張帥，蘇偉，牟兆祥

（中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司 土建工程設(shè)計(jì)研究院，天津 300308）

0 引言

節(jié)段預(yù)制拼裝式橋墩在國(guó)內(nèi)外公路、市政及海域等工程中有所應(yīng)用，近年來(lái)已在一些城市橋梁中大規(guī)模推廣。鐵路領(lǐng)域最早應(yīng)用于20世紀(jì)50年代，近幾十年應(yīng)用較少，為提升鐵路智能建造技術(shù)水平，需要開展系統(tǒng)研究。

預(yù)制節(jié)段間的連接是結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位，常用連接形式包括灌漿套筒、波紋管、預(yù)應(yīng)力連接、承插式等，各種連接形式特點(diǎn)不一［1-4］，其中預(yù)應(yīng)力連接作為主要的連接方式應(yīng)用廣泛，國(guó)內(nèi)外開展了一些理論和試驗(yàn)研究［5-8］，并應(yīng)用于多個(gè)工程，大多位于非震區(qū)或采取特殊措施降低抗震需求，如成昆鐵路，當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)理念未進(jìn)行專門的抗震設(shè)計(jì)。美國(guó)Victory Bridge位于非震區(qū)；臺(tái)灣地區(qū)臺(tái)中生活圈四號(hào)線設(shè)置了減隔震支座或局部現(xiàn)澆；港珠澳大橋設(shè)置減隔震支座；成都羊犀立交橋等采用預(yù)應(yīng)力筋和套筒相互配合的混合連接形式。

1 預(yù)應(yīng)力筋連接拼裝墩主要受力特點(diǎn)

1.1 拼裝墩整體受力特點(diǎn)

拼裝墩由若干預(yù)制節(jié)段通過(guò)拼接縫拼裝而成，拼接縫的存在導(dǎo)致其受力模式與現(xiàn)澆橋墩不同。現(xiàn)澆橋墩采用整體澆筑或設(shè)置施工縫，其受彎破壞模式一般為隨著荷載增大，墩底及施工縫區(qū)域出現(xiàn)開裂且裂縫不斷擴(kuò)展，直至構(gòu)件破壞，其受剪破壞模式為斜截面抗剪破壞；拼裝式橋墩受彎破壞模式一般表現(xiàn)為拼接縫區(qū)域的張開，預(yù)制節(jié)段除自身彎曲變形外，還沿拼接縫出現(xiàn)一定的轉(zhuǎn)動(dòng)，其受剪破壞除與現(xiàn)澆墩類似的斜截面抗剪破壞外，節(jié)段可能沿拼接縫錯(cuò)動(dòng)和滑移，出現(xiàn)直剪破壞（見(jiàn)圖1、圖2）。

圖1 現(xiàn)澆墩破壞模式

圖2 拼裝墩破壞模式

1.2 預(yù)應(yīng)力筋連接形式受力特點(diǎn)

拼裝墩節(jié)段間通過(guò)預(yù)應(yīng)力筋進(jìn)行連接，一方面預(yù)應(yīng)力筋產(chǎn)生預(yù)壓力且自身提供抗力；另一方面當(dāng)拼裝墩受彎時(shí)發(fā)生水平變形，預(yù)應(yīng)力筋隨之被張拉，形成彈性回復(fù)力有利于使拼裝墩回到初始狀態(tài)，提高自復(fù)位能力，減小地震后的殘余變形［9-10］，同時(shí)，預(yù)應(yīng)力筋提供的預(yù)壓力增強(qiáng)了拼接縫處的抗剪能力。

預(yù)應(yīng)力筋連接分為完全預(yù)應(yīng)力筋連接和預(yù)應(yīng)力筋混合連接。完全預(yù)應(yīng)力筋連接節(jié)段間僅通過(guò)預(yù)應(yīng)力筋進(jìn)行連接，普通鋼筋不連續(xù)，實(shí)際工程應(yīng)用較多，主要在非震區(qū)，其與現(xiàn)澆橋墩相比，受力性能上屬于“非等同現(xiàn)澆”體系［11］，連接強(qiáng)度較現(xiàn)澆墩弱，耗能差、延性低，難以適用高烈度震區(qū)抗震需求。預(yù)應(yīng)力筋混合連接節(jié)段間不僅通過(guò)預(yù)應(yīng)力筋進(jìn)行連接，還設(shè)置耗能構(gòu)造，如增加連續(xù)的普通鋼筋、外置耗能裝置［12］等，在發(fā)揮預(yù)應(yīng)力筋優(yōu)勢(shì)的同時(shí)又提高耗能能力，增強(qiáng)抗震性能，近年來(lái)通過(guò)很多理論和試驗(yàn)研究，表明該種連接應(yīng)用于高震區(qū)的可靠性［13-15］。

2 拼裝墩數(shù)值分析模型

拼裝墩計(jì)算方法包括理論解析法［7］、纖維模型法、實(shí)體單元法等，其中纖維模型法能精細(xì)模擬結(jié)構(gòu)全過(guò)程受力，且與試驗(yàn)結(jié)果吻合度高，在數(shù)值分析上具備可行性和準(zhǔn)確性。

常用鐵路橋墩與市政或公路橋墩相比，截面尺寸較大，特別是橫橋向尺寸大、剪跨比小，多為重力式橋墩。以空心墩為例，采用纖維模型法，通過(guò)非線性時(shí)程分析方法進(jìn)行彈塑性分析。所選橋墩采用矩形截面，墩身縱橫向尺寸為2 m×5 m，壁厚0.4 m，頂帽實(shí)體段2.5 m，墩高9 m，分3節(jié)段預(yù)制拼裝，設(shè)置墩身與基礎(chǔ)間拼接縫1、墩身間拼接縫2、墩身與頂帽間拼接縫3（見(jiàn)圖3）。橋墩采用C40混凝土，主筋采用HRB400，預(yù)應(yīng)力筋采用7?5鋼絞線。

圖3 拼裝墩結(jié)構(gòu)及節(jié)段劃分

預(yù)制節(jié)段采用梁?jiǎn)卧M，對(duì)拼接縫部位進(jìn)行精細(xì)化建模（見(jiàn)圖4），地震波選取常用的EI-centro波，上部結(jié)構(gòu)采用鐵路標(biāo)準(zhǔn)32 m簡(jiǎn)支梁。

圖4 拼接縫區(qū)域精細(xì)化模擬

3 拼裝墩抗震性能分析

針對(duì)預(yù)制拼裝橋墩的抗震性能，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了諸多理論研究和試驗(yàn)工作［1-12］，歸納如下：

（1）拼裝墩因接縫的存在，理論上其抗震性能與現(xiàn)澆墩有所區(qū)別，抗震能力是影響拼裝墩應(yīng)用和連接方式選擇的最主要因素；

（2）拼裝墩接縫形式對(duì)其抗震性能影響較大，總體上可分為“等同現(xiàn)澆”和“非等同現(xiàn)澆”，前者在強(qiáng)度、抗震能力方面與一般的現(xiàn)澆橋墩差異不大，后者連接強(qiáng)度稍弱；

（3）針對(duì)“等同現(xiàn)澆”連接，在構(gòu)造滿足要求的情況下，理論分析時(shí)多采用現(xiàn)澆墩的抗震方法；針對(duì)“非等同現(xiàn)澆”連接，特別是預(yù)應(yīng)力作用，多采用數(shù)值模擬的方式進(jìn)行仿真分析；

（4）在地震作用時(shí)，為減小震后殘余變形和增強(qiáng)可修復(fù)性，國(guó)外對(duì)預(yù)制拼裝墩中預(yù)應(yīng)力自復(fù)位能力開展了較多理論和試驗(yàn)研究。

在此重點(diǎn)對(duì)鐵路預(yù)制拼裝墩抗震性能進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和對(duì)比分析。

3.1 預(yù)應(yīng)力筋完全連接

按上節(jié)所述模型，采用完全預(yù)應(yīng)力筋連接，即預(yù)應(yīng)力筋通過(guò)拼接縫，主筋和分布鋼筋不通過(guò)拼接縫，共配置10根7-7?5鋼絞線（見(jiàn)圖5）。

圖5 有限元模型及預(yù)應(yīng)力筋布置

對(duì)于水平線剛度和位移，在自重和預(yù)應(yīng)力筋預(yù)壓力共同作用下，拼接縫不開裂，水平線剛度和位移與現(xiàn)澆墩相差不大，僅考慮拼接縫的存在對(duì)整體性的影響而進(jìn)行適當(dāng)折減。

在主力及主+附狀態(tài)下，預(yù)制節(jié)段和拼接縫截面處于受壓狀態(tài)，混凝土壓應(yīng)力滿足要求。

在多遇地震作用下，當(dāng)預(yù)應(yīng)力筋張拉力為1 200 MPa時(shí)，拼接縫2、縫3不發(fā)生開裂，拼裝墩處于彈性狀態(tài)。因此，通過(guò)設(shè)置預(yù)應(yīng)力筋可使拼接縫不開裂或減小拼接縫開裂程度，滿足“小震不壞”的性能要求。

在罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)若保持彈性狀態(tài)則設(shè)計(jì)困難或不夠經(jīng)濟(jì)，一般允許進(jìn)入彈塑性狀態(tài)。拼裝墩在罕遇地震作用下需要發(fā)生較大的水平變形，導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力筋受力較大容易屈服或斷裂，需要配置較多的預(yù)應(yīng)力筋，而過(guò)大的預(yù)壓力又導(dǎo)致混凝土更易壓潰、延性差，且預(yù)應(yīng)力筋數(shù)量多、成本高，難以滿足工程實(shí)際要求。因此，與國(guó)內(nèi)外研究和工程實(shí)踐類似，采用完全預(yù)應(yīng)力筋連接的鐵路拼裝墩各項(xiàng)指標(biāo)滿足正常使用和多遇地震作用下要求，可適用于非震區(qū)或低震區(qū)。

3.2 預(yù)應(yīng)力筋混合連接

采用預(yù)應(yīng)力筋混合連接，即預(yù)應(yīng)力筋通過(guò)拼接縫，部分主筋通過(guò)拼接縫，并與現(xiàn)澆墩、不設(shè)置預(yù)應(yīng)力筋的拼裝墩進(jìn)行比較，各方案水平線剛度和位移在主力及主+附狀態(tài)下均滿足要求，主要考察地震作用下（Ag=0.2g）的地震響應(yīng)差異。

3.2.1 有限元模型

（1）RC-1現(xiàn)澆墩，墩身配置180根直徑16 mm主筋，箍筋直徑為12 mm，間距15 cm，不配置預(yù)應(yīng)力筋。

（2）RC-2拼裝墩，采用大直徑、大間距鋼筋的布置形式，墩身配置46根直徑32 mm主筋，配筋率與RC-1相當(dāng)，在RC-1模型基礎(chǔ)上增加3道拼接縫。

（3）PRC拼裝墩，在RC-2模型基礎(chǔ)上將主筋根數(shù)由46根減少至32根，同時(shí)增加預(yù)應(yīng)力筋，經(jīng)反復(fù)試算，共配置6根16-7φ5鋼絞線，初始張拉控制應(yīng)力930 MPa。

RC-1、RC-2、PRC截面纖維模型示意見(jiàn)圖6。

圖6 RC-1、RC-2、PRC截面纖維模型示意圖

3.2.2 地震響應(yīng)

（1）抗裂性。在多遇地震作用下，RC-1模型墩身底部出現(xiàn)開裂，RC-2模型拼接縫1、縫2開裂，拼接縫3未開裂，開裂截面鋼筋和混凝土應(yīng)力滿足要求；PRC模型拼接縫1—3未開裂。PRC模型通過(guò)施加預(yù)應(yīng)力，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗裂能力。

（2）延性。在罕遇地震作用下，橋墩不可避免要進(jìn)入彈塑性狀態(tài)，要滿足“大震不倒”的抗震設(shè)防需求，結(jié)構(gòu)需要具備一定延性，通過(guò)延性系數(shù)表征。

根據(jù)時(shí)程分析結(jié)果，各模型在罕遇地震作用下縱橋向、橫橋向地震響應(yīng)如下：

RC-1：縱向、橫向地震作用下墩底截面開裂，普通鋼筋屈服，混凝土保持彈性。

RC-2：縱向、橫向地震作用下拼接縫1開裂，普通鋼筋屈服，混凝土保持彈性。

PRC：縱向、橫向地震作用下拼接縫1開裂，普通鋼筋屈服，預(yù)應(yīng)力筋保持彈性，混凝土保持彈性。

各模型在縱向、橫向地震作用下均進(jìn)入彈塑性狀態(tài)，墩頂位移延性系數(shù)滿足鐵路及相關(guān)規(guī)范要求（見(jiàn)圖7）。

圖7 墩頂位移延性系數(shù)

根據(jù)各模型地震響應(yīng)和延性系數(shù)可以看出：

（1）RC-1、RC-2模型墩頂位移延性系數(shù)相差不大，兩者延性能力基本相當(dāng)，說(shuō)明配筋率相當(dāng)條件下，拼裝墩與現(xiàn)澆墩延性能力相當(dāng)。

（2）與RC-2模型相比，PRC模型盡管普通鋼筋根數(shù)減少，但增加預(yù)應(yīng)力筋后，普通鋼筋和預(yù)應(yīng)力筋共同作用下能達(dá)到相近的抗震性能。

（3）RC-1、RC-2、PRC模型的墩頂位移縱向延性系數(shù)相差不大，說(shuō)明3個(gè)模型縱向延性能力基本相當(dāng)；PRC模型預(yù)應(yīng)力筋的預(yù)壓力增大了混凝土的壓應(yīng)力，橫向延性系數(shù)有所降低；3個(gè)模型均滿足抗震要求。

（3）普通鋼筋和預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力-應(yīng)變曲線見(jiàn)圖8。RC-1、RC-2、PRC在罕遇地震作用下滿足“大震不倒”的抗震需求，結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性階段，部分普通鋼筋出現(xiàn)屈服，而PRC模型的預(yù)應(yīng)力筋未發(fā)生屈服，預(yù)應(yīng)力筋始終保持彈性狀態(tài)，預(yù)壓應(yīng)力未失效。

圖8 PRC截面邊緣普通鋼筋和預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力-應(yīng)變曲線

（4）荷載-位移滯回曲線反映了結(jié)構(gòu)的變形特征、剛度退化及能量消耗，以縱向地震為例，RC-1、RC-2、PRC在罕遇地震作用下的墩頂荷載-位移滯回曲線見(jiàn)圖9。

圖9 RC-1、RC-2、PRC墩頂縱向荷載-位移滯回曲線

根據(jù)各模型在地震反復(fù)作用下墩頂縱向荷載-位移曲線可以看出：

（1）RC-1和RC-2模型最大承載能力和最大位移基本相當(dāng)，說(shuō)明配筋率相當(dāng)情況下，盡管RC-2模型中普通鋼筋采用較大間距，但鐵路橋墩因尺寸較大導(dǎo)致接縫處的位移量值較小，對(duì)結(jié)構(gòu)的極限承載能力和變形影響不大；PRC模型因預(yù)應(yīng)力筋的作用最大承載能力有所提高。

（2）隨著結(jié)構(gòu)的開裂和屈服，RC-1、RC-2、PRC側(cè)向剛度均出現(xiàn)下降和退化；RC-2的初始剛度比RC-1略小，說(shuō)明拼接縫對(duì)結(jié)構(gòu)剛度影響不大；PRC較RC-1、RC-2的初始剛度大，說(shuō)明配置預(yù)應(yīng)力筋提高了結(jié)構(gòu)的抗裂能力。

（3）各模型位移較小時(shí)，結(jié)構(gòu)基本處于彈性階段，荷載-位移滯回環(huán)表現(xiàn)為集中和重疊現(xiàn)象。隨著結(jié)構(gòu)開裂、鋼筋的屈服、拼接縫張開且持續(xù)發(fā)展等現(xiàn)象的產(chǎn)生，滯回環(huán)逐漸拉開，結(jié)構(gòu)的耗能能力增強(qiáng)。通過(guò)滯回曲線可以看出，RC-1、RC-2模型耗能能力相當(dāng)，PRC模型通過(guò)耗能鋼筋的作用，避免了完全預(yù)應(yīng)力筋連接耗能不足的問(wèn)題，拼裝墩與現(xiàn)澆墩總體上耗能能力相近。

（4）各模型殘余變形相當(dāng)，PRC模型的殘余變形略有減小，說(shuō)明預(yù)應(yīng)力筋有一定的自復(fù)位效應(yīng)但不明顯，主要因?yàn)椴捎昧擞叙そY(jié)預(yù)應(yīng)力。

（5）拼接縫處的抗剪能力主要包括豎向力產(chǎn)生的摩擦力、接縫材料黏結(jié)力、剪力鍵、鋼筋銷栓力等。RC-2、PRC模型抗剪能力均滿足要求，其中PRC模型因預(yù)應(yīng)力筋提供的預(yù)壓應(yīng)力產(chǎn)生了摩擦力，較RC-2抗剪性能有所提高。

3.3 預(yù)應(yīng)力筋參數(shù)分析

針對(duì)上述PRC模型，對(duì)其中預(yù)應(yīng)力筋的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行分析，探討其對(duì)抗震性能的影響。

（1）配筋率。在上述PRC模型基礎(chǔ)上改變配筋率得到PRC-1模型，即將預(yù)應(yīng)力筋規(guī)格由6根增加為10根，總初張力保持不變，荷載-位移滯回曲線見(jiàn)圖10。通過(guò)比較可知，在總初張力即橋墩軸壓比保持不變的情況下，隨預(yù)應(yīng)力筋配筋率的增加，結(jié)構(gòu)抗彎能力有所增加，屈服強(qiáng)度提高，但其他抗震指標(biāo)變化并不明顯。

圖10 PRC/PRC-1墩頂縱向荷載-位移滯回曲線

（2）預(yù)應(yīng)力度。在上述PRC模型基礎(chǔ)上改變預(yù)應(yīng)力度得到PRC-2模型，即預(yù)應(yīng)力筋規(guī)格不變，將預(yù)應(yīng)力筋的預(yù)應(yīng)力度即總初張力降低一半，荷載-位移滯回曲線見(jiàn)圖11。通過(guò)比較可知，在預(yù)應(yīng)力筋布置不變的情況下，調(diào)整預(yù)應(yīng)力筋的預(yù)應(yīng)力度，采用較低預(yù)應(yīng)力度的PRC-2模型的初始抗裂能力和屈服強(qiáng)度有所減小，最大承載能力相當(dāng)，預(yù)應(yīng)力度對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響不明顯。

圖11 PRC/PRC-2墩頂縱向荷載-位移滯回曲線

（3）初張力。在PRC模型基礎(chǔ)上改變初張力得到PRC-3模型，即將單根預(yù)應(yīng)力筋的張拉力由930 MPa增加為1 240 MPa，經(jīng)試算，預(yù)應(yīng)力筋可由6根16-7φ5鋼絞線修改為6根12-7φ5鋼絞線。通過(guò)PRC和PRC-3模型比較可知，在罕遇地震作用下，PRC模型中預(yù)應(yīng)力筋最大應(yīng)力1 600 MPa，預(yù)應(yīng)力筋保持彈性且預(yù)壓應(yīng)力不損失，PRC-3模型中預(yù)應(yīng)力筋最大應(yīng)力為1 947 MPa，大于其抗拉強(qiáng)度1 860 MPa，預(yù)應(yīng)力筋已屈服且有斷裂風(fēng)險(xiǎn)，可認(rèn)為預(yù)壓應(yīng)力全部損失。說(shuō)明在保證相同預(yù)壓力情況下，配置較高規(guī)格的預(yù)應(yīng)力筋且初張力較小時(shí)可滿足抗震需求，配置較低規(guī)格的預(yù)應(yīng)力筋時(shí)初張拉力較高，容易導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力達(dá)到其屈服應(yīng)力甚至抗拉強(qiáng)度，導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力失效，因此需要合理確定初張力的上限。

（4）無(wú)黏結(jié)和有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力。當(dāng)預(yù)應(yīng)力筋采用有黏結(jié)時(shí)，在結(jié)構(gòu)變形過(guò)程中預(yù)應(yīng)力筋的伸縮受結(jié)構(gòu)約束大，不利于發(fā)揮預(yù)應(yīng)力筋的回復(fù)力，壓漿料的防護(hù)使得預(yù)應(yīng)力筋的耐久性更好，目前工程應(yīng)用上以有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力為主。但無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力集中小，能更大限度地發(fā)揮預(yù)應(yīng)力筋的作用，自復(fù)位能力強(qiáng)，為今后工程應(yīng)用重要方向。

4 結(jié)論及展望

針對(duì)鐵路預(yù)制拼裝橋墩進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和對(duì)比分析，得出如下結(jié)論：

（1）采用完全預(yù)應(yīng)力筋連接的鐵路拼裝墩各項(xiàng)指標(biāo)滿足正常使用和多遇地震作用下要求，可適用于非震區(qū)或低震區(qū)。

（2）在罕遇地震作用下，采用預(yù)應(yīng)力筋混合連接的拼裝墩抗裂能力有所提高，預(yù)應(yīng)力筋可保證拼接縫在多遇地震作用下不開裂，極限承載能力和變形與現(xiàn)澆墩相差不大；延性性能、耗能能力等滿足“大震不倒”的抗震需求，通過(guò)耗能鋼筋的作用，避免了完全預(yù)應(yīng)力筋連接耗能不足的問(wèn)題；預(yù)應(yīng)力筋的預(yù)壓力提高了拼接縫的抗剪能力。

（3）在一定條件下預(yù)應(yīng)力筋配筋率、預(yù)應(yīng)力度對(duì)拼裝墩抗震性能影響不大，初張力對(duì)預(yù)應(yīng)力筋狀態(tài)影響較為明顯，配置較高規(guī)格的預(yù)應(yīng)力筋且初張力較小時(shí)，預(yù)應(yīng)力筋保持彈性且預(yù)壓應(yīng)力不損失；配置較低規(guī)格的預(yù)應(yīng)力筋時(shí)初張拉力較高，易導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力筋屈服甚至斷裂，導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力失效，需要合理確定初張力的上限。

（4）目前針對(duì)鐵路預(yù)制拼裝墩抗震性能研究較少，鑒于其抗震理論的復(fù)雜性，在數(shù)值模擬分析基礎(chǔ)上引入抗震模型試驗(yàn)將是進(jìn)一步的研究方向。