高 婧，葛繼平，林鐵良

(1.廈門大學(xué) 土木工程系，廈門 361005;2.上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，上海 200235;3.廈門市公路橋隧道維護(hù)中心，廈門 361008)

預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁分段施工技術(shù)是當(dāng)今世界橋梁工程的主要發(fā)展趨勢之一［1－2］。目前限制節(jié)段拼裝橋墩技術(shù)在強(qiáng)震區(qū)應(yīng)用的主要障礙就是對其抗震性能的認(rèn)識比較缺乏，哪種接縫形式、布筋方式的節(jié)段拼裝橋墩抗震性能更好，此外還與哪些因素有關(guān)值得試驗(yàn)研究［3］。國外的研究者對于干接縫無粘接預(yù)應(yīng)力節(jié)段拼裝橋墩的抗震性能，進(jìn)行了很多擬靜力試驗(yàn)研究。1997年，Mander等［4］研究了恒載、預(yù)應(yīng)力筋、底部接縫的橡膠墊層等因素的影響。2002年，Hewes和Priestley［5］研究了預(yù)應(yīng)力筋面積、初始預(yù)應(yīng)力大小、塑性鉸區(qū)域套筒壁厚、剪跨比等因素的影響。周中哲［6］(2006)改進(jìn)Hewes試驗(yàn)，研究了鋼管混凝土節(jié)段、附加鋼阻尼器等因素的影響。Billington［7］在2004年研究了剪跨比、底部墩柱節(jié)段嵌入承臺中的深度、纖維混凝土等因素的影響。2005年布法羅大學(xué)和臺灣地震研究中心［8，9］聯(lián)合開展了大比例尺(1∶2.5)空心矩形截面節(jié)段拼裝橋墩的研究，主要研究附加耗能裝置等因素的影響。2006年P(guān)alermo和Pampanin［10］的試驗(yàn)主要研究不同初始預(yù)應(yīng)力筋荷載下的耗能鋼筋和無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋配筋率之比的影響?？梢钥闯?，國外已有的試驗(yàn)研究對于干接縫和膠接縫連接節(jié)段拼裝墩柱的擬靜力行為已經(jīng)比較豐富，但是缺乏采用比較研究方法研究已有整體現(xiàn)澆橋墩與節(jié)段拼裝橋墩擬靜力行為異同的專門研究。我國目前還沒有開展節(jié)段拼裝橋墩抗震行為的擬靜力試驗(yàn)研究，理論研究滯后于工程應(yīng)用，迫切需要開展這方面的研究來對預(yù)制拼裝橋墩的抗震設(shè)計(jì)提供有益的指導(dǎo)［1］。

本文主要是進(jìn)行五種不同類型橋墩的擬靜力荷載試驗(yàn)，研究三種節(jié)段拼裝橋墩的易損部位和地震破壞機(jī)理，為建立正確的理論模型和計(jì)算分析方法提供基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試件設(shè)計(jì)

以是否存在預(yù)應(yīng)力筋、是否是節(jié)段拼裝、是否設(shè)置耗能鋼筋、預(yù)應(yīng)力筋有無粘結(jié)等為參數(shù)，共設(shè)計(jì)了五種不同類型的混凝土橋墩。該組試件包含三種不同類型的節(jié)段拼裝橋墩，整體現(xiàn)澆鋼筋混凝土橋墩和預(yù)應(yīng)力混凝土橋墩是用來進(jìn)行比較分析的。試件的主要情況見表1。如圖1所示，橋墩截面尺寸為240mm×180mm×1240mm，墩柱有效加載高度1800mm，沿長邊(邊長240mm)加載，試件的剪跨比為7.5。所有試件混凝土強(qiáng)度和普通鋼筋(包括縱筋和箍筋)的配置相同，不同試件之間的差異在于預(yù)應(yīng)力筋的布置和橋墩的連接構(gòu)造?；炷猎O(shè)計(jì)強(qiáng)度為C40?？v筋采用直徑為10mm的HRB335熱軋鋼筋。箍筋采用直徑為6mm的R235鋼筋。墩底箍筋加密區(qū)高度為250mm，箍筋間距為50mm，其余位置箍筋間距為80mm。對于節(jié)段拼裝橋墩，墩底的節(jié)段內(nèi)箍筋間距為50mm，其余墩身箍筋的間距為80mm。耗能阻尼裝置采用直徑為10mm的無粘結(jié)熱軋光圓鋼筋，無粘結(jié)區(qū)域的長度為500mm。預(yù)應(yīng)力鋼筋采用Φj12.7的鋼絞線，單根預(yù)應(yīng)力筋有效張拉預(yù)應(yīng)力大小為65 kN，預(yù)應(yīng)力筋產(chǎn)生的軸壓比為11.2%。試件的恒載軸壓比為10%。

圖1 試件的尺寸圖和截面配筋Fig.1 The dimension of specimens and section reinforcement details

1.2 擬靜力試驗(yàn)加載制度

本次試驗(yàn)采用變幅、等幅混合位移控制的加載方式，采樣頻率0.5秒/次，每級做3次加載循環(huán)。開始的位移幅值分別為 ±2mm、3mm、5mm、7mm、10mm、15mm，加載速度為0.02Hz;然后位移幅值為20mm、25mm、30mm、……以后每級遞增5mm，加載速度為0.01Hz。其中當(dāng)?shù)谝蝗虞d到±5mm、±10mm、±20mm、±30mm、±40mm、±50mm、±60mm、±70mm、±80mm、±90mm、±95mm時(shí)持載，進(jìn)行破壞現(xiàn)象的觀察和標(biāo)記工作，直至試件的強(qiáng)度下降到最大強(qiáng)度的80%，加載結(jié)束。

表1 試件編號和主要特征Tab.1 Serial Numbers and main characters of all specimens

2 主要試驗(yàn)結(jié)果

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象及破壞模式

整體現(xiàn)澆普通鋼筋混凝土橋墩與無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土橋墩同為整體現(xiàn)澆橋墩，它們兩者的試驗(yàn)現(xiàn)象比較相似。整體現(xiàn)澆試件的破壞現(xiàn)象主要集中在塑性鉸區(qū)域。試驗(yàn)早期主要是塑性鉸區(qū)混凝土的分散多條水平微裂縫，隨著位移荷載的增加，裂縫慢慢增多，裂縫寬度慢慢增加，達(dá)到一定程度后，裂縫數(shù)量不再增多，只是裂縫的變寬。中期主要是塑性鉸區(qū)混凝土出現(xiàn)豎向裂縫，慢慢豎橫向裂縫交錯(cuò)，出現(xiàn)混凝土的壓碎剝落現(xiàn)象。后期隨著混凝土的成片剝落，出現(xiàn)了箍筋的外鼓、縱筋的拉斷和壓屈等破壞現(xiàn)象。最后破壞狀態(tài)是墩底塑性鉸集中出現(xiàn)大量明顯的破壞現(xiàn)象，如圖2所示，需要大量的維修工作，甚至不可維修。

圖2 整體現(xiàn)澆橋墩塑性鉸區(qū)的破壞形態(tài)Fig.2 Damage state of cast-in-place bridge column

三種節(jié)段拼裝橋墩同為節(jié)段拼裝方式施工的橋墩，其試驗(yàn)過程中出現(xiàn)的破壞現(xiàn)象基本相似。節(jié)段拼裝橋墩的主要破壞現(xiàn)象集中在接縫附近。試驗(yàn)早期是底部節(jié)段與承臺之間的接縫出現(xiàn)接縫張開的現(xiàn)象，隨著位移荷載的增加，接縫張開的程度越來越大，接縫面上兩側(cè)混凝土接觸的面積越來越小，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，接觸面積約占截面面積的1/4左右。在后期主要是接縫附近的混凝土出現(xiàn)豎向裂縫，表明混凝土由于壓應(yīng)力過大出現(xiàn)壓碎現(xiàn)象，與整體現(xiàn)澆構(gòu)件相比，這種混凝土表面剝落的程度非常小，最大破壞狀態(tài)只是出現(xiàn)了塑性鉸節(jié)段箍筋的外露，如圖3所示。而且除了塑性鉸節(jié)段的上下接縫出現(xiàn)了接縫交替張開的破壞現(xiàn)象外，遠(yuǎn)離塑性鉸的接縫也出現(xiàn)了接縫張開的現(xiàn)象。總體而言，節(jié)段拼裝橋墩的破壞現(xiàn)象出現(xiàn)在各個(gè)接縫附近，彎矩越大，破壞現(xiàn)象越多，破壞程度越大。另外，節(jié)段拼裝橋墩另外一個(gè)明顯的現(xiàn)象是本文中的無粘結(jié)節(jié)段拼裝試件的接縫出現(xiàn)了滑移錯(cuò)動(dòng)的現(xiàn)象，發(fā)生剪切破壞，主要原因是無粘結(jié)節(jié)段拼裝橋墩接縫之間的抗剪主要是接縫之間混凝土的摩擦力，無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋與周圍混凝土管壁之間由于存在間隙沒有參與受剪;另一個(gè)原因可能是本文的試件截面尺寸較小，后期接縫位置處混凝土接觸面積也較小的緣故。

圖3 節(jié)段拼裝橋墩塑性鉸區(qū)的破壞形態(tài)Fig.3 Damage state of precast segmental bridge column

綜上所述，節(jié)段拼裝預(yù)應(yīng)力混凝土橋墩的破壞過程和破壞現(xiàn)象與整體現(xiàn)澆混凝土試件完全不同。整體現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土試件在剪跨比較大時(shí)只能出現(xiàn)彎曲破壞，偏移率較大時(shí)破壞嚴(yán)重，可能不可修復(fù)。節(jié)段拼裝預(yù)應(yīng)力混凝土橋墩主要是接縫的破壞，在剪跨比較大時(shí)，出現(xiàn)接縫交替張開，也可能發(fā)生接縫的滑移錯(cuò)動(dòng)。發(fā)生彎曲破壞時(shí)，破壞程度較少，只需要表面修復(fù)即可。發(fā)生剪切破壞時(shí)，不可修復(fù)。

2.2 滯回曲線

各個(gè)試件的荷載位移滯回曲線，如圖4所示。總體而言，各個(gè)試件在較低荷載階段，基本處于彈性階段，表現(xiàn)為滯回環(huán)的集中和重疊;隨著混凝土的開裂、普通鋼筋的屈服、接縫的張開等非線性現(xiàn)象的產(chǎn)生，滯回環(huán)逐漸拉開，耗能增強(qiáng)。RC、UBPC、UBPC-SD試件的滯回環(huán)形狀比較相似，而UBPC-S和BPC-S試件的滯回環(huán)形狀比較相似。

2.2.1 節(jié)段拼裝和整體現(xiàn)澆方式的影響

比較圖4(b)和(c)可知，相同條件下整體現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土試件和節(jié)段拼裝預(yù)應(yīng)力混凝土試件滯回性能的迥異。UBPC試件是比較飽滿的滯回曲線，而UBPC-S是類似旗幟型滯回曲線。UBPC-S試件的最大荷載為UBPC試件的60%左右。UBPC-S試件的屈后剛度雖然同樣為負(fù)，但是傾斜的程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于UBPC試件，相應(yīng)的最大位移也較UBPC大，另一個(gè)明顯的差異就是UBPC-S試件的自復(fù)位能力較強(qiáng)，同等位移等級下的擬靜力殘余位移較小。主要原因是UBPC-S的混凝土基本上沒有壓碎剝落，保持完好。由于UBPC-S試件中缺少普通鋼筋的屈服耗能機(jī)制，所以滯回環(huán)的面積較之大大縮小，相應(yīng)的耗能能力削弱很多。

圖4 水平荷載－墩頂位移滯回曲線Fig.4 Load-displacement hysteretic loops

BPC-S與RC試件初始剛度，最大荷載，屈后剛度，最大位移能力基本相同，因而認(rèn)為骨架曲線相同，達(dá)到設(shè)計(jì)目的。從擬靜力試驗(yàn)角度來說，雖然滯回環(huán)的面積減少很多，但是卻獲得了很小擬靜力殘余位移的優(yōu)點(diǎn)。

2.2.2 耗能鋼筋的影響

如上所述，UBPC－S試件的耗能能力較弱，為了增強(qiáng)節(jié)段拼裝橋墩的滯回環(huán)面積，采用了在截面兩側(cè)增加耗能鋼筋的方法?？梢钥闯鯱BPC－SD試件的耗能能力確實(shí)比UBPC－S有較大增加，但是殘余位移也隨之大為增加。UBPC－SD試件滯回環(huán)形狀與UBPC試件比較類似，主要原因是兩者中的耗能機(jī)制是一樣的，都是源自普通鋼筋的受壓受拉和混凝土的壓碎，差異來自兩者的發(fā)展程度不一樣所致。

2.3 骨架曲線及承載力

觀察圖5中的水平推力－墩頂位移骨架曲線和表2中所示的特征點(diǎn)，可以發(fā)現(xiàn)各個(gè)試件的骨架曲線的形狀大體類似，大致呈三線性，具有明顯的非線性拐點(diǎn)和強(qiáng)度下降點(diǎn)。但是這幾個(gè)試件都沒有明顯的正的屈后剛度，是個(gè)明顯的缺陷。整體現(xiàn)澆無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力橋墩的剛度和極限彎矩最大，節(jié)段拼裝無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力橋墩的剛度和極限彎矩最小。

表2 強(qiáng)度和變形關(guān)鍵點(diǎn)Tab.2 The key points of load and displacement

2.4 耗能能力

結(jié)構(gòu)在彈塑性變形過程中耗散能量的能力是衡量其抗震性能的重要指標(biāo)，耗能指標(biāo)越高，說明結(jié)構(gòu)在地震過程中耗散的地震能量越多，對結(jié)構(gòu)的抗震安全性越有利。各試件的每個(gè)峰值位移對應(yīng)的耗能如圖6。整體現(xiàn)澆的鋼筋混凝土橋墩和無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土橋墩的耗能歷程基本相同，說明無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋的存在對整體現(xiàn)澆橋墩的耗能能力基本上沒有影響。節(jié)段拼裝橋墩的耗能能力低于整體現(xiàn)澆橋墩，耗能鋼筋的存在增加了節(jié)段拼裝橋墩的耗能能力。

圖5 各個(gè)試件的荷載位移骨架曲線Fig.5 Envelope curve of loaddisplacement hysteretic loops

圖6 累積滯回耗能與位移等級之間的關(guān)系Fig.6 Relationship of displacement and dissipating energy

圖7 擬靜力殘余位移Fig.7 Residual displacement vs.loading displacement

2.5 殘余位移

殘余變形是構(gòu)件從加載變形，再卸載至零后，此時(shí)構(gòu)件的不可恢復(fù)的塑性變形。對于橋墩來說，主要表現(xiàn)為墩頂位移和墩底轉(zhuǎn)角。在擬靜力荷載—位移滯回曲線上體現(xiàn)為卸載段與X軸的交點(diǎn)，即當(dāng)荷載卸載至零時(shí)，墩頂?shù)乃苄宰冃?。如果橋墩殘余變形小，則有利于震后的繼續(xù)運(yùn)營，保證救援工作的開展;有利于震后構(gòu)件的修復(fù)，減小經(jīng)濟(jì)損失。單從這點(diǎn)上來說，殘余變形比其他指標(biāo)更重要［1］。

圖7給出了各個(gè)試件擬靜力殘余位移與位移荷載等級之間的關(guān)系?？梢钥闯鯮C與UBPC試件的擬靜力殘余位移變化規(guī)律相同，在位移等級達(dá)到25mm前，擬靜力殘余位移很小，只有5mm左右;但是位移等級超過25mm后，擬靜力殘余位移增大趨勢明顯，最后基本上沒有自復(fù)位能力，擬靜力殘余位移與最大位移在量值上相近。UBPC－S和BPC－S的擬靜力殘余位移變化規(guī)律相同，擬靜力殘余位移基本上較小，達(dá)到最大位移等級95mm時(shí)，擬靜力殘余位移只有15mm，表明構(gòu)件自復(fù)位能力良好。UBPC－SD試件的擬靜力殘余位移變化規(guī)律不對稱，原因是耗能鋼筋構(gòu)造施工誤差導(dǎo)致受力不對稱所致，但是總體上擬靜力殘余位移較大，耗能鋼筋在增加耗能能力的同時(shí)，也由于抗力的增加降低了自復(fù)位能力。

2.6 曲率

試件的實(shí)測曲率分布曲線如圖8所示。可以看出RC試件和UBPC試件同屬于整體現(xiàn)澆混凝土試件，曲率分布比較接近，可見預(yù)應(yīng)力筋的存在對整體現(xiàn)澆混凝土構(gòu)件塑性鉸區(qū)的曲率分布沒有多大影響。在位移等級較低時(shí)，曲率沿墩高呈相對較規(guī)則的線形分布。當(dāng)位移等級較高時(shí)，曲率向墩底集中。而采用干接縫連接的節(jié)段拼裝橋墩UBPC－S、UBPC－SD和BPC－S試件曲率分布相近。在接縫位置曲率較大，而墩身曲率分布很小，主意原因是變形集中在接縫位置處。各個(gè)接縫位置的曲率是墩底接縫最大，從墩底往墩頂各個(gè)接縫的曲率依次減小?？傮w而言，各個(gè)試件在相同位移荷載等級下的墩底最大平均曲率比較接近。

圖8 典型位移等級時(shí)塑性鉸區(qū)曲率分布Fig.8 Distribution of curvature in the plastic hinge area

2.7 節(jié)段拼裝試件接縫張開情況

與整體現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，采用干接縫連接的節(jié)段拼裝橋墩在擬靜力位移荷載作用下會發(fā)生顯著的張開。圖9給出了底部接縫隨位移等級增加的接縫張開情況，其中橫軸代表接縫水平位置，豎軸代表接縫中各點(diǎn)張開位移。對于水平張開的位移，正值代表接縫受拉側(cè)由于受拉導(dǎo)致的接縫張開，負(fù)值代表接縫受壓側(cè)由于混凝土受壓導(dǎo)致的壓縮變形。試件UBPC-S和BPC-S的接縫張開程度比較接近，主要原因是兩者的混凝土節(jié)段設(shè)計(jì)情況相同，而且在達(dá)到最大位移等級時(shí)的結(jié)構(gòu)損傷情況相同。試件UBPC-SD和UBPC－S情況相比，同等位移等級下的接縫張開程度有所減小，主要是耗能鋼筋提供拉力，減小了接縫的張開。

圖9 典型位移等級時(shí)干接縫的張開位移Fig.9 Joint opening displacement at critical loading displacement

3 結(jié)論

(1)循環(huán)荷載作用下，整體現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的曲率集中在塑性鉸附近，彎矩越大曲率越大;而節(jié)段拼裝預(yù)應(yīng)力混凝土橋墩的曲率主要集中在各個(gè)接縫附近，在彎矩越大的接縫，其曲率越大。

(2)節(jié)段拼裝橋墩在循環(huán)荷載作用下會發(fā)生接縫的交替張開閉合，不會發(fā)生現(xiàn)澆鋼筋混凝土橋墩出現(xiàn)的塑性鉸現(xiàn)象。這樣節(jié)段拼裝橋墩的損傷程度較現(xiàn)澆鋼筋混凝土橋墩就會小得多。

(3)在接縫位置布置縱向耗能鋼筋，可以延緩接縫的張開，增加試件的抗彎強(qiáng)度，增強(qiáng)滯回耗能能力，同時(shí)也會增加試件的殘余位移。

(4)試件RC、UBPC和UBPC-SD均顯示了較大的擬靜力殘余位移，擬靜力殘余位移與最大加載位移相當(dāng)。試件UBPC-S，BPC-S的擬靜力殘余位移較小，這兩種節(jié)段拼裝橋墩都顯示了較好的自復(fù)位性能。

(5)節(jié)段拼裝預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)可以取得與普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)一樣的荷載位移骨架曲線，而且同時(shí)擬靜力殘余位移又非常小。

［1］葛繼平.節(jié)段拼裝橋墩抗震性能試驗(yàn)研究與理論分析［D］.上海:同濟(jì)大學(xué)，2008.

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