張永偉

（山西省交通新技術(shù)發(fā)展有限公司，山西 太原 030012）

0 引言

超高性能混凝土（UHPC）是指利用纖維、水泥、硅粉、粉煤灰、高效減水劑等配制而成的高強(qiáng)度、高延性、低孔隙率的新型復(fù)合材料[1-3]，據(jù)相關(guān)研究表明：其抗壓、抗拉強(qiáng)度是普通混凝土的4倍，抗折強(qiáng)度可達(dá)普通混凝土的10倍，斷裂能更是可以達(dá)到普通混凝土的250倍，具有良好的收縮徐變和耐久性能，已廣泛應(yīng)用于裝配式建筑，預(yù)制梁、板、柱等建筑結(jié)構(gòu)中，取得了較好的應(yīng)用效果[4-8]。

雙薄壁墩是當(dāng)前大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋中橋墩的常用形式，由兩個(gè)相互平行的墩壁與主梁鉸接或者剛接而成，作為一種柔性墩，它既可以承受上部荷載，保持橋梁相對(duì)穩(wěn)定，又可滿足上部結(jié)構(gòu)位移變形的需要，對(duì)于大跨徑橋墩，除了滿足承載和耐久特性，橋墩的抗震性能一直是工程界研究的重點(diǎn)問題[9]。陳愛軍等[10]通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)軸壓取5%時(shí)，試驗(yàn)雙肢薄壁的延性最差，當(dāng)軸壓比取10%時(shí)，試驗(yàn)雙肢薄壁的延性最好；蘇鵬[11]、陳彥江[12]等研究了系梁設(shè)置對(duì)雙肢薄壁剛構(gòu)橋地震響應(yīng)的影響，認(rèn)為合理設(shè)置梁系可以減小支座在地震中的響應(yīng)；朱麗杰以水大橋?yàn)槔?，模擬研究了壁厚對(duì)雙肢薄壁墩溫度場(chǎng)及溫差效應(yīng)的影響[13]。

將UHPC應(yīng)用于橋梁建設(shè)，不僅可以提升橋梁的力學(xué)性能和耐久性，還可以減小構(gòu)件自重，使得吊裝更為簡(jiǎn)便。但是，將UHPC應(yīng)用于橋墩的研究還相對(duì)較少，故本文開展了大跨徑超高性能混凝土雙肢薄壁高墩的抗震性能室內(nèi)模型和有限元模型分析，可為UHPC在連續(xù)剛構(gòu)橋中的設(shè)計(jì)與運(yùn)用提供借鑒。

1 模型設(shè)置

1.1 室內(nèi)模型

本文模擬對(duì)象為山西某三跨連續(xù)剛構(gòu)橋，主跨跨徑達(dá)到120 m，最大墩高為57.6 m，橋墩設(shè)計(jì)使用年限為100年，設(shè)計(jì)安全等級(jí)和荷載等級(jí)均為1級(jí)。按照相似理論（模型長(zhǎng)度∶實(shí)際長(zhǎng)度=1∶16），共設(shè)置3種（兩組普通鋼筋混凝土墩和一組UHPC試驗(yàn)墩）室內(nèi)模型，UHPC摻入端勾型鋼纖維，直徑為0.2 mm，平均長(zhǎng)度為13 mm，鋼纖維體積摻量約為2.5%，各試驗(yàn)墩具體參數(shù)見表1。采用電液伺服加載系統(tǒng)對(duì)各試驗(yàn)墩進(jìn)行荷載加載試驗(yàn)，采用YHD-50型位移計(jì)和TST3826靜態(tài)應(yīng)變進(jìn)行位移和應(yīng)變測(cè)量，試驗(yàn)位移加載控制示意見圖1。

表1 試驗(yàn)墩模型參數(shù)

UHPC試驗(yàn)墩不進(jìn)行鋼筋配置，故UH1配筋率不列入考慮范圍。

圖1 位移加載控制示意

1.2 有限元模型

圖2 有限元分析模型

采用ABAQUS有限元分析軟件建立數(shù)值分析模型，并選擇損傷塑性模型來模擬UHPC，即認(rèn)為材料破壞模式包括受拉開裂和受壓破碎，損傷塑性模型具體參數(shù)為：膨脹角30°、偏心率0.01、強(qiáng)度比1.16、黏聚系數(shù)0.000 5；損傷塑性屈服準(zhǔn)則采用非關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則，且選用Drucker-Prager雙曲線模型；采用C3D8R單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。荷載模擬加載步驟為首先在墩頂施加豎向荷載，然后再在墩頂施加水平荷載。有限元模型見圖2。

2 不同試驗(yàn)墩抗震性對(duì)比

試驗(yàn)及模擬得到的不同試驗(yàn)墩荷載-墩頂水平位移曲線見圖3，從圖3中可以看到：試驗(yàn)墩實(shí)測(cè)的荷載位移曲線與模擬分析得到的荷載位移曲線基本吻合，但兩者仍具有一定的差異。這主要是因?yàn)樵谀M分析時(shí)所采用的本構(gòu)關(guān)系與實(shí)際情況有一定出入，同時(shí)模型破壞準(zhǔn)則及材料參數(shù)均會(huì)與實(shí)際情況有一定差別，故而兩者存在一定差異。與普通混凝土橋墩相比，UHPC橋墩的滯回曲線更加飽滿，呈“弓”形變化趨勢(shì)，表明其延性變形能力較佳。普通鋼筋混凝土試驗(yàn)墩的曲線“捏縮”效應(yīng)更為顯著，縱向配筋率越大，滯回曲線更飽滿，承載和變形能力更大。

圖3 荷載-墩頂水平位移曲線

通過分析計(jì)算，得到了3組試驗(yàn)墩的抗震參數(shù)，見表2。

表2 3組試驗(yàn)墩的抗震參數(shù)分析結(jié)果

從表2中可以看到：試驗(yàn)結(jié)果與模型結(jié)果相差較小，其中，位移延性指數(shù)平均相差4.1%，承載力平均相差6.7%，綜合抗震指標(biāo)相差3.1%。從各組參數(shù)對(duì)比來看，普通鋼筋混凝土試驗(yàn)組的延性變形能力較小，而UHPC試驗(yàn)組的延性達(dá)到10以上，為普通鋼筋試驗(yàn)組的2倍以上，盡管在周期荷載作用下（試驗(yàn)?zāi)康哪M的是地震周期荷載，為了避免誤解，筆者改為周期荷載），UHPC試驗(yàn)墩的承載力有所降低，但相對(duì)鋼筋混凝土墩減小幅度較小。普通鋼筋混凝土試驗(yàn)墩的綜合抗震指標(biāo)分別為4.01和6.64，可見，加大配筋率可以增加橋墩的抗震特性，但工程造價(jià)成本也會(huì)隨之增加，而UHPC試驗(yàn)墩的綜合抗震指標(biāo)可以達(dá)到普通鋼筋試驗(yàn)墩的4倍，即超高性能混凝土雙肢薄壁高墩的抗震能力較普通橋墩提升約300%。

3 UHPC橋墩抗震參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 系梁位置的影響

圖4 系梁高度對(duì)UHPC雙肢薄壁墩抗震性能影響

當(dāng)雙肢厚度和間距一定時(shí)（雙肢厚度為120 mm，間距為238 mm），通過改變系梁距橋墩底部的高度來探討UHPC雙肢薄壁墩的抗震性能，結(jié)果見圖4。從圖4中可以看到：隨著系梁高度的逐漸增加，橋墩延性系數(shù)和極限荷載值均呈先增大后減小的變化特征，當(dāng)系梁位于墩高1/2位置時(shí)，橋墩的抗震性能最佳。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)，建議將超高性能混凝土雙肢薄壁高墩的系梁高度設(shè)置在墩高1/2處。

3.2 雙肢厚度的影響

當(dāng)系梁高度和雙肢間距一定時(shí)（系梁高1 660 mm、雙肢間距238 mm）,通過改變雙肢厚度來探討UHPC雙肢薄壁墩的抗震性能，結(jié)果見圖5。從圖5中可以對(duì)比看到：隨著雙肢墩壁厚度的增加，墩頂?shù)臉O限承載能力會(huì)逐漸增強(qiáng)，但是延性系數(shù)卻會(huì)逐漸降低。當(dāng)雙肢墩的橫向?qū)挾炔蛔儠r(shí)，厚度越大，受到的彎矩也會(huì)逐漸增加，橋墩的抗推剛度也隨之增大。增大壁厚雖然在一定程度上可以提升結(jié)構(gòu)的承載能力，但會(huì)降低其變形能力，對(duì)抗震效果反而不利。結(jié)合分析結(jié)果，認(rèn)為當(dāng)壁厚處于120～150 mm時(shí)，橋墩的抗震性能較佳。

圖5 雙肢壁厚對(duì)UHPC雙肢薄壁墩抗震性能影響

3.3 雙肢間距的影響

當(dāng)系梁高度和雙肢壁厚一定時(shí)（系梁高1 660 mm、雙肢壁厚120 mm）,通過改變雙肢間距來探討UHPC雙肢薄壁墩的抗震性能，結(jié)果見圖6。從圖6中可以看出：當(dāng)系梁高度和雙肢壁厚一定時(shí)，隨著雙肢間距的增大，延性系數(shù)和極限荷載均呈先增大后減小的變化特征，當(dāng)雙肢間距為250 mm時(shí)，延性系數(shù)和極限荷載達(dá)到最大值，表明此時(shí)UHPC雙肢薄壁墩的抗震性能最佳，當(dāng)間距超過250 mm后，反而對(duì)墩身的抗震性能不利。

圖6 雙肢間距對(duì)UHPC雙肢薄壁墩抗震性能影響

4 結(jié)論

a）超高性能混凝土（UHPC）可以很大程度上提升雙肢薄壁高墩的延性變形能力，綜合抗震性能是普通鋼筋混凝土橋墩的4倍左右。

b）根據(jù)模擬結(jié)果，建議在雙肢薄壁墩1/2高度處設(shè)置一道系梁。增大雙肢厚度，不利于橋墩的抗震能力；當(dāng)雙肢間距為250 mm時(shí)，橋墩的抗震能力最佳。

c）研究成果可為超高性能混凝土在大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋雙肢薄壁高墩中的設(shè)計(jì)與運(yùn)用提供參考。