裝配式橋墩模型設計方法及相似性研究

鄒廣林，鄭小紅，張淞棋

（1.廣州市城市規劃勘測設計研究院，廣東 廣州 510060；2.華南理工大學土木與交通學院，廣東 廣州 510640）

0 引言

確定結構物的工作性能，往往是在結構分析的同時進行結構試驗。嚴格而言，結構試驗除了個別在原型結構上進行試驗以外，一般的結構試驗都是模型試驗。進行結構模型試驗，除了必須遵循試件設計的原則與要求，結構模型還應嚴格按照相似理論進行設計，即要求模型和原型結構幾何相似并保持一定的比例、具有某種相似關系、荷載按某一比例縮小或放大等，同時還要求確定模型結構試驗過程中各物理量的相似常數，并由此求得反映相似模型整個物理過程的相似條件，最終按相似條件由模型試驗推算出原型結構的相應數據和試驗結果。

預制拼裝技術[1-2]在我國起步較晚，并且對其的研究與應用主要是圍繞橋梁上部結構進行，對于裝配式橋墩的相關應用和研究都相對較少。因此，本文結合裝配式橋墩，從模型與原型配筋率相同的設計方法出發，重點研究設計實驗模型與實際模型承載能力的差別。

1 試驗構件設計

1.1 原型構件設計

廣州市白云區棠溪站綜合交通樞紐一體化建設工程-周邊配套市政道路工程鐵路東線的白云湖高架橋段，該高架橋橋面寬度11.5 m，上部結構采用預制小箱梁結構，下部結構采用雙柱式框架墩，橋墩立柱高6 m，蓋梁和柱采用C40混凝土，承臺采用C35混凝土，樁基采用C35水下混凝土。在墩柱與承臺、蓋梁之間上下節點之間采用UHPC灌漿波紋管[3-4]連接預制拼裝技術。設計圖如圖1所示。

對蓋梁、墩柱采用有限元進行模擬分析，考慮到橋面寬度大于蓋梁的寬度，故采用虛擬橫梁的方式模擬橋面板單元加載車道荷載，虛擬橫梁不計自重。

通過計算分析此墩柱截面下的配筋率為1.51 %。由于本試驗模型為擬靜力試驗，試驗中控制結構的變形值或荷載量，使結構構件在正反兩個方向反復加載和卸載，用以模擬結構在地震作用下的受力過程，綜合考慮各方面因素后決定采用按本工程實際配筋率相似原則作為后續研究依據，模型的一些相似常數是在配筋率等基本參數確定后由相似準則求得。

計算表明，墩柱橫截面尺寸采用1.2 m×1.2 m，配44根C25 mm的HRB400縱筋，配筋率為1.51%，滿足橋墩的結構受力。

1.2 模型設計

試件結構總高2 900 mm，加載點到墩柱-承臺連接節點距離為1 800 mm，承臺尺寸為1 600 mm×1 050 mm×800 mm（長×寬×高），如圖2所示。

鋼筋采用與依托工程相同的C25 mm鋼筋，鋼筋級別均為HRB400；本次實驗擬采用防腐性能較好的不銹鋼金屬作為波紋管材質，以保證混凝土、鋼筋與波紋管之間的錨固可靠性和耐久性，拼裝節點中灌漿材料為UHPC高強混凝土。

按照配筋率1.51 %相同的原則，采用8C25，縱筋面積為3 925 mm2，則墩柱的橫截面尺寸為510 mm×510 mm，如圖3所示。最終實驗模型見表1。

圖3 試件配筋示意圖（單位：mm）

表1 實驗模型參數表

1.3 試驗裝置及測量系統

1.3.1 加載設備

本項目全部試驗將在華南理工大學亞熱帶建筑科學國家重點實驗室（建筑結構實驗室）內進行，采用美國進口的MTS實驗機進行加載，豎向荷載最大為300 t，水平力最大300 t。采用東華動靜態應變測試分析系統，型號為DH3816N，可實時對128個測點的應變進行測試，同時對鋼筋、混凝土、套筒等主要測點進行應變測量，自動采集數據。

1.3.2 加載制度

根據橋梁抗震設計規范（CJJ 166—2011）[5]，橋梁的軸壓比ηk＜0.3。參考現裝配式橋墩的相關文獻，本試驗的軸壓比取值為ηk＜0.1。在本次試驗中，低周往復加載試驗都采用力和位移混合控制加載方法。在靜力推覆試驗中，先采用力控制方法進行加載，待試件屈服后，轉換成位移方法繼續進行加載。低周往復加載試驗中，根據靜力推覆試驗中得到的屈服位移，在達到屈服位移前，設置力荷載等級40 kN、80 kN、100 kN、120 kN、150 kN、200 kN……，隨后每一力荷載等級增加50 kN，直到試件屈服，每一級荷載等級循環1次。通過粘貼的應變片數據判讀試件是否達到屈服，并確定屈服位移，試件達到屈服位移后，按屈服位移的整數倍進行加載，設置位移荷載等級1、2、3、4、5、6、7……，每一級荷載等級循環3次，直到某一等級荷載，試件出現明顯破壞或者達到以試件水平承載力下降為極限水平荷載的85%為判斷試件破壞的標準，停止加載。具體加載規則如圖4所示。

圖4 加載制度示意圖

墩柱加載點距離承臺表面1 800 mm，距離地面2 600 mm，如圖5所示，加載方向與承臺的長邊方向平行。加載實驗圖如圖6所示。

圖5 試件面、柱腳、軸壓位置示意

圖6 加載實驗圖

2 試驗現象

2.1 墩柱裂縫分布

試件墩柱加載面的裂縫分布圖如圖7所示，試件的裂縫發展高度較高，裂縫間距靠近墩柱底部較密，往上的水平裂縫之間間距較大，主要原因是墩柱底部的鋼筋受到UHPC黏結作用較強。

圖7 墩柱裂縫分布圖

試件側面裂縫分布基本保持左右對稱，裂縫的發展高度約到墩柱高度的1/2；裂縫高度越高時，裂縫向斜下方發展的趨勢越明顯。

2.2 塑性鉸區

實驗試件在塑性鉸區的混凝土發生壓碎破壞，存在不同程度的混凝土壓碎脫落。試件塑性鉸區裂縫比較密集，但混凝土壓碎的深度較淺。試件塑性鉸破壞形態如圖8所示。

圖8 試件塑性鉸破壞形態

3 實驗結構對比分析

3.1 結構承載力

《橋梁結構試驗》[6]中指出結構靜力模型試驗的相似關系見表2。在試驗模型設計中，如果按縮尺模型與原型應力相等條件考慮，即本文試驗所考慮條件，結構的相似關系為表中的實用模型。可見，模型中各物理量的相似常數均為幾何相似常數的Sl函數，還可見縮尺模型的材料密度為原型的1/Sl倍，但這顯然難以直接做到。相關研究[7]表明，由于試驗采用擬靜力加載，結構動力效應可以忽略，因而受材料密度影響的結構慣性力接近于零，故材料密度的相似常數取1。

表2 結構靜力模型試驗相似關系

由表3可見試件換算后承載力約為依托工程原型承載力101.5 %，承載力的比值接近，說明按配筋率相等原則進行模型設計是可靠的。

表3 試件與原型構件承載力對比

3.2 位移延性

20世紀60年代，Newmark[8]等學者提出了“延性”的概念反映結構在彈性階段后的變形能力，即結構進入塑性階段化后，隨著位移的持續增加和往復作用，結構保持不破壞的性能[9-10]。相關研究表明[11-13]，通常采用延性系數表征結構的延性，延性系數越大，表明該結構在強震下能夠保持較好的承載力。

對于極限位移的取值，取峰值荷載后，承載力為0.85倍極限荷載對應的位移值。曲線中并不能直接反映出結構的屈服點，而現在屈服荷載和屈服位移的確定方法也不唯一，較為常用的方法包括幾何作圖法、等能量法以及Park法。屈服位移計算方法如圖9所示。

圖9 等效屈服位移計算方法

根據上述中的三種方法計算出來的屈服位移以及相應的荷載-位移曲線特征點見表4。與試驗數據進行對比分析，可見幾何作圖法所得屈服位移與試驗數據最符合，認為其能較好描述裝配式橋墩的屈服狀態，并以此作為最終結果。灌漿波紋管試件的峰值承載力與極限承載力高于原型結構，容易高估原型結構的力學性能；延性系數與原型結構的差異分別在86.21%，97.34%，104.32%，基本接近或大于原型結構，說明按配筋率相等原則設計試驗模型能夠達到原型結構的塑性耗能能力。

表4 試件荷載-位移曲線特征點

4 結 語

本文開展了UHPC灌漿波紋管連接裝配式橋墩模型設計，并對設計模型進行了擬靜力試驗，在以等配筋率的前提下，研究裝配式橋墩的承載極限能力和延性性能分析，得到主要結論如下：

（1）試件發生了塑性鉸區的延性破壞，與實際結構性能相符。UHPC灌漿波紋管連接節點墩柱底部裂縫較密，混凝土壓碎的深度較淺。

（2）對比分析試件的承載力及位移延性等性能指標，結果表明，按等配筋率進行靜力模型設計，其承載能力相較原結構模型稍大，容易高估原型結構的力學性能；塑性耗能能力基本接近原型結構的耗能能力。

（3）按等配筋率進行裝配式橋墩模型設計是可靠的，可推廣至其他裝配式橋梁結構模型設計。