軸壓比對灌漿波紋管連接預制拼裝橋墩抗震性能的影響

許勁，朱祖科，夏樟華

(1. 福州大學土木工程學院，福建 福州 350108； 2. 福建省公路事業發展中心，福建 福州 350001)

0 引言

目前預制拼裝橋墩得到越來越多的應用，濕接縫、灌漿套筒和灌漿波紋管3種連接方式在我國橋梁工程中有著最為廣泛的應用. 其中，濕接縫需要在施工現場澆筑混凝土，施工過程復雜，且干縮裂縫不可避免，而灌漿套筒有價格高、灌漿不飽滿且檢測困難、施工要求精度高等缺點. 灌漿波紋管與灌漿套筒類似，但其孔徑較大，對施工精度要求低且價格便宜，可以降低橋梁建設成本. 灌漿波紋套管連接鋼筋的有效性目前得到了有效證明[1-2]. 根據已有研究，采用大直徑鋼筋的灌漿波紋管連接的橋墩承載能力與整體現澆墩十分接近，但其延性和耗能能力略低于整體現澆墩[3-6].

軸壓是影響橋墩抗震性能的重要參數，對于整體現澆橋墩，隨著軸壓比的增加，水平承載力提高明顯，等效剛度增加但剛度退化加快，延性系數下降[7-11]. 對于預制拼裝橋墩，由于存在連接接縫，軸壓對橋墩的影響有所不同，目前對預應力連接的預制拼裝橋墩的研究較多. 布占宇等[12]通過OpenSEES有限元軟件分析無黏結預應力帶耗能鋼筋預制節段拼裝橋墩在不同軸壓比下的抗震性能，發現軸壓比增大，剛度增大但等效粘滯阻尼比減小. 高聰[13]用ABAQUS軟件研究不同軸壓比下膠接縫連接節段拼裝橋墩的受力性能，發現結構剛度受豎向壓力的影響不大，隨著豎向力的增大結構延性增加. 王新宇[14]和孫偉翔[15]通過ABAQUS分析軸壓比對預應力預制拼裝橋墩的影響，恒載軸壓比的增加能提高橋墩的初始剛度，恒載軸壓比越大，橋墩剛度的損失越快，對殘余位移幾乎沒有影響. 布占宇等[16]通過有限元軟件分析軸壓比對矩形空心橋墩抗震性能的影響，發現軸壓比增加，殘余位移增加. 在灌漿波紋管連接預制拼裝橋墩方面，江恒[17]通過OpenSEES軟件分析灌漿波紋管連接預制拼裝橋墩的抗震性能，發現隨著提升結構軸壓比，極限承載能力有所增大，耗能能力和等效剛度有所增加但不明顯. 岳文超[18]研究軸壓比對承插式離心管墩的影響，發現隨著軸壓比增加，極限承載力提高明顯但同時滯回曲線捏縮現象明顯.

對于預制拼裝橋墩，不同的連接形式得到的規律并不完全一致，同時大多數為基于有限元軟件的模擬. 由于軸壓比對橋墩的滯回性能影響較大，因此，有必要通過試驗對灌漿波紋管連接預制拼裝橋墩在不同軸壓比下的抗震性能進行研究. 本文通過雙向擬靜力試驗研究軸壓比分別為0.05、0.10、0.15的預制拼裝橋墩的抗震性能，并通過OpenSEES軟件對灌漿波紋管連接預制拼裝橋墩進行模擬.

1 擬靜力試驗

1.1 試件設計

試驗構件根據某實際工程背景按照1∶5的縮尺比進行設計與制作. 共包括4個構件，分別為1個整體現澆橋墩和3個灌漿波紋管連接預制拼裝橋墩. 4個橋墩的設計尺寸和配筋完全一致，其中有效高度h為2.4 m、截面長寬比Rb為1.47、長細比λ為7.06、體積配箍率ρv為1.80%. 其差別在于整體現澆橋墩(簡稱RC)的軸壓比為0.1，3個灌漿波紋管連接預制拼裝橋墩的軸壓比分別為0.05、0.10、0.15，并將其分別命名為BBPC-1、BBPC-2、BBPC-3. 承臺尺寸為1 300 mm×800 mm×740 mm，橋墩尺寸為500 mm×340 mm×2 750 mm. 為方便加載將橋墩端部截面加大，加載端部尺寸為700 mm×530 mm×700 mm. 灌漿波紋管采用圓形金屬波紋管，內徑為45 mm，外徑47 mm，長度為540 mm，埋置于承臺內，橋墩縱筋伸入波紋管長度為30d(d為鋼筋直徑). 距承臺頂面500 mm范圍內為箍筋加密區，箍筋間距為50 mm，其余區域箍筋間距為100 mm，構件尺寸及鋼筋布置如圖1所示.

圖1 灌漿波紋管連接預制拼裝橋墩設計尺寸圖(單位：mm)Fig.1 Design dimensions of prefabricated assembled piers connected by grouted bellows (unit: mm)

1.2 材料特性

橋墩、承臺以及加載頭均采用C40混凝土，其抗壓強度為42.4 MPa，彈性模量為31 GPa. 墩柱縱筋為直徑18 mm的HRB400鋼筋，箍筋為直徑8 mm的HPB235鋼筋，其實測性能指標如表1所示. 表1中：fy為屈服強度；fu為極限強度；δ為延伸率. 金屬波紋管中使用超高性能混凝土(ultra-high performance concrete，簡稱UHPC)作為灌漿材料，其主要材料為普通硅酸鹽水泥、硅灰、石英砂、減水劑以及鋼纖維，其實測抗壓強度為115.02 MPa，UHPC具體配合比見表2.

表1 鋼筋材料性能

表2 UHPC配合比

1.3 加載方案

圖2 位移加載方式Fig.2 Displacement loading system

通過高精密液壓千斤頂為試件提供軸壓、兩臺MTS作動器為試件提供兩個相互垂直方向水平荷載. 試驗采用的加載制度為正方形非同步位移加載方式. 在彈性階段，第1級位移為1 mm，此后每級位移按2 mm遞增，每級循環1次； 自鋼筋屈服起，每級位移按10 mm遞增，每級循環3次； 當試件承載力下降至極限承載力的85%時，視試件達到破壞，停止加載. 試件的位移加載方式如圖2所示.

1.4 試驗現象和破壞模式

因灌漿波紋管連接預制拼裝橋墩構造相同，只是軸壓比不同，試驗現象較為類似. 在加載初期，墩底出現多條細微裂縫. 持續加載，裂縫增多且位置上移，隨后鋼筋屈服. 在加載中期，斜裂縫開始出現，裂縫向環向展開. 繼續加載，環向裂縫貫通，并且寬度增大，墩底混凝土開始出現脫落，接縫出現張開閉合. 在加載后期，墩底混凝土出現大量剝落，隨著荷載增加，剝落高度不斷增加. 最終，受力縱筋外露并出現屈曲. 當試件承載力下降至極限承載力的85%時，停止試驗.

根據試驗結果可以得出試驗試件均為彎曲破壞，試件RC、BBPC-1～BBPC-3的最終破壞裂紋分布和破壞情況如圖3所示. 觀察試件BBPC-1、BBPC-2、BBPC-3發現三個試件在最終破壞狀態下，裂縫分布高度相近，因此可以得出軸壓對試件裂縫分布高度影響小.

圖3 RC、BBPC-1、BBPC-2和BBPC-3的裂紋分布圖Fig.3 Crack distribution of RC, BBPC-1, BBPC-2 and BBPC-3

2 試驗結果與分析

2.1 滯回曲線

為對比整體現澆橋墩與灌漿波紋管連接預制拼裝橋墩抗震性能的差異，對比4個試件的滯回曲線，如圖4所示. 從圖4可看出整體現澆橋墩和灌漿波紋管連接預制拼裝橋墩的滯回曲線在X向和Y向均接近四邊形，說明雙向荷載耦合作用明顯. 對比RC和BBPC-2試件滯回曲線，RC試件的承載能力明顯高于相同軸壓比下的預制拼裝橋墩，但兩者滯回曲線飽滿程度較為接近. 對比BBPC-1、BBPC-2和BBPC-3試件，隨著軸壓比的提升，承載能力和耗能能力有所提升但均不明顯.

圖4 滯回曲線Fig.4 Hysteresis curves

2.2 骨架曲線

骨架曲線是各滯回環的極限荷載連線，可以從中清楚得到結構的峰值荷載和極限位移. 通過整體現澆橋墩RC和預制拼裝橋墩BBPC-1、BBPC-2和BBPC-3的骨架曲線(如圖5所示)，可以看出預制拼裝橋墩的峰值荷載小于相同軸壓比下的整體現澆橋墩，BBPC-2的X向峰值荷載較RC下降14.8%，Y向峰值荷載下降13.2%. 當軸壓比為0.05、0.10和0.15時，X向峰值荷載分別為112.0、110.0和125.6 kN，Y向峰值荷載分別為65.6、71.8和66.1 kN. 在X方向，軸壓比的增加可以提升試件承載能力，但增長較小; 在Y方向，隨著軸壓比增大，承載能力變化規律不明顯，其中BBPC-2的承載力最高. 隨著軸壓比提高，兩個方向極限位移均出現減低趨勢.

圖5 骨架曲線Fig.5 Skeleton curves

2.3 等效剛度

圖6描繪了BBPC-1、BBPC-2和BBPC-3試件的剛度變化情況. 從圖6中可看出：在X方向不同軸壓比下等效剛度十分接近，在Y方向當軸壓比增大時，前期等效剛度退化明顯，后期逐漸趨于一致. 對于普通混凝土墩來說，增大軸壓，核心區混凝土三向受壓程度會增大，塑性鉸區截面剛度和承載能力增大. 對于預制拼裝橋墩，在長細比不變的情況下，其整體的剛度和承載能力主要取決于連接接縫處截面剛度，而軸壓比改變對其影響很小.

圖6 等效剛度曲線Fig.6 Equivalent stiffness curves

2.4 耗能能力

圖7描繪了BBPC-1、BBPC-2和BBPC-3試件的累計滯回耗能變化情況. 從圖7中可看出：對于X方向，當軸壓比由0.05增加到0.10時，耗能能力增加明顯，但當軸壓比由0.10增加到0.15時，耗能曲線幾乎沒有變化； 對于Y方向，其耗能增加情況與X方向類似，但在軸壓比由0.05增加到0.10時的耗能增加沒有X方向明顯. 說明試件耗能能力隨著軸壓比的增加而增加，但在Y方向的提升不如X方向明顯，其主要原因為受雙向耦合作用，Y方向抗震性能退化更為明顯.

圖7 耗能曲線Fig.7 Energy consumption curves

2.5 殘余變形

圖8描繪了BBPC-1、BBPC-2和BBPC-3試件的殘余位移對比曲線. 從圖8中可知：無論是X方向還是Y方向，當墩頂漂移比相同時，3個試件的殘余位移曲線十分接近，說明軸壓比對灌漿波紋管連接預制拼裝橋墩的殘余位移影響非常小.

2.6 延性性能

用位移延性系數μ來表征結構的延性，即極限位移與屈服位移的比值. 結構位移延性系數小，結構變形能力差； 反之，結構變形能力好. 位移延性系數的計算公式為：

(1)

式中：μ為位移延性系數；Δu為極限位移；Δy為屈服位移.

圖8 殘余位移曲線Fig.8 Residual displacement curves

確定結構屈服位移和屈服荷載的方法較多，較為常用的方法有兩種(如圖9所示). 1) 等能量法. 從峰值荷載點處引一條水平直線，同時從原點出發做一條斜直線使其穿過骨架曲線，并與該水平直線交于A點，使圖9(a)中的兩個陰影區域面積相等，此時A點所對應的位移定義為屈服位移. 2) Park法. 取混凝土開裂荷載與0.75倍峰值荷載中的最小值，通過該點與原點做一條直線，同時從峰值荷載點處引一條水平直線，兩直線交于A點，則A點所對應的位移定義為屈服位移(如圖9(b)所示).

圖9 屈服位移的確定方法Fig.9 Method of determining yield displacement

通過等能量法和Park法分別計算試件位移延性系數，取兩者平均值作為最終結果，計算結果見表3. 表3中：Py為屈服荷載；Pmax為峰值荷載. 從表3中可看出：對于X、Y兩個方向，當軸壓比為0.10時，灌漿波紋管連接預制拼裝橋墩的延性最好.

表3 試件荷載-位移曲線特征點

3 數值模擬

3.1 數值模型

圖10 Concrete02材料加卸載規則Fig.10 Concrete02 material loading and unloading rules

選用OpenSEES軟件建立數值模型. 混凝土采用Concrete02材料，鋼筋采用Steel02材料. Concrete02材料和Steel02材料在荷載下的應力應變關系分別如圖10和圖11所示. 采用零長度單元模擬接縫，接縫采用只受壓不受拉的ENT (elastic-no tension material) 材料，采用基于柔度積分的梁柱單元模擬橋墩. 混凝土鋼筋材料參數的取值依據材性試驗結果，其中混凝土參數取值如表4所示，fc為峰值抗壓強度；ε0為峰值抗壓強度對應的壓應變；σcu為極限應力；εcu為極限應力對應的應變. 預制拼裝橋墩模型如圖12所示.

圖11 Steel02材料滯回規則Fig.11 Steel02 material hysteresis rule

圖12 墩底接縫示意圖Fig.12 Schematic diagram of the seam at the bottom of the pier

表4 混凝土材料模型參數

3.2 數值計算結果驗證

通過對比數值模擬與試驗結果，驗證數值模擬結果的準確性. BBPC-1、BBPC-2和BBPC-3數值模擬峰值荷載在X方向分別為100.3、116.0、132.0 kN，與試驗值相差分別為10.4%、5.5%和5.3%； 在Y方向數值模擬峰值荷載分別為69.3、76.0、80.6 kN，與試驗值相差分別為5.6%、5.8%和21.9%. 除了BBPC-3在Y方向與試驗值有較大誤差外，其他結果均較吻合. 圖13給出了BBPC-2試驗與數值模擬得到的滯回曲線對比圖. 可以看出，模擬滯回曲線和試驗滯回曲線吻合良好.

在驗證數值模擬結果的準確性后，對軸壓比為0.05～0.25的灌漿波紋管連接預制拼裝橋墩進行分析. 圖14繪制了軸壓比為0.05～0.25試件骨架曲線對比圖. 可以看出，隨著軸壓比增大，X和Y方向的承載力都有所增大但增長幅度較小，剛度變化較小(見圖15)，總體規律與試驗結果基本一致. 結合數值模擬和試驗計算結果，可以看出軸壓比對預制拼裝橋墩的影響規律總體與整體現澆墩一致，但雙向耦合作用導致兩個方向損傷加劇引起的承載力和剛度變化具有一定的不確定性，有限元計算中很難精確模擬這些因素，使得計算結果更具有規律性，但軸壓比對灌漿波紋管連接裝配式墩承載能力和剛度影響總體較小.

圖13 試件BBPC-2數值模擬驗證Fig.13 Numerical simulation verification of specimen BBPC-2

圖14 骨架曲線對比圖Fig.14 Comparison of skeleton curves

圖15 等效剛度曲線對比圖Fig.15 Comparison of equivalent stiffness curves

4 結語

1) 整體現澆橋墩和灌漿波紋管連接預制拼裝橋墩的破壞形態均為彎曲破壞，主要經歷混凝土開裂、鋼筋屈服、裂縫貫穿、混凝土剝落和鋼筋斷裂5個階段. 對于灌漿波紋管連接預制拼裝橋墩而言，開裂均集中于接縫附近，軸壓比對試件最終裂縫的分布影響較小，試件總體開裂和損傷較為接近.

2) 整體現澆墩和灌漿波紋管連接預制拼裝橋墩的滯回曲線均為接近平直的四邊形，雙向耦合作用明顯. 整體現澆墩的滯回環與灌漿波紋管連接預制拼裝橋墩相接近，但其承載力明顯高于相同軸壓比的灌漿波紋管連接預制拼裝橋墩. 軸壓比的增加可以提升灌漿波紋管連接預制拼裝橋墩的承載力和耗能能力，但提升均不明顯.

3) 隨著軸壓比的增加，屈服位移和極限位移均有所降低，對殘余位移幾乎沒有影響，延性性能以軸壓比0.1的試件為最佳. 連接接縫處截面剛度是影響灌漿波紋管連接預制拼裝橋墩的整體剛度的主要因素，而灌漿波紋管連接接縫處沒有箍筋約束，對核心混凝土約束較低，軸壓比對剛度的影響也相應較小.