陳立安,沈自珍

(1.浙江西城工程設計有限公司，浙江 杭州 310000；2.浙江省交通運輸科學研究院，浙江 杭州 311305)

0 引言

高架橋是城市建設中不可或缺的組成部分之一。為了方便橋梁施工，城市高架橋一般選擇拼裝方式，這種拼裝方式與傳統(tǒng)的現(xiàn)場鋼筋綁扎、砼澆筑的方式不同，是在預制構件廠分別加工橋梁上下結構的組成構件，例如橋梁上部的板梁、箱梁，以及橋梁下部的墩柱、承臺等[1-3]。在此基礎上，將成形的預制構件運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場，并按照橋梁的基本結構進行吊裝與拼接，形成城市高架橋主體。由此可見，橋梁各個構件的穩(wěn)固程度直接決定了城市高架橋的穩(wěn)定性。在諸多橋梁構件中，橋墩是整個橋梁的承重主體，同時也是穩(wěn)定性要求最高的構件之一[4-6]?，F(xiàn)階段混凝土橋墩是城市高架橋建設的重要用料形式，混凝土橋墩成為城市高架橋的組成部分。

近年來橋墩構件的抗震性能問題已經(jīng)引起人們的廣泛重視，尤其是在地震等自然災害日益頻繁的今天，橋墩的抗震研究工作逐漸成為了國內外橋梁領域的重要課題。從現(xiàn)階段國內外的研究情況來看，現(xiàn)有的抗震理論無法指導拼裝橋墩的實踐，且目前國內大多數(shù)橋墩抗震性能研究只針對單柱墩，不能滿足實際工程中復雜的受力特點，同時，未將橋梁面板和下部墩柱進行連接，因此得出的抗震性能測試結果的參考價值不高[7-8]。為了保證城市高架橋的穩(wěn)定性與安全性，開展抗震性能分析具有一定的必要性。為此，本文研究預制拼裝城市高架橋混凝土橋墩抗震性能，以期為城市高架橋的建設提供數(shù)據(jù)支持。

1 試驗設計

抗震性能試驗的設計目的是研究不同類型混凝土橋墩在不同振動作用下的性能區(qū)別，由此確定抗震性能試驗的測試內容為：混凝土橋墩的滯回性能和耗能能力；測量混凝土橋墩試件上塑性部分的變形與位移情況，并觀察橋墩試件的表面破壞程度。

1.1 試件的制作與安裝

按照是否有接縫、接縫位置上是否嵌入耗能鋼筋為參數(shù)，制作實驗中使用的混凝土橋墩試件。以某市高架橋為原型，根據(jù)一系列規(guī)范，設計、制作了橋墩試件。就結構而言，橋墩原型截面尺寸設計為2.5 m×1.7 m，截面配有多根規(guī)格為28 mm的鋼筋，配筋率1.23%。以1∶4為比例尺制作試件，統(tǒng)一截面尺寸，配箍率設置為1.92%?？紤]設備加載空間，抗震性能試驗選取墩高3.5 m[9]。沿著弱軸加載，載荷的寬度為0.64 m，剪切比為5.89。橋墩承臺尺寸為1.38 m×1.38 m×0.7 m×0.7 m，試件總高度為4.3 m。橋墩試件的具體制作參數(shù)如表1所示。

表1 橋墩試件具體參數(shù)設置表Table 1 Specific parameter setting of pier test piece試件編號箍筋型號與間距/mm有無接縫接縫處有無耗能鋼筋混凝土型號鋼管型號預應力鋼筋型號連接螺栓縱向主鋼筋數(shù)量A1Φ8@50無無C40 Q345 & Q235七股鋼絞線8.8S級M20高強螺栓18A2Φ8@50有無C40Q345 & Q235七股鋼絞線8.8S級M20高強螺栓18A3Φ8@50有有C40Q345 & Q235七股鋼絞線8.8S級M20高強螺栓18

將整體混凝土墩臺分為幾個整體，以限制預制塊重量在8 t左右。在承臺S1、S2段采用長度為100 mm的無粘結段，其目的是保證耗能鋼筋在關鍵位置上不會產(chǎn)生早期破壞，在橋墩試件的拼裝接縫位置上，選擇100 mm的聚氯乙烯管作為無粘結段處理材料。在處理過程中，先在處理位置上涂抹黃油，并使用透明膠布將其表面進行包裹處理。然后套上選取的聚氯乙烯管，確保耗能鋼筋無粘結段在管道內可自由滑移，實現(xiàn)橋墩試件中耗能鋼筋的設置。試件上耗能鋼筋無粘結段的處理方式如圖1所示。

圖1 耗能鋼筋無粘結段處理示意圖

1.2 高架橋混凝土橋墩有限元結構分析

以橋墩試件的空間結構為依據(jù)，分別從纖維、材料和有限元等方面構建混凝土橋墩有限元模型。預制拼裝城市高架橋混凝土橋墩主要由5個部分組成，分別為自復位、承重、耗能、抗剪和接頭構件[10]，具體的橋墩結構如圖2所示，截面圖如圖3所示。

圖2 預制拼裝高架橋混凝土橋墩結構圖

圖3 預制拼裝高架橋混凝土橋墩截面圖

從結構功能方面來看，自復位構建能夠在振動結束后，實現(xiàn)橋墩整體的彈性復位，重新連接各個構件和階段，盡量讓橋墩恢復到初始剛度。在自復位構件的選擇上需要選用強度高、彈性抗拉性能材料。通過耗能構件的安裝解決拼裝橋墩耗能能力比較弱的問題，耗能構件通過拉壓變形來消耗能量，使結構更安全、更穩(wěn)定。所以，可選用延性耗能鋼筋、各類減振器等耗能構件。橋墩中的承重構件主要對應的是墩身位置，是承載縱向重力、壓力和振動作用下的水平荷載的主要元件，具體表現(xiàn)為鋼筋混凝土墩臺、組合墩等?？v向主鋼筋按照圖3所示分布，共16條縱向主鋼筋，橫向鋼筋縱向距離為0.05 m，每一個界面采用12條鋼筋，共70個截面，這些鋼筋穩(wěn)固混凝土并增加試件縱向最大應力。另外，接頭構件為連接螺栓，作用是連接橋墩上的承重構件和墩臺部分。

在此基礎上分析構件本身的組成材料，建立相應的材料本構模型。一般情況下高架橋混凝土橋墩由鋼筋和混凝土這2種材料混合共同組成，因此在材料模型的構建過程中，需要將鋼筋和混凝土各自的材料特性集中體現(xiàn)出來?；炷晾w維的本構模型對纖維模型的正確性有較大的影響。通過修正材料處理后，在外力的作用影響下，混凝土應力-應變關系如圖4所示。

圖4 混凝土應力-應變關系曲線

圖4表示的混凝土應力-應變關系曲線可以用分段函數(shù)的形式表示為：

(1)

(2)

式中:ρs和fyh分別為箍筋橋墩混凝土屈服強度和箍筋相對于橋墩混凝土的含量;h″為混凝土板每米寬度；Sh表示箍筋間距。由此可以得出混凝土橋墩結構中鋼筋部分的模型變形規(guī)則為：

(3)

式中:變量ε*可以表示為：

(4)

式中:σ0、σr、ε0和εr依次表示為鋼筋屈服最小應力值和反向點處的應力與應變數(shù)值；b和R分別為鋼筋的應變硬化率和過渡影響參數(shù)。同理可以得出高架橋混凝土橋墩中混凝土材料部分的模型構建結果。最終結合圖1表示的橋墩組成結構，以及各個構件之間的作用關系，得出預制拼裝城市高架橋混凝土橋墩有限元模型的構建結果。在模型的構建過程中，需要考慮各個元件之間的內部相互作用，由于部分空心元件內部為不規(guī)則形狀，因此，在網(wǎng)格劃分工作中，需要利用多面體掃描方式，定義網(wǎng)格的劃分單元為100。在完成混凝土節(jié)段模型構建后，建立鋼筋骨架模型，并對其進行嵌入?；图虞d端都是解析剛體，所以混凝土墩臺與節(jié)段以剛體-柔體的形式接觸。通過有限元模型的建立方便橋墩變形量的精準測量。

1.3 選取地震波

對混凝土橋墩進行抗震性能研究時，振動波的選取對結構的動力時程響應有直接的影響。選擇合理的振動波，保證結構響應分析結果的可靠性。此次試驗研究中選擇遠斷層地震動和近斷層地震動作為試驗的2組地震波，其中，近斷層地震波主要由TCU051、TCU054、TCU052、TCU068等脈沖組成。選擇的地震波樣本時程變化特征如圖5所示。

圖5 地震波形圖

1.4 確定振動加載方案

為了還原地震的荷載作用特性，采用循環(huán)荷載加載的方式，通過反復循環(huán)荷載試驗，控制結構荷載或變形量，使結構反復加載和卸載過程。按照靜力試驗的要求，對橋墩試件水平方向加載進行了100 t電液伺服加載，并用6根高強度螺栓將蓋梁和執(zhí)行機構設備固定保證連接的牢固性。為了加強承臺與地槽的連接，在承臺負荷端上各設置一根壓梁，并通過地錨連接壓梁與地錨。設計并安裝好的振動加載裝置如圖6所示。

圖6 加載裝置示意圖

在考慮實驗目的、試件結構等多種因素的前提下，確定振動加載方案。載荷的作用可以分為2個階段，分別為預載荷和正式載荷。預載荷能夠有效確保試件和地面的接觸程度，避免出現(xiàn)試件底面放置不穩(wěn)而產(chǎn)生的移動，間接的影響抗震性能的測試結果。預加載階段結束后，進入正式加載階段，按照相同的加載方式繼續(xù)施加垂直軸力，軸力按每級200 kN逐級加載到800 kN，然后將軸力降至設計值700 kN。利用圖6表示的加載裝置，確定具體的水平振動加載方案，如表2所示。

表2 水平振動加載方案Table 2 Horizontal vibration loading scheme加載次數(shù)加載側移率循環(huán)次數(shù)1±1.00%(13.6 mm)、±1.50%(20.4 mm)12±2.00%(27.2 mm)、±2.50%(34.5 mm)33±3.00%(40.8 mm)、±4.00%(54.4 mm)2

1.5 高架橋混凝土橋墩受力分析

以構建的混凝土橋墩試件模型為基礎，分析其在振動荷載作用下的受力情況，可以將橫向振動作用下橋墩的受力分成3個階段，如圖7所示。

(a) 階段1 (b) 階段2 (c) 階段3

圖7中(a)為底端偏心受壓階段，此時中性軸寬度與截面寬度相等；(b)和(c)均為剛性旋轉階段， 但在(b)狀態(tài)下中性軸寬度為截面寬度的二分之一，而(c)狀態(tài)中心軸寬度進一步減少[11-12]。另外圖7中的參數(shù)F和P分別為橫向振動作用力和垂直靜態(tài)荷載，而Fsi為初始預應力。預應力在前2個階段不變，在第3階段被增加至Fsi+ΔFsi。當側向振動增加時，由于拉伸產(chǎn)生的裂縫從柱子底部的一側開始向底端中部移動。這時試件墩身進入(b)階段，開始產(chǎn)生明顯的非線性變形。預應力隨著軸心寬度的持續(xù)減小，預應力筋被拉伸，預應力增大。由于側向振動作用力呈波動變化，因此預應力鋼筋在振動過程中的應力值不斷變化。

1.6 描述抗震性能測試過程

在橋墩試件頂部兩側安裝2個大型的位移測量儀，分別從測量水平位移量和拉線位移，其目的是保證數(shù)據(jù)測量的準確性。其中1臺位移計測量，另1臺作備用，通過千斤頂?shù)膫鞲衅鲗炷翗蚨账轿灰七M行測量。采用位移計測量沿墩身高度分別為650、1 150、1 600 mm的水平位移，實現(xiàn)沿墩身水平位移的測量。同理在豎直方向布置測點，測量墩身高度曲率的變化。曲率的測量無法通過讀取設備數(shù)據(jù)直接得出，但可以通過百分表的位移變化公式來計算，下面就簡單介紹一下曲率的測量過程。當墩受彎時，在墩身的一邊受拉，另一邊受壓，分別產(chǎn)生拉力變形和壓縮變形，由此測得的截面轉角可以用：

(5)

式中:變量h1和h2表示的是由于轉動產(chǎn)生的位移;L1和L2為測點與墩身之間的距離；D為橋墩試件的底邊長度。由此可得塑性鉸區(qū)高度H范圍內的平均曲率為：

(6)

將式(5)的結果代入式(6)中，獲取曲率測量結果平均值。綜合各個測點的量化測試數(shù)據(jù)，推斷出預制拼裝城市高架橋混凝土橋墩的抗震性能[13]。

2 描述預制拼裝城市高架橋混凝土橋墩抗震現(xiàn)象

在對高架橋混凝土橋墩進行振動加載試驗過程中，對實時產(chǎn)生的現(xiàn)象進行描述，具體包括橋墩表面是否出現(xiàn)裂縫、裂縫的位置、寬度變化情況、裂縫發(fā)生的全過程，以及時間的最終破壞形態(tài)等。以A1試件為例，在整個振動波加載過程中，試件表面的破壞變化情況如圖8所示。

(a) 側移率為1%

在A1試件上施加的側向力為1%，即第一級損傷等級為1級，柱頂水平荷載為286 kN，橋墩底部承臺出現(xiàn)微小裂縫，裂縫傾斜方向為45°，但振動波卸載后會出現(xiàn)重新封閉現(xiàn)象。側移率為1.5%～3%時，此時試件的損傷等級達到二級，試件內出現(xiàn)多條彎曲裂縫，部分呈貫穿狀，裂隙之間的平均間隔約10 cm左右。當水平振動波強度進一步增大時，橋墩底部和頂部出現(xiàn)輕微鼓曲，漆皮略有脫落。當側移率為7%時，試件頂部出現(xiàn)嚴重的撕裂現(xiàn)象，且撕裂范圍已經(jīng)延伸到柱中間，柱底和承臺之間的接縫完全脫開。試驗后，清除混凝土塑性鉸區(qū)保護層，可得出試件破壞的最終狀態(tài)。按照這種方式可以得出試驗中準備的其他3個混凝土橋墩試件，在不同強度地震波作用下的破壞情況。

3 高架橋混凝土橋墩抗震性能試驗結果分析

根據(jù)設置的試驗目的和測試內容，分別從混凝土橋墩的滯回性能、耗能能力,以及破壞形態(tài)等方面，得出最終抗震性能試驗結果。其中滯回性能可以通過構建荷載-位移曲線直接得出。滯回曲線可以分為梭形、弓形、反s形和Z形4種形態(tài)，其中梭形曲線說明對應時間的滯回性能更優(yōu)，即整個結構的變形能力較強。耗能能力反映的是試件在振動過程中吸收能量的能力，可用滯回曲線圍成的面積量化表示，面積越大證明耗能能力越強。破壞形態(tài)可以通過觀察直接得出結論，在破壞范圍較小的情況下，可以通過觀察橋墩試件對應的有限元模型的變化情況得到精細的對比結果。

通過相關數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，利用式(7)可以計算出在不同的地震波荷載作用下試件水平位置的變化量。 Δ=Δy+φpLp(L-0.5Lp)

(7)

式中:Δy表示的是橋墩試件達到屈服時對應試件結構等效質心發(fā)生的水平位移量;φp和Lp為等效塑性鉸區(qū)內分布的塑性曲率和縱向滑移量;L表示的是試件結構的等效質心與橋墩底面之間的縱向距離。將相關數(shù)據(jù)代入到式(7)中，并得出抗震性能的測試結果，如表3所示。

從表3中可以看出，在相同的地震波作用下，A3試件的屈服位移和峰值位移更小，即該試件的滯回性能存在明顯優(yōu)勢。對每一次加載過程中墩頂位移與加載每一步的計算結果進行匯總，繪制出荷載-位移曲線，如圖9所示。

表3 混凝土橋墩試件水平荷載與位移量測試數(shù)據(jù)表Table 3 Test data of horizontal load and displacement of concrete pier specimens試件編號地震波加載方向屈服位移/mm峰值位移/mmA1推13.4638.07拉14.7739.88A2推13.9427.33拉14.0630.04A3推11.0330.15拉9.8021.79

(a) A1試件

從圖9中可以看出，試件A3對應的滯回曲線呈梭形，且組成的曲線面積更大，由此證明A3試件的抗震性能更優(yōu)。另外從破壞程度方面來看，3個橋墩試件對應的有限元損傷圖像如圖10所示。

圖10 混凝土橋墩試件破壞程度測試結果

圖10反映了在地震波偏轉角為4%時混凝土墩試件的受壓破壞，此時A3試件和A1試件的破壞區(qū)域基本一致，保護層混凝土存在小部分的嚴重損傷。每一試件核心區(qū)內的混凝土均受箍筋約束，外層破壞程度高，軸向無法繼續(xù)承載。A3試件的損傷范圍最小，均為三角形，且具有一定的軸向承載能力。綜上所述，從滯回性能、耗能能力和破壞形態(tài)的測試結果中可以看出，A3試件也就是接縫處有耗能鋼筋的抗震性能更優(yōu)。

4 結束語

預制拼裝城市高架橋由于具有工作難度小、建設速度快等優(yōu)勢被廣泛地應用到城市的橋梁建設工作中。通過試驗研究發(fā)現(xiàn)橋墩的破壞大多發(fā)生在墩柱底部，具體表現(xiàn)為大偏心受壓破壞，且在外部振動作用下顯得尤其明顯。從抗震性能的測試結果中可以看出，在預制拼裝高架橋的接縫位置上嵌入一個耗能鋼筋，可以在一定程度上提升橋墩的抗震性能。此次試驗中主要設置的振動波為地震波，但在實際的橋梁應用中所受到更多的是車輛行駛所形成的振動，在未來的研究工作中需要針對這一方向繼續(xù)研究。