薛振興，趙建鋒，吳 明

(1.青島理工大學 土木工程學院，青島 266525；2.中鐵建工集團山東有限公司，青島 266041；3.青島市人民防空辦公室，青島 266072)

對橋梁結(jié)構(gòu)而言，橋墩作為其重要組成部分，在地震活動中發(fā)揮著十分重要的作用，且橋墩往往是最容易發(fā)生損傷甚至是嚴重破壞的位置[1-2]。在地震作用下，預制拼裝橋墩的塑性鉸區(qū)域節(jié)段會產(chǎn)生較大的縱向壓應(yīng)變從而形成柱腳的剛性轉(zhuǎn)動，造成該區(qū)域節(jié)段的混凝土保護層受壓開裂甚至壓碎剝落[3]，進而對橋梁結(jié)構(gòu)的安全運營造成威脅。

目前對橋墩塑性鉸區(qū)域的加強方式主要有箍筋加密、圓鋼管約束、纖維增強復合材料(FRP)包裹、采用纖維水泥基復合材料(ECC)以及超高性能混凝土(UHPC)等，對塑性鉸區(qū)域的混凝土容許損傷能力都有一定的提升作用[4]。CHOU等[5]采用圓鋼管對底節(jié)段混凝土約束，發(fā)現(xiàn)該方式能夠有效減少混凝土的損傷，且鋼管高度越高，效果越明顯，混凝土損傷越小。MOTAREF等[6]對底節(jié)段采用ECC和FRP包裹，能夠提高底節(jié)段的容許損傷能力，減輕底節(jié)段的損傷，并通過振動臺試驗證實了該措施的有效性。張于曄等[7]提出了一種混合體系，研究發(fā)現(xiàn)邊緣布置預應(yīng)力鋼筋能夠有效保護接縫位置處的混凝土，減少混凝土的損傷，而且還能提高橋墩的承載能力。馬煜等[8]對底節(jié)段采用粘貼碳纖維增強復合材料(CFRP)的處理方式，該加強方式能夠提高橋墩的整體剛度和水平承載力，并且降低橋墩剛度的退化速度。趙建鋒等[9]對節(jié)段預制拼裝橋墩施加隔震體系，采用隔震體系能夠明顯降低橋墩的地震響應(yīng)，延長橋墩結(jié)構(gòu)的自振周期，但是無法改善底節(jié)段混凝土受損嚴重的情況。對于分段預制拼裝橋墩而言，上述的研究工作僅從單一的加強方式進行考慮，并沒有對不同加強方式的抗震效果進行系統(tǒng)的對比分析。

考慮到分段預制拼裝橋墩在地震中的損傷主要在底節(jié)段的特點，本文對底節(jié)段采用了4種常用的不同加強方案，即箍筋加密、UHPC、鋼套筒約束以及CFRP包裹，對比不同加強方案對分段預制拼裝橋墩抗震性能以及底節(jié)段混凝土損傷的影響，并且分析了不同層數(shù)的CFRP包裹對抗震性能的影響。

圖1 橋墩構(gòu)造(單位：mm)

1 方案設(shè)計

為研究底節(jié)段不同的加強方式對分段預制拼裝橋墩抗震性能的影響，設(shè)置4種方案，并與底節(jié)段未加強的橋墩進行對照。其中PSBC1的底節(jié)段未進行加強處理，PSBC2的底節(jié)段箍筋加密處理，PSBC3的底節(jié)段采用UHPC，PSBC4為底節(jié)段采用鋼套筒約束，PSBC5的底節(jié)段粘貼1層CFRP。混凝土采用C40，箍筋采用HRB335，縱筋采用HRB400，預應(yīng)力鋼筋采用抗拉強度為1860 MPa的鋼絞線，UHPC的彈性模量為4.205×104MPa、單軸受壓峰值應(yīng)力為138 MPa，鋼套筒采用型號為Q345、t=12 mm的鋼材，CFRP的抗拉彈性模量為240 GPa、極限抗拉強度為3800 MPa、單層布厚度為0.324 mm。橋墩的尺寸如圖1所示，設(shè)計參數(shù)見表1。

2 模型建立與驗證

2.1 模型建立

實體模型能更好地模擬橋墩在往復加載過程中的混凝土損傷，與試驗結(jié)果較為接近[10]。因此，本文采用ABAQUS軟件進行橋墩模型模擬，橋墩模型如圖2所示。混凝土采用減縮積分控制的線性八結(jié)點六面體單元(C3D8R)模擬，混凝土模型采用ABAQUS中提供的損傷塑性模型(CDP)[11]，該模型能夠更好地模擬出混凝土在實際加載過程中的變化；縱筋和箍筋采用桁架單元(T3D2)模擬，鋼筋本構(gòu)采用三折線本構(gòu)[12]，該本構(gòu)能夠準確描述鋼筋的彈性階段、屈服階段以及強度階段；預應(yīng)力鋼筋采用梁單元(B31)模擬，由于預應(yīng)力鋼筋有較高極限抗拉強度，在實際工程中處于彈性狀態(tài)，因此在本文的模擬中預應(yīng)力鋼筋采用線彈性關(guān)系；CFRP布由于較為柔軟可忽略其抗彎剛度，采用膜單元(M3D4R)進行模擬[13]?？v筋和箍筋形成鋼筋骨架，鋼筋骨架通過“Embedded”約束方式嵌于混凝土節(jié)段之中。鋼套筒、CFRP與混凝土通過綁定(Tie)的約束方式連接在一起[14]。預應(yīng)力鋼筋兩端通過“MPC”約束與承臺、墩帽相連接。混凝土節(jié)段柱之間存在接縫摩擦，通過定義摩擦屬性來模擬接縫處的摩擦，切向摩擦系數(shù)為0.5，法向摩擦采用硬接觸[15]。預應(yīng)力通過降溫的方式施加，靜載通過集中力的方式施加。往復加載通過位移荷載控制，位移幅值為橋墩計算高度(2300 mm)的0.1%，0.2%，0.3%，0.5%，0.75%，1%，1.5%，2%，2.5%，3%，3.5%，4%，4.5%，5%，6%，7%，位移加載制度如圖3所示。

表1 橋墩設(shè)計參數(shù)

圖2 橋墩有限元模型

圖3 位移加載制度

2.2 模型驗證

為驗證上述模擬方法的準確性，基于文獻[16]中的試件2建立ABAQUS有限元橋墩模型。將上述模擬方法建立的橋墩模型所得到的滯回曲線與試驗結(jié)果對比，如圖4所示。結(jié)果表明，采用該模擬方法得到的滯回曲線與試驗結(jié)果吻合程度較高，能夠較為準確地預測橋墩的水平承載力、耗能能力以及殘余位移等。

3 抗震性能分析

通過提取5個模型的側(cè)向荷載-位移曲線即滯回曲線(圖5)得到不同模型的骨架曲線、殘余位移、累計耗能以及剛度退化等抗震性能指標，分析不同的加強方式對分段預制拼裝橋墩抗震性能的影響。

圖5 滯回曲線

橋墩模型的滯回曲線能夠反映橋墩在往復荷載作用下的變形特征、剛度退化以及能量消耗等情況的變化。從圖5的滯回曲線可以看出，PSBC1，PSBC2以及PSBC5的滯回曲線相對于PSBC3，PSBC4的更加飽滿，意味著PSBC1，PSBC2，PSBC5的耗能能力較高。采用UHPC和鋼套筒約束加強方式能夠提高橋墩的水平承載力，同時減少了橋墩的殘余位移。

3.1 骨架曲線

骨架曲線是結(jié)構(gòu)在每次循環(huán)加載時最大水平力的軌跡，即每次循環(huán)加載的峰值力與相對應(yīng)位移的曲線。從圖6可以看出，PSBC1，PSBC2以及PSBC3在循環(huán)加載過程中呈現(xiàn)承載力先上升后下降的趨勢，而PSBC4，PSBC5的承載力在此過程中一直呈現(xiàn)上升的趨勢。PSBC1和PSBC2的承載力在位移幅值為1%時達到最大值，分別為46.46，46.84 kN；PSBC3的承載力在位移幅值為2.5%時出現(xiàn)最大值，為64.03 kN；而PSBC4和PSBC5的承載力在位移加載過程中一直處于上升階段，在位移幅值最大時的承載力為68.27，51.58 kN。在位移幅值7%之內(nèi)，PSBC3，PSBC4以及PSBC5的最大承載力相對于PSBC1分別提升約38%，47%，11%。

3.2 累計耗能

結(jié)構(gòu)不同階段的累積耗能是指該結(jié)構(gòu)在此階段之前的滯回曲線面積之和，能夠反映結(jié)構(gòu)的耗能能力。從圖7的累積耗能曲線可知，隨著位移加載不斷進行，橋墩的耗能能力也隨之不斷增加。通過5種情況的對比，發(fā)現(xiàn)PSBC1，PSBC2以及PSBC5的耗能能力要明顯強于PSBC3，PSBC4。在位移幅值達到最大時，5種情況的累積耗能分別為11 599.24，9 761.91，4 830.86，1 942.25，8 151.11 kN·mm。從最終的累積耗能可以明顯地看出，采用UHPC和鋼套筒約束顯著降低了橋墩的耗能能力，而粘貼CFRP的橋墩累計耗能約為PSBC1的70%，采用箍筋加密的方式對于橋墩的耗能能力影響幾乎可以忽略。

3.3 剛度退化

剛度是指材料或結(jié)構(gòu)在受力時抵抗彈性變形的能力，是材料或結(jié)構(gòu)彈性變形難易程度的表征。為了更好地描述橋墩在加載過程中的剛度退化情況，繪制出5種不同底節(jié)段加強方式橋墩的KS/K0-U曲線，如圖8所示。其中，初始剛度K0為橋墩荷載-位移曲線在原點處的切線斜率，等效剛度KS為橋墩荷載-位移曲線上的任一點與坐標原點連線的斜率，U為位移。

5種模型的初始剛度分別為9.58，9.58，10.69，11.41，9.58 kN/mm。PSBC1，PSBC2以及PSBC5的初始剛度相同，說明底節(jié)段采用箍筋加密和粘貼CFRP的方式，對于橋墩的初始剛度沒有提升。采用UHPC和鋼套筒約束能夠有效地提高橋墩的初始剛度，相對于PSBC1提升分別為11.6%，19.1%。從圖8可以看出，4種底節(jié)段加強的方式對于橋墩的剛度退化沒有實質(zhì)性的改變，均呈現(xiàn)相同變化趨勢，而且剛度退化速度相對較快。

3.4 殘余位移

殘余變形是指已經(jīng)進入塑性階段的材料或結(jié)構(gòu)在卸載至初始狀態(tài)后，其變形不能回到初始狀態(tài)，而存在的一部分無法恢復的變形，又稱為殘余位移。從圖9中可知，采用4種底節(jié)段加強方式能夠減少橋墩的殘余位移，且采用UHPC、鋼套筒約束以及粘貼CFRP的效果要遠好于箍筋加密。5種工況下橋墩殘余位移在加載前期較小，隨著位移不斷增加，橋墩的殘余位移也隨之增大，但沒有超過模型高度的1%，都擁有良好的自復位能力。在位移幅值達到最大時，4種工況下橋墩的殘余位移分別為27.00，19.51，4.15，4.39，2.15 mm，粘貼CFRP的橋墩殘余位移最小，約為普通橋墩的8%。

3.5 混凝土損傷

對于分段預制拼裝橋墩而言，在往復荷載的作用下，底節(jié)段與承臺之間的接縫不斷地張開閉合，而且在接縫張開閉合的過程中，底節(jié)段的柱腳混凝土產(chǎn)生了受壓破壞，甚至是壓碎剝落。圖10展示了5種工況下橋墩底節(jié)段混凝土損傷，且隨著損傷因子的增大，混凝土損傷也更加嚴重。從圖10可以看出，混凝土的受壓損傷主要發(fā)生在加載方向兩側(cè)，而且損傷的區(qū)域主要是在底節(jié)段的下半?yún)^(qū)域。采用箍筋加密的方式能夠減少混凝土的損傷，但是無法改變混凝土損傷嚴重的情況。采用UHPC和鋼套筒約束能夠有效地減少混凝土的損傷，而且損傷主要是發(fā)生在混凝土保護層，能夠有效地保護核心混凝土不受損傷。而粘貼CFRP的橋墩相對于普通橋墩，減少了混凝土的損傷，受損區(qū)域仍然較大，但是由于外側(cè)有CFRP包裹，橋墩仍具有較高的強度。

圖10 混凝土損傷云圖

4 CFRP參數(shù)敏感性分析

針對上述分析，與其他加強方式相比，底節(jié)段粘貼1層CFRP的分段預制拼裝橋墩表現(xiàn)出較好的抗震性能，具有較高的水平承載力、較小的殘余位移、良好的耗能能力以及減少混凝土損傷的能力。為了更好地研究不同層數(shù)的CFRP包裹對分段預制拼裝橋墩抗震性能的影響，本文建立3個模型，分別為底節(jié)段包裹1層、2層以及3層CFRP的S1，S2和S3模型，其他設(shè)計參數(shù)均保持一致。

圖11—13分別展示了S1，S2以及S3的滯回曲線、耗能能力以及殘余位移。與S1相比，S2在最大水平承載力方面提升了8.7%，最大累計耗能下降了18.8%，殘余位移減少了14%。與S2相比，S3在最大水平承載力方面提升了4.2%，最大累計耗能下降了9.9%，殘余位移減少了31.5%。隨著CFRP層數(shù)的增加，提升了對底節(jié)段混凝土的約束程度，使得底節(jié)段混凝土的破壞程度降低，橋墩的承載力得到提高，耗能能力降低，同時也降低了殘余位移，但是改變CFRP層數(shù)對橋墩抗震性能的影響并不顯著。

5 結(jié)論

基于ABAQUS建立分段預制拼裝橋墩模型，分析底節(jié)段不同的加強方式對抗震性能的影響。通過提取不同模型的滯回曲線，分析其骨架曲線、殘余位移、剛度退化、耗能能力以及混凝土損傷等抗震性能指標，得到以下結(jié)論：

1) 采用箍筋加密的方式無法提高橋墩的峰值水平承載力和初始剛度，但是能夠提高橋墩后期水平承載力，對分段預制拼裝橋墩的抗震性能影響較小。

2) 采用UHPC和鋼套筒約束能夠明顯提升橋墩的水平承載力和初始剛度，減少橋墩的殘余位移和底節(jié)段混凝土的損傷，但是兩種工況下橋墩耗能能力較弱。

3) 粘貼CFRP的橋墩相對于底節(jié)段未加強的分段預制拼裝橋墩，能夠有效提高橋墩的水平承載力，具有較高的耗能能力，能夠減少橋墩的殘余位移和混凝土的損傷，殘余位移約為普通橋墩的8%，對于提高分段預制拼裝橋墩的抗震性能具有十分重要的意義。

4) 隨著CFRP層數(shù)的增加對底節(jié)段混凝土的約束程度提高，橋墩的水平承載力也得到提升，混凝土的破壞程度也減少，但是CFRP層數(shù)的變化對分段預制拼裝橋墩的抗震性能影響不顯著。