方鋼管約束混凝土橋墩擬靜力試驗

歐智菁，陳瑋悅，林上順，薛文浩

（福建理工大學 福建省土木工程新技術與信息化重點實驗室，福州 350118）

裝配式橋墩施工技術以其施工周期短、工程質量高、綠色環保、自復位能力強等特點成為我國橋梁施工技術的一個主要發展方向[1-4]。鋼管約束混凝土柱具有承載力高、塑性及韌性好，抗震性能佳、經濟性好等優點[5-7]。筆者提出了方鋼管約束的裝配式混凝土橋墩結構，兼具鋼管約束混凝土柱的特性，同時具有施工效率高、工程質量好、簡化施工流程等優點，有望成為市政橋梁中一種理想的橋墩形式。

鋼管約束混凝土柱是指外包鋼管不受縱向荷載，僅鋼管內部的核心混凝土承受軸向荷載的組合結構柱。外包鋼管的約束作用較好，具有承載力高、延性耗能佳、抗震性能好、耐火性能優和經濟效果顯著等優點[8-10]。當前，國內外學者對鋼管約束混凝土柱已開展了較多的抗震性能研究。甘丹等[11]以徑厚比、軸壓比和剪跨比作為試驗參數，對圓鋼管約束鋼筋混凝土短柱開展擬靜力試驗，發現外包圓鋼管可以對核心混凝土產生明顯的約束作用，提高短柱的承載力和延性。Tomii等[12]采用擬靜力試驗的方法對方鋼管約束鋼筋混凝土短柱進行了抗震性能研究，結果表明，方鋼管對核心混凝土的約束作用能夠一定程度上提高方鋼管約束鋼筋混凝土柱的抗震性能，隨著軸壓比增大，試件的水平峰值荷載提高，延性性能無明顯變化。Sun等[13]以剪跨比、寬厚比為關鍵參數，開展了方鋼管約束混凝土短柱試件的擬靜力加載試驗，發現方鋼管約束鋼筋混凝土短柱的抗震性能良好，滿足工程結構抗震要求。肖巖等[14]提出了用鋼套筒局部加強鋼筋混凝土柱塑性鉸區域的加固方法，并對加固后的鋼筋混凝土柱進行抗震性能的試驗，發現鋼管加固塑性鉸區域的鋼筋混凝土具有較好的延性性能，能夠有效防止發生脆性的塑性鉸區域混凝土的破壞，各項抗震性能指標也顯著提高，為橋墩加固研究提供了參考。

傳統的整體現澆混凝土橋梁建設周期較長，濕作業所需場地大，產生的灰塵與污水對城市環境有較大的影響。橋梁裝配式技術能夠提供高質量的預制標準化構件，有效控制施工質量和縮短施工周期，有效解決現澆混凝土橋梁施工技術的問題，已成為城市橋梁建設的主要施工技術方法，符合國家提倡的低碳、綠色、環保理念，順應我國建筑工業化的時代進程[15-17]。目前，常見的裝配式混凝土橋墩結構連接形式有灌漿套筒連接、預應力筋連接及承插式連接等[18]。國內外學者開展了較多裝配式混凝土橋墩擬靜力的研究，并對其抗震性能進行了系統的理論分析[19-21]，對方鋼管約束混凝土柱的受力機理和抗震性能已有系統深入的認識。但關于方鋼管約束的裝配式混凝土橋墩的延性耗能機制、抗震設計理論等缺乏深入研究。

為研究方鋼管約束混凝土橋墩在低周反復荷載作用下的滯回抗震性能和延性耗能機制，以不同約束形式及墩身與承臺之間的連接構造為主要參數，開展2根方鋼管約束的混凝土橋墩試件（裝配式和整體式）和1根方形截面的整體現澆混凝土橋墩試件（無方鋼管約束）的擬靜力對比試驗，對其破壞過程和模式進行對比。研究結果可為方鋼管約束的裝配式混凝土橋墩的工程應用提供理論參考，推動裝配式橋梁的基礎理論發展和技術進步，使方鋼管約束的裝配式混凝土橋墩形式得到進一步應用。

1 試驗概況

1.1 試件設計與制作

以沈海高速公路福州江陰至泉州惠安段引橋橋墩為原型，采用1:8的縮尺比例及與實橋相同的鋼材與混凝土材料，設計了3種類型橋墩結構：1根采用混合接頭（鋼管嵌套與灌漿套筒組合）連接的裝配式方鋼管約束混凝土橋墩試件（SYP-GT4試件），1根方鋼管約束的整體現澆混凝土橋墩試件（SYZ試件），1根方形截面的整體現澆混凝土橋墩試件（SFZ試件），具體設計參數見表1。試件構造圖見圖1。

圖1 橋墩構造圖（單位： mm）Fig. 1 Configuration of piers (unit: mm)

表1 各橋墩試件及參數Table 1 Pier specimens and parameters

3根橋墩試件墩高h相同，均為1.5 m，墩身截面尺寸為360 mm×360 mm，方鋼管及嵌套鋼管均采用Q345鋼材，鋼管厚度為6 mm，長度為1.47 m，墩身配有8根直徑為12 mm的縱筋，墩身箍筋直徑為8 mm，間距200 mm。承臺截面尺寸為800 mm×800 mm，高500 mm。墩帽截面尺寸為460 mm×460 mm，高度為220 mm。墩身在拼接位置埋入的鋼管剪力鍵內徑和壁厚分別為150 mm、8 mm；承臺埋入的鋼管剪力鍵凸出150 mm，其外徑和壁厚分別為150 mm、8 mm，軸壓比取r=0.1。

試驗中使用的混凝土采用由福建省福州市閩侯縣上街鎮攪拌站生產的商品混凝土，混凝土強度等級為C40，采用福建工程學院試驗室2 000 kN壓力機進行材料性能測試。根據《GB/T 50081?2002 普通混凝土力學性能試驗方法標準》對混凝土試件進行材料性能測試，試驗所用混凝土實測立方體抗壓強度平均值為44.6 MPa，彈性模量為30.7 GPa。本次試驗橋墩墩身與承臺采用直徑為12 mm的HRB400熱軋鋼筋（3級鋼）；試件所采用的箍筋為R235，I級光圓鋼筋，直徑為8 mm。方鋼管以及嵌套鋼管剪力鍵均采用Q345鋼材，其主要力學指標見表2。

表2 鋼材材料性能表Table 2 Steel material performance

各試件承臺的設計尺寸為800 mm×800 mm×500 mm，在承臺底座四周通過空鋼管加設4個孔洞，孔洞直徑設為80 mm，將螺桿穿過預留在承臺底座與地面的預留孔洞，并用螺栓進行固定，在承臺側面安裝千斤頂，防止施加過程中承臺發生側向滑動；墩帽設計尺寸為460 mm×460 mm×220 mm，為了防止試驗過程中墩帽在循環荷載作用下發生松動與局部破壞，使用加載板夾住墩帽，并與作動器通過螺桿及螺栓施加預應力連接固定。方鋼管在預制工廠加工成型后，運輸至學校預制廠，并在預制廠中完成橋墩墩身和承臺模板的支模工作，接著綁扎墩身、墩帽以及底座的鋼筋，完成模板及鋼筋籠的安裝，然后澆筑混凝土并對其進行養護，待混凝土達到設計強度后進行橋墩試件拆模，最后進行橋墩墩身與承臺的拼裝工作。橋墩制作各步驟實物如圖2所示。

圖2 橋墩制作Fig. 2 Piers construction

1.2 試驗加載方案

采用MTS電液伺服加載系統進行加載，試驗加載裝置如圖3所示。通過高強螺栓固定試件承臺與剛性地面的連接，由固定在鋼橫梁上的液壓千斤頂施加豎向荷載，在千斤頂與試件接觸部位布設傳感器及鋼板墊塊，以保證豎向荷載能夠均布在墩帽頂部維持荷載穩定，通過固定在反力墻上的電液伺服加載系統控制水平荷載。

圖3 橋墩試件加載裝置Fig. 3 Loading device for pier specimen

1.3 試驗加載方法

擬靜力試驗的加載方式采用位移加載。在正式開始前，首先取0.5N0（N0為實際加載時的軸向壓力）進行預加載，確保MTS設備的正常運行。正式加載時，橋墩試件在達到屈服荷載前，按1 mm的位移間距逐級遞增進行位移加載，加載循環次數為2次。當試件達到屈服階段后，每級按2 mm的步距遞增進行位移加載，加載循環次數為3次；當試件達到水平峰值荷載后，每級按4 mm的步距遞增加載，加載次數為2次，直至試件破壞，即循環水平荷載最大值下降至水平峰值荷載的85%。

2 試驗結果及分析

2.1 試驗現象分析

2.1.1 SYP-GT4試件

SYP-GT4試件為采用混合接頭（鋼管嵌套與灌漿套筒組合）連接的裝配式方鋼管約束混凝土橋墩（圖4）。水平荷載未施加前，SYP-GT4試件處于初始狀態，墩身與豎向鋼架齊平；加載初期，SYP-GT4試件受力與變形穩定，墩身略微傾斜，處于彈性階段；隨著加載增大，試件墩身傾斜程度增加，試件進入彈塑性階段；當達到2倍屈服位移時，橋墩墩身與承臺連接處的混凝土受拉側出現裂紋，受壓側現象不明顯，反向施加水平荷載時，受拉與受壓區位置發生轉換，之前出現的裂紋被壓實，另一側有輕微裂紋產生；隨著水平位移繼續增加，墩身與承臺間連接處的混凝土裂紋持續增多并相互交叉，直至混凝土被完全壓碎；在加載后期，墩身在加載方向發生明顯的彎曲現象，但方鋼管無明顯鼓曲顯現，直至試件破壞，停止加載。加載結束后，將SYP-GT4試件外包方鋼管進行剝離，發現墩身混凝土無明顯裂縫；鑿開預制墩身與承臺連接處的混凝土時，發現內部的嵌套鋼管剪力鍵沒有明顯破壞。

圖4 SYP-GT4試件破壞形態Fig. 4 SYP-GT4 specimen failure

鋼管嵌套連接的方鋼管約束的裝配式混凝土橋墩在試件破壞過程中主要由墩身與承臺連接處的嵌套鋼管承受拉力，在嵌套鋼管屈服咬合過程中伴有清晰的聲響；SYP-GT4試件在墩身與承臺連接處混凝土先出現裂縫，隨著加載的進行，在混凝土被壓碎后，灌漿套筒連接的鋼筋和嵌套鋼管為主要受力構造，在加載后期的破壞過程中，伴隨著水平位移變化，可清晰聽到套筒連接間鋼筋受拉及嵌套鋼管間咬合時的聲響。

2.1.2 SYZ試件

SYZ試件為方鋼管約束的整體現澆混凝土橋墩。在加載初期，試件處于彈性階段，方鋼管未有明顯變化；當墩頂位移增大時，鋼管內出現清脆的響聲；當墩頂位移進一步增大時，鋼管內出現持續的響聲，并伴隨著外包鋼管的上下兩端混凝土的輕微剝落，且鋼管出現輕微鼓曲現象。SYZ試件的破壞形態以墩身與承臺連接處混凝土開裂和墩身混凝土內構造鋼筋的屈服為主要特征（圖5）。

圖5 SYZ試件破壞形態Fig. 5 Failure mode of SFZ specimen

2.1.3 SFZ試件

SFZ試件為方形截面的整體現澆混凝土橋墩，無方鋼管約束。由于墩柱的破壞主要集中在下部的塑性鉸區域中，對于SFZ試件，在水平位移Δ=12 mm時，墩身與承臺交界處開始出現多段細微的橫向裂縫，距承臺往上約15 mm及35 mm處，細微的橫向裂縫也開始出現，并向墩身側面細微發展；Δ=24 mm時，距承臺往上約60 mm處出現細微的橫向裂縫；隨著水平位移增加，原先水平荷載方向同一高度的多段橫向裂縫發展連接為橫跨墩身寬度的整段裂縫，并且裂縫寬度增大，墩身側面的裂縫斜向發展并相互交織；當水平位移達到Δ=28 mm時，墩身與承臺連接處的混凝土表面出現起皮、小塊脫落的現象；在Δ=36 mm時，水平荷載達到峰值，墩底的混凝土在受到壓、拉的荷載作用下，混凝土裂縫加深并伴有脫落的現象；至Δ=56 mm時，墩身底部的混凝土開始大塊開裂；Δ=72 mm時，墩底角落的混凝土完全剝落，鋼筋骨架外露；Δ=80 mm時，外露鋼筋彎曲，水平承載力大幅下降，橋墩完全破壞，如圖6所示。

圖6 SFZ試件破壞形態Fig. 6 Failure modes of SFZ specimen

2.2 滯回曲線

試驗中3根橋墩試件的實測滯回曲線如圖7所示。由圖可知，加載初期，各試件的滯回曲線為一條正比例函數曲線，試件處于彈性階段；隨著水平位移增加，滯回環面積不斷增大，呈較飽滿的梭形，說明各試件具有良好的抗震性能，能較好地吸收地震能量。

圖7 橋墩試件滯回曲線Fig. 7 Hysteretic curves of pier specimens

方鋼管約束的整體現澆混凝土橋墩（SYZ試件）捏縮現象最明顯。相對于方形截面的整體現澆混凝土橋墩（SFZ試件），采用混合接頭連接的裝配式方鋼管約束橋墩（SYP-GT4試件）滯回曲線最飽滿，無明顯捏縮，說明SYP-GT4試件具有良好的滯回性能，在地震作用下能較好地吸收和耗散地震能量，具有更好的抗震能力。

各試件的變形過程基本一致，在加載初期，橋墩試件處于彈性階段，曲線呈線性發展；隨著位移增加，墩底塑性鉸開始形成，滯回曲線略微波動，呈線性關系；當試件進入彈塑性階段時，方鋼管約束的混凝土因被擠壓出現清脆的響聲，而SFZ試件墩身與承臺連接處出現多段橫向裂縫，形成繞原點的滯回環；持續增加水平位移，試件的殘余變形持續增大，荷載提升的幅度逐漸緩慢，滯回環面積不斷增大且趨于飽滿；當試件達到水平峰值荷載后，曲線開始呈現下降趨勢。3根試件均為整體壓彎破壞形態。

2.3 骨架曲線

骨架曲線是由滯回曲線各加載循環峰值點連接而形成的外包絡線，可提供試件的屈服、峰值以及破壞等特征點信息[22]。試驗中3根試件的骨架曲線列于圖8，骨架特征值參數列于表3。

圖8 各試件的骨架曲線Fig. 8 Comparison of skeleton curves of specimens

表3 各試件骨架曲線特征參數Table 3 Characteristic parameters of each specimen's skeleton curve

從圖8和表3可知，采用混合接頭（嵌套鋼管與傳統灌漿套筒組合）連接的裝配式方鋼管約束混凝土橋墩試件（SYP-GT4試件）的承載力不弱于方鋼管約束的整體現澆混凝土橋墩試件（SYZ試件），SYZ試件的水平峰值荷載與SYP-GT4試件相近，采用方形截面的整體現澆混凝土橋墩試件（SFZ試件）承載力最差。說明在實際工程中，裝配式橋墩的連接部位采用混合接頭（鋼管剪力鍵和灌漿套筒相結合）的形式，有利于提高橋墩的整體性，并有效地耗散地震中的能量。

上述分析表明，混合接頭的連接構造相對于其他連接方式能更有效地增強裝配式混凝土墩身與承臺的連接強度，明顯改善橋墩的受力性能，使其具有較高水平承載力和良好的抗震性能。故推薦混合接頭連接的橋墩試件（SYP-GT4試件）作為實際工程應用的橋墩構造形式。

2.4 延性性能

位移延性系數μu為極限位移Δu與屈服位移Δy的比值，是衡量結構延性變形能力的重要指標[23]。各試件延性系數用位移延性系數μu表示（見表3），μu值越大，表明橋墩試件的延性性能越好，根據建筑抗震試驗方法規程，μu≥4。3根橋墩試件的位移延性系數均大于4，依次為SYP-GT4> SFZ> SYZ。

由表3可知，采用混合接頭（鋼管剪力鍵和灌漿套筒相結合）連接的裝配式方鋼管約束混凝土橋墩延性系數最大。原因在于，隨著加載位移增大，橋墩墩身與承臺間的混凝土脫落，但混合接頭的連接構造與墩身依舊存在咬合作用，在未達到破壞荷載前，連接處還有一定程度的滑移，因此，其延性系數偏大。

2.5 耗能能力

結構的耗能能力可用滯回環面積進行判斷，本文中選用等效黏滯阻尼系數ξ表示，對SFZ試件、SYZ試件、SYP-GT4試件的耗能能力進行比較分析。試件耗能能力的計算方法如下所示，3根橋墩試件耗能曲線如圖9所示，黏滯阻尼系數的計算簡圖如圖10所示。

圖9 各試件耗能曲線對比圖Fig. 9 Comparison of energy dissipation curves of each specimen

圖10 黏滯阻尼系數的計算簡圖Fig. 10 Calculation diagram of viscous damping coefficient

式中：E為能量耗散系數；SABC、SCDA、SOBE、SODF為圖10中滯回曲線所包圍的面積。由圖9可知，在加載初期，各橋墩試件墩身處于彈性工作階段，累積耗能曲線增長較為緩慢，隨著加載位移的增大，墩身開始進入塑形工作階段，鋼材和混凝土的塑形變形吸收大量能量，滯回環的面積逐漸增大，累計耗能曲線增長速率也明顯提升。

方鋼管約束的整體現澆混凝土橋墩（SYZ試件）耗能速率及耗能能力最佳；方形截面的整體現澆混凝土橋墩試件（SFZ試件）次之；采用混合接頭的裝配式方鋼管約束混凝土橋墩（SYP-GT4試件）耗能速率及耗能能力最低。表明連接構造對于方鋼管約束的裝配式混凝土橋墩的耗能能力有較大影響。

2.6 強度退化

強度退化反映了構件抵抗反復荷載的能力，在擬靜力試驗中通常用強度退化降低系數λi來定量描述，λi可以由以下公式得到：

3根橋墩試件的強度退化曲線如圖11所示。由圖11可知，在位移加載起始階段，各個橋墩試件強度下降明顯，在位移逐級加載過程中，強度退化降低系數λi波動很小，同級位移荷載下的橋墩試件強度均無明顯退化，說明各試件抵抗反復荷載的能力較強。在加載前期，試件位移小，強度衰減較小，曲線均在1附近波動；當承載力達到峰值荷載后，強度退化降低系數持續降低，采用混合接頭的裝配式混凝土橋墩在受力時始終保持良好的整體性，不弱于整體式橋墩。

圖11 強度退化對比圖Fig. 11 Comparison of strength degradation

各橋墩試件在極限位移下的強度退化降低系數λi值列于表4。強度退化降低系數λi的數值均在0.95以上。

表4 各試件強度退化降低系數表Table 4 Reduction coefficients of strength degradation of each specimen

2.7 剛度退化

剛度退化是指試件的剛度值在循環荷載作用下呈現減小的趨勢，剛度退化規律是結構地震響應評價的重要指標，剛度退化過快的構件可能會導致結構整體垮塌的嚴重后果。用Ki表示第i個位移加載下的割線剛度，如式（4）所示。

式中：Pi表示第i個位移加載下的平均水平峰值荷載；Δi表示第i個位移加載下的平均水平峰值荷載下的位移。

3根橋墩試件剛度退化曲線如圖12所示，剛度特性值見表5。各橋墩試件的剛度退化速率均為先快后慢，且在位移為20 mm左右時，退化程度超過50%，其中采用混合接頭的裝配式方鋼管約束混凝土橋墩（SYP-GT4試件）剛度退化率最低，各橋墩試件的最終剛度相近，退化率相差不大，退化率變化范圍為86%~91%。

表5 各試件剛度退化特征值Table 5 Stiffness degradation characteristic values of each specimen

2.8 殘余位移分析

殘余位移大小表明墩身的自復位能力強弱，可用來評估橋墩是否可以繼續利用，是橋梁抗震設計中作為性能化設計及抗震性能評估的重要指標。殘余位移越小，則震后恢復能力越強[24]。圖13給出了3根橋墩試件殘余位移曲線。從圖13可看出，在加載初期，各試件的殘余位移均較小，增長速率較緩，表明此時各橋墩試件均處于屈服階段，自復位能力較強。加載后期，各試件的殘余位移增長速率明顯增加，各試件開始進入塑性階段。采用混合接頭的裝配式方鋼管約束混凝土橋墩試件（SYP-GT4試件）的最終殘余位移最小，自復位能力最佳，原因在于試件本身受到鋼管套箍作用，加載時幾乎不出現大裂縫及壓碎現象，能夠有效改善內部鋼筋的滑移，同時墩身與承臺之間采用鋼管剪力鍵加灌漿套筒連接，增強了墩身的自復位能力，產生的殘余位移較小。

圖13 殘余位移對比圖Fig. 13 Comparison of residual displacements

3 結 論

對3根混凝土橋墩試件開展低周反復荷載試驗，基于試驗和分析結果，得出以下結論：

1） 3根混凝土橋墩試件的破壞形態基本一致，均為整體壓彎破壞模式。3根橋墩試件在加載過程中均沒有明顯的破壞現象，鋼管未出現明顯的變形、鼓曲等。采用混合接頭（鋼管嵌套與灌漿套筒組合）連接的裝配式方鋼管約束混凝土橋墩試件（SYP-GT4試件）滯回曲線較飽滿，表現出良好的抗震性能。由于方鋼管的約束作用，方鋼管內墩身混凝土無明顯裂紋，嵌套鋼管剪力鍵亦保持完好狀態，表明SYP-GT4試件連接效果良好。

2） 方鋼管約束的整體現澆混凝土橋墩試件（SYZ試件）和方形截面的整體現澆混凝土橋墩試件（SFZ試件）相比，SYZ試件的水平峰值荷載提高了46.5%，最終殘余位移小，變形恢復能力較優。分析其原因，方鋼管對混凝土墩身產生的約束作用明顯提高了橋墩的受力性能，表明方鋼管約束的裝配式混凝土橋墩抗震性能整體優于常規混凝土橋墩。

3） 采用混合接頭（鋼管嵌套與灌漿套筒組合）連接的裝配式方鋼管約束混凝土橋墩試件（SYP-GT4試件）與方鋼管約束的整體現澆混凝土橋墩試件（SYZ試件）相比， SYP-GT4試件的位移延性系數提高了24%，屈服位移提高了5.2%，極限位移提高了29.2%，水平峰值荷載相近，剛度退化率降低，殘余位移減小。表明裝配式混凝土橋墩抗震性能不亞于整體式混凝土橋墩。因此，在實際的裝配式混凝土橋墩工程中，推薦采用混合接頭的連接方式。