陳立安,沈自珍

(1.浙江西城工程設(shè)計(jì)有限公司，浙江 杭州 310000；2.浙江省交通運(yùn)輸科學(xué)研究院，浙江 杭州 311305)

0 引言

高架橋是城市建設(shè)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(yù)制構(gòu)件廠分別加工橋梁上下結(jié)構(gòu)的組成構(gòu)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(chǔ)上，將成形的預(yù)制構(gòu)件運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場，并按照橋梁的基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行吊裝與拼接，形成城市高架橋主體。由此可見，橋梁各個構(gòu)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(gòu)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(gòu)件之一[4-6]?，F(xiàn)階段混凝土橋墩是城市高架橋建設(shè)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(gòu)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(zāi)害日益頻繁的今天，橋墩的抗震研究工作逐漸成為了國內(nèi)外橋梁領(lǐng)域的重要課題。從現(xiàn)階段國內(nèi)外的研究情況來看，現(xiàn)有的抗震理論無法指導(dǎo)拼裝橋墩的實(shí)踐，且目前國內(nèi)大多數(shù)橋墩抗震性能研究只針對單柱墩，不能滿足實(shí)際工程中復(fù)雜的受力特點(diǎn)，同時，未將橋梁面板和下部墩柱進(jìn)行連接，因此得出的抗震性能測試結(jié)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(yù)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(shè)提供數(shù)據(jù)支持。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

抗震性能試驗(yàn)的設(shè)計(jì)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(yàn)的測試內(nèi)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(shí)驗(yàn)中使用的混凝土橋墩試件。以某市高架橋?yàn)樵?，根?jù)一系列規(guī)范，設(shè)計(jì)、制作了橋墩試件。就結(jié)構(gòu)而言，橋墩原型截面尺寸設(shè)計(jì)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(shè)置為1.92%?？紤]設(shè)備加載空間，抗震性能試驗(yàn)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(shè)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(yù)應(yīng)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(qiáng)螺栓18A2Φ8@50有無C40Q345 & Q235七股鋼絞線8.8S級M20高強(qiáng)螺栓18A3Φ8@50有有C40Q345 & Q235七股鋼絞線8.8S級M20高強(qiáng)螺栓18

將整體混凝土墩臺分為幾個整體，以限制預(yù)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(jié)段，其目的是保證耗能鋼筋在關(guān)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(jié)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(jìn)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(jié)段在管道內(nèi)可自由滑移，實(shí)現(xiàn)橋墩試件中耗能鋼筋的設(shè)置。試件上耗能鋼筋無粘結(jié)段的處理方式如圖1所示。

圖1 耗能鋼筋無粘結(jié)段處理示意圖

1.2 高架橋混凝土橋墩有限元結(jié)構(gòu)分析

以橋墩試件的空間結(jié)構(gòu)為依據(jù)，分別從纖維、材料和有限元等方面構(gòu)建混凝土橋墩有限元模型。預(yù)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(fù)位、承重、耗能、抗剪和接頭構(gòu)件[10]，具體的橋墩結(jié)構(gòu)如圖2所示，截面圖如圖3所示。

圖2 預(yù)制拼裝高架橋混凝土橋墩結(jié)構(gòu)圖

圖3 預(yù)制拼裝高架橋混凝土橋墩截面圖

從結(jié)構(gòu)功能方面來看，自復(fù)位構(gòu)建能夠在振動結(jié)束后，實(shí)現(xiàn)橋墩整體的彈性復(fù)位，重新連接各個構(gòu)件和階段，盡量讓橋墩恢復(fù)到初始剛度。在自復(fù)位構(gòu)件的選擇上需要選用強(qiáng)度高、彈性抗拉性能材料。通過耗能構(gòu)件的安裝解決拼裝橋墩耗能能力比較弱的問題，耗能構(gòu)件通過拉壓變形來消耗能量，使結(jié)構(gòu)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(gòu)件。橋墩中的承重構(gòu)件主要對應(yīng)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。縱向主鋼筋按照圖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(yīng)力。另外，接頭構(gòu)件為連接螺栓，作用是連接橋墩上的承重構(gòu)件和墩臺部分。

在此基礎(chǔ)上分析構(gòu)件本身的組成材料，建立相應(yīng)的材料本構(gòu)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(gòu)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。混凝土纖維的本構(gòu)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(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系如圖4所示。

圖4 混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

圖4表示的混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)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(qiáng)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(jié)構(gòu)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(yīng)力值和反向點(diǎn)處的應(yīng)力與應(yīng)變數(shù)值；b和R分別為鋼筋的應(yīng)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(gòu)建結(jié)果。最終結(jié)合圖1表示的橋墩組成結(jié)構(gòu)，以及各個構(gòu)件之間的作用關(guān)系，得出預(yù)制拼裝城市高架橋混凝土橋墩有限元模型的構(gòu)建結(jié)果。在模型的構(gòu)建過程中，需要考慮各個元件之間的內(nèi)部相互作用，由于部分空心元件內(nèi)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(gòu)建后，建立鋼筋骨架模型，并對其進(jìn)行嵌入。基座和加載端都是解析剛體，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(zhǔn)測量。

1.3 選取地震波

對混凝土橋墩進(jìn)行抗震性能研究時，振動波的選取對結(jié)構(gòu)的動力時程響應(yīng)有直接的影響。選擇合理的振動波，保證結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析結(jié)果的可靠性。此次試驗(yàn)研究中選擇遠(yuǎn)斷層地震動和近斷層地震動作為試驗(yàn)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(fù)循環(huán)荷載試驗(yàn)，控制結(jié)構(gòu)荷載或變形量，使結(jié)構(gòu)反復(fù)加載和卸載過程。按照靜力試驗(yàn)的要求，對橋墩試件水平方向加載進(jìn)行了100 t電液伺服加載，并用6根高強(qiáng)度螺栓將蓋梁和執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)備固定保證連接的牢固性。為了加強(qiáng)承臺與地槽的連接，在承臺負(fù)荷端上各設(shè)置一根壓梁，并通過地錨連接壓梁與地錨。設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)?zāi)康?、試件結(jié)構(gòu)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(yù)載荷和正式載荷。預(yù)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(jié)果。預(yù)加載階段結(jié)束后，進(jìn)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(shè)計(jì)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(cè)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(gòu)建的混凝土橋墩試件模型為基礎(chǔ)，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(zhuǎn)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(jìn)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(yù)應(yīng)力。預(yù)應(yīng)力在前2個階段不變，在第3階段被增加至Fsi+ΔFsi。當(dāng)側(cè)向振動增加時，由于拉伸產(chǎn)生的裂縫從柱子底部的一側(cè)開始向底端中部移動。這時試件墩身進(jìn)入(b)階段，開始產(chǎn)生明顯的非線性變形。預(yù)應(yīng)力隨著軸心寬度的持續(xù)減小，預(yù)應(yīng)力筋被拉伸，預(yù)應(yīng)力增大。由于側(cè)向振動作用力呈波動變化，因此預(yù)應(yīng)力鋼筋在振動過程中的應(yīng)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(cè)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(zhǔn)確性。其中1臺位移計(jì)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(jìn)行測量。采用位移計(jì)測量沿墩身高度分別為650、1 150、1 600 mm的水平位移，實(shí)現(xiàn)沿墩身水平位移的測量。同理在豎直方向布置測點(diǎn)，測量墩身高度曲率的變化。曲率的測量無法通過讀取設(shè)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(jì)算，下面就簡單介紹一下曲率的測量過程。當(dāng)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(zhuǎn)角可以用：

(5)

式中:變量h1和h2表示的是由于轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的位移;L1和L2為測點(diǎn)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(nèi)的平均曲率為：

(6)

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

2 描述預(yù)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(jìn)行振動加載試驗(yàn)過程中，對實(shí)時產(chǎn)生的現(xiàn)象進(jìn)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(cè)移率為1%

在A1試件上施加的側(cè)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?yàn)?5°，但振動波卸載后會出現(xiàn)重新封閉現(xiàn)象。側(cè)移率為1.5%～3%時，此時試件的損傷等級達(dá)到二級，試件內(nèi)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(dāng)水平振動波強(qiáng)度進(jìn)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(dāng)側(cè)移率為7%時，試件頂部出現(xiàn)嚴(yán)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(yàn)后，清除混凝土塑性鉸區(qū)保護(hù)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(yàn)中準(zhǔn)備的其他3個混凝土橋墩試件，在不同強(qiáng)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(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)設(shè)置的試驗(yàn)?zāi)康暮蜏y試內(nèi)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(yàn)結(jié)果。其中滯回性能可以通過構(gòu)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(yīng)時間的滯回性能更優(yōu)，即整個結(jié)構(gòu)的變形能力較強(qiáng)。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(qiáng)。破壞形態(tài)可以通過觀察直接得出結(jié)論，在破壞范圍較小的情況下，可以通過觀察橋墩試件對應(yīng)的有限元模型的變化情況得到精細(xì)的對比結(jié)果。

通過相關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，利用式(7)可以計(jì)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(dá)到屈服時對應(yīng)試件結(jié)構(gòu)等效質(zhì)心發(fā)生的水平位移量;φp和Lp為等效塑性鉸區(qū)內(nèi)分布的塑性曲率和縱向滑移量;L表示的是試件結(jié)構(gòu)的等效質(zhì)心與橋墩底面之間的縱向距離。將相關(guān)數(shù)據(jù)代入到式(7)中，并得出抗震性能的測試結(jié)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(jì)算結(jié)果進(jìn)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(yīng)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(yīng)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(jié)果

圖10反映了在地震波偏轉(zhuǎn)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(hù)層混凝土存在小部分的嚴(yán)重?fù)p傷。每一試件核心區(qū)內(nèi)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(jié)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(jié)束語

預(yù)制拼裝城市高架橋由于具有工作難度小、建設(shè)速度快等優(yōu)勢被廣泛地應(yīng)用到城市的橋梁建設(shè)工作中。通過試驗(yàn)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(jié)果中可以看出，在預(yù)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(yàn)中主要設(shè)置的振動波為地震波，但在實(shí)際的橋梁應(yīng)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。