自復位能力。

(a) RC試件的豎向應力分布

3.1 滯回曲線

滯回曲線是結構在循環往復荷載加載時得到的荷載-位移的關系曲線，它能夠反映出結構的承載能力、耗能性能、結構抗力、剛度以及延性等方面的性能[12-13]，是抗震分析的基礎。

圖6為不同預制裝配式雙柱墩的荷載-位移滯回曲線。通過觀察可知，當試件在較低偏轉率階段工作時，荷載-位移滯回環表現為集中和重疊現象，橋墩結構基本處于彈性階段。隨著側向往復荷載的增大，接縫面開始張開，隨后縱向鋼筋開始屈服，滯回曲線逐漸拉開，滯回曲線所包圍的面積越來越大，結構的耗能能力逐漸變強。由于受一定的滑移影響，滯回曲線存在一定的捏攏現象，整體呈現出弓形。由圖6(a)可知，RC墩與PC墩受力差異較大，增加耗能鋼筋與預應力筋的橋墩滯回曲線更飽滿，耗能能力顯著提高。由圖6(b)和圖6(c)可知，墩柱接縫面縱向鋼筋配筋率的增加能夠有效提高結構峰值承載力及耗能能力，縱向鋼筋的配筋率越大，滯回曲線越飽滿，包圍的面積越大，耗能性能越好。由圖6(d)和圖6(e)可知，恒載及預加力軸力比的增加并不能明顯提高預制裝配式橋墩的側向承載力，結構滯回曲線的飽滿程度基本上沒有變化。

(a) 有無預應力

3.2 骨架曲線

骨架曲線是指墩頂力-位移滯回曲線每次循環的最大值點所組成的包絡曲線，它是研究結構抗震性能的重要指標參數，能夠反映預制橋墩結構的初始剛度、屈服荷載、極限荷載、屈后剛度及結構延性等抗震性能指標[14]。

根據計算機有限元分析，預制裝配式雙柱墩骨架曲線如圖7所示。

由圖7(a)和圖7(b)可知，墩柱接縫面縱向普通鋼筋配筋率的增加能夠有效提高結構峰值承載力，每提高0.5%的截面配筋率，RC墩的承載力將提高25%左右，PC墩的承載力提高1倍左右。由圖7(c)和圖7(d)可知，墩柱恒載軸力比的增加能夠有效提高預制裝配式橋墩側向承載力，相對于RC2墩(軸力比為0.15)結構，RC5墩(軸力比為0.25)的承載力提高了20%左右，相對于PC3墩(軸力比為0.05)，PC4墩(軸力比為0.15)的承載力提升了10%～20%。由圖7(e)可知，預加力軸力比不同而恒載軸力比相同的預制橋墩(PC2墩和PC3墩)，結構的初始剛度和峰值抗力基本一致，所以預應力對峰值抗力的貢獻是有限的。

(a) RC墩耗能鋼筋配筋率

3.3 殘余變形

殘余變形是指構件從加載變形，再卸載至0后，不可恢復的塑性變形。結構的殘余變形主要表征結構的自復位能力，對于裝配式雙柱墩來說，主要表現在墩頂的位移及塑性鉸區的轉角。

根據計算機有限元分析，預制裝配式雙柱墩殘余變形曲線如圖8所示。由圖8(a)可知，隨著縱向鋼筋配筋率的增加，RC墩結構的殘余變形呈現先減小后增大的趨勢，配筋率為1.5%時殘余變形最小。由圖8(b)可知，PC墩的殘余應變隨縱向鋼筋配筋的變大增長較快，這是由于預應力筋增加了結構的變形能力。隨著偏移量的增大，結構的殘余變形增長速率變快。由圖8(c)可知，墩柱恒載軸力比的變化對RC雙柱墩影響較大，隨著恒載軸力比的增加，結構的殘余變形也增加，較大恒載軸力比下墩柱在大偏轉量時殘余變形增長較快，不利于裝配式橋墩的抗震。因此，若考慮結構的自復位能力，設計時應優先選用較低的恒載軸力比。由圖8(d)和圖8(e)可知，恒載和預加力軸力比對結構的自復位能力貢獻有限。

(a) RC墩耗能鋼筋配筋率

3.4 接縫面張開量

在進行預制裝配式結構的有限元分析時，接縫面采用HARD CONTACT接觸，接觸面法向能夠傳遞豎向受壓荷載，當接觸壓力為0或為負值時，接縫將自動張開；接觸面切向之間的作用采用庫侖摩擦模型，摩擦系數取0.5，該模型能夠反映預制裝配式雙柱墩不同塑性鉸區域(包含墩頂與墩底)的接縫交替開合現象，同時也能揭示其總體受力特征。

通過有限元分析結果可知，預制裝配式雙柱墩接縫面張開主要集中在墩頂和墩底節段，中間接縫面的張開量可以忽略不計。取墩底接縫張開量進行分析，有限元分析得出的預制裝配式雙柱墩接縫張開量如圖9所示。可以看出，PC墩的接縫張開量普遍大于RC墩的接縫張開量，這主要是由于RC墩所選用的縱向耗能鋼筋配筋率均大于PC墩中采用的縱向耗能鋼筋配筋率。

因此，耗能鋼筋的配筋率能夠有效減輕接縫面的局部張開現象。針對PC墩，隨著軸力比的增加，接縫面的張開量將有所降低，預加力軸力比貢獻更大，提高0.05的預加力軸力比，接縫面張開量可降低30%左右，能夠有效減輕接縫面的局部張開現象。

(a) RC墩耗能鋼筋配筋率

3.5 剪切滑移量

由有限元仿真分析結果可知，預制墩柱的節段間剪切變形較小，主要發生在墩身與承臺的接縫處。研究發現各試件的剪切變形分布較為接近，RC墩的剪切滑移量普遍小于PC墩的剪切滑移量。隨著偏轉率的增大，墩底的剪切變形增長較快(45 mm以內)，而墩身的剪切變形增長較慢(5 mm以內)。有限元分析得出的預制裝配式雙柱墩墩底剪切滑移量如圖10所示。

(a) RC墩耗能鋼筋配筋率 (b) PC墩耗能鋼筋配筋率 (c) RC墩恒載軸力比

由圖10(a)和圖10(b)可知，墩底剪切滑移量隨著縱向鋼筋配筋率的增加呈現增長的趨勢，對比骨架曲線可以發現，相對于PC5墩，PC1墩的抗剪承載力提高了1倍左右，使得接縫面的剪切變形有所增加，因此，縱向耗能鋼筋配筋率的提高將增加接縫面的剪切滑移量。由圖10(c)、圖10(d)和圖10(e)可知，隨著軸力比增加，剪切滑移量將有所降低，以PC2墩和PC3墩為例，兩座橋墩的抗剪承載力相差不大，但較大軸力比可以提高接縫截面處的抗剪剛度，可減少截面處50%以上的剪切滑移量。

4 結論

本文利用有限元軟件ABAQUS針對兩類預制裝配式雙柱墩(RC/PC墩)進行了模擬分析，主要研究不同恒載軸力比、預加力軸力比及接縫面縱向鋼筋配筋率對結構滯回曲線、骨架曲線、殘余變形、接縫面張開量及剪切滑移量的影響，得到的主要結論如下。

(1) 由于剪切滑移量的存在，試件滯回曲線均存在一定程度的捏縮效應，RC墩的接縫面張開量與剪切滑移量普遍低于PC墩，但是增加縱向耗能鋼筋的PC墩耗能能力優于RC墩，極限承載力更大，滯回曲線更飽滿。

(2) 接縫面縱向耗能鋼筋對耗能能力和抗剪承載力影響較大，鋼筋配筋率越大，結構耗能能力越大，抗剪承載力越高，但是剪切滑移量會增加，推薦配筋率采用1.5%，此時結構殘余應變較小，自復位能力較好。

(3) 軸力比主要影響接縫面張開量和剪切滑移量，但對結構的自復位能力貢獻不大。隨著軸力比增加，接縫面張開量和剪切滑移量將有所降低，能夠抵抗接縫面的局部張開現象。