摘要： 為使橋梁下部結(jié)構在地震過程中減少損傷且震后可實現(xiàn)快速修復，基于可恢復功能結(jié)構設計理念，提出一種設置有外置耗能連接件（EREDL）的預制填充的鋼筋混凝土（PSCFST）橋墩，并針對設置不同強度EREDL的PSCFST橋墩試件進行水平低周往復擬靜力加載試驗。試驗結(jié)果表明，EREDL可實現(xiàn)預期的作用效果，且Q355強度的EREDL抵抗變形的能力更強;通過對比分析，兩組橋墩的滯回性能、耗能能力、殘余位移以及退化剛度，發(fā)現(xiàn)在5%的偏移率范圍內(nèi)EREDL強度的提升會降低橋墩的承載力，并增大橋墩的殘余位移。研究成果可為節(jié)段預制拼裝橋墩的設計和抗震性能優(yōu)化提供重要參考。

關鍵詞： 節(jié)段拼裝鋼管混凝土橋墩; 外置可更換耗能連接鋼板; 抗震性能; 可恢復性能; 試驗分析

中圖分類號： U443.22""""" 文獻標志碼：A"" 文章編號： 1000-0844（2025）02-0300-09

DOI：10.20000/j.1000-0844.20230809003

Experimental study on the seismic performance of precast segmental

CFST piers considering the strength of external links

TAN Xingfeng^1，2， YIN Chongli3， WANG Chengquan^{1，4，5}， WANG Xinquan1，

CHEN Bin1， WU Xi1， LIU Rongyang1

（1. Department of Civil Engineering， Hangzhou City University， Hangzhou 310015，Zhejiang， China;

2. Wenzhou Design Assembly Company Ltd.， Wenzhou 325000， Zhejiang， China;

3. School of Environment and Civil Engineering， Jiangnan University， Wuxi 214122， Jiangsu， China;

4. Zhejiang Engineering Research Center of Intelligent Urban Infrastructure， Hangzhou 310015， Zhejiang， China;

5. Key Laboratory of Safe Construction and Intelligent Maintenance for Urban Shield Tunnels

of Zhejiang Province， Hangzhou 310015， Zhejiang， China）

Abstract：

To reduce the damage and loss of bridge substructure during earthquakes， avoid casualties， and achieve rapid repairs after earthquakes， this study proposes an external replaceable energy dissipating links （EREDL）-precast segmental concrete-filled steel tubular pier based on the structural design concept of resilience. EREDLs with different levels of strengths were set at the joints of two groups of piers， and quasi-static tests were conducted on the piers under horizontal low cyclic loadings. Upon comparing the deformation of the two groups of piers， the results show that EREDL with Q355 strength is more resistant to deformation. Furthermore， a comparative analysis of the hysteretic curves， energy dissipation capacity， residual displacement， and degradation stiffness of two groups of piers reveals that the increase of EREDL strength within the range of 5% offset rate reduces the bearing capacity and increases the residual displacement of the pier. Overall， the research results can provide an important reference for the design and seismic performance optimization of precast segmental bridge piers.

Keywords：

precast segmental concrete-filled steel tubular pier; external replaceable energy dissipating link; seismic performance; resilience; experimental analysis

0 引言

近年，我國交通運輸事業(yè)快速發(fā)展，公路廣泛覆蓋，鐵路四通八達，橋梁結(jié)構儼然已經(jīng)成為城市基礎設施的關鍵組成部分。作為城市的生命線工程，橋梁的抗震性能和震后可恢復性能十分重要。隨著橋梁工程的快速發(fā)展，橋梁震后殘余位移的可降低性以及功能的可恢復性逐漸成為抗震設計的重要指標^［1］。因此，如何實現(xiàn)地震后橋梁使用功能的快速恢復是當前研究的熱點方向。

隨著可恢復功能結(jié)構設計理念的提出，近年來新型抗震結(jié)構和體系得到發(fā)展^［2］，地震工程研究逐漸由抗震、減震、隔震向自復位功能發(fā)展^［3］。為增強建筑的耗能能力以及自復位能力，許多學者對此開展了大量的研究，設計出了多種抗震結(jié)構并將其應用于地震工程之中。2017年，孫治國等^［4］提出一種含角鋼及耗能鋼筋的搖擺-自復位雙柱墩，并利用OpenSees對其進行擬靜力和動力時程分析，結(jié)果表明：該橋墩抗震能力良好，震后殘余位移??；同年，Amini等^［5］設計了一種新型耗能裝置，該裝置用于節(jié)段拼裝式的橋墩墩底與承臺接縫間，同時墩底塑性鉸節(jié)段采用鋼管進行約束并對其進行擬靜力試驗，結(jié)果表明：橋墩耗能能力得到明顯提高，且由于鋼管的約束，墩底混凝土損傷不明顯;2021年，賈俊峰等^［6］通過對兩組預制拼裝橋墩模型結(jié)構的擬靜力往復加載試驗得出：外置耗能器具有良好的可更換性和耗能能力，更換前后橋墩抗震性能基本一致;2023年，賈俊峰等^［7］利用ABAQUS有限元軟件建立自復位搖擺雙柱式橋墩數(shù)值仿真模型進行研究，研究結(jié)果表明：隨著耗能部件截面積增加，橋墩最大承載力、殘余位移以及耗能能力均有明顯增大;同年，Wang等^［8］利用ABAQUS有限元軟件對接縫處設置了外置連接鋼板的（Precast Segmental Concrete-Filled Steel Tubular，PSCFST）橋墩進行水平低周往復擬靜力加載模擬，研究結(jié)果表明：外置連接鋼板的設置可以有效提高橋墩的滯回能力以及耗能能力，并減小殘余位移。

為研究耗能裝置對橋墩抗震性能的影響，在課題組前期研究的基礎上^［8-9］，本文通過對設置有外置耗能連接件（Externally Replaceable Energy Dissipating Links，EREDL）的PSCFST橋墩試件進行低周往復擬靜力加載試驗，研究其水平往復加載過程中的力學性能變化、節(jié)段殘余位移、累積耗能以及剛度退化特征，驗證外置EREDL的PSCFST橋墩的可更換性，探究EREDL強度參數(shù)對PSCFST橋墩抗震性能的影響，以及EREDL強度與橋墩節(jié)段強度之間的匹配關系。

1 試驗設計

1.1 試件設計

本試驗通過設計加工兩種外置不同強度EREDL的PSCFST橋墩試件，并對其在擬靜力往復加載下的抗震性能進行對比分析，以探究外置EREDL的PSCFST橋墩抗震性能，兩組試件參數(shù)如表1所列。該模型試件加載高度為1 m，橋墩截面尺寸為200 mm（長）×200 mm（寬），鋼管厚度為10 mm，核心混凝土截面尺寸為180 mm（長）×180 mm （寬）。鋼管采用Q355鋼材，核心混凝土設計標號為C40。為避免橋墩接縫張開程度過大，在橋墩節(jié)段的接縫處設置了EREDL以增強橋墩水平承載力、耗能能力以及抗剪切能力，同時還可以增強兩節(jié)段間的連接。橋墩截面中心穿有1×7Φ15.2 mm預應力鋼絞線，其橫截面面積為181.46 mm2，可提供50 kN的初始張拉預應力，并通過直徑為20 mm的預留PVC管，設置于橋墩試件之中。橋墩軸向壓力由墩頂油壓千斤頂提供，大小為240 kN。根據(jù)材性實驗測得混凝土立方體抗壓強度平均值為42.5 MPa，計算可得墩柱試驗軸壓比為0.15。橋墩尺寸詳見圖1（a）所示。橋墩節(jié)段接縫處EREDL為一中間部分開有三孔菱形的直鋼板，鋼板采用不同強度的鋼材。EREDL通過預埋在橋墩節(jié)段兩端的螺栓連接在節(jié)段間的接縫處。

EREDL強度共有Q235和Q355兩種，主要用于研究不同強度EREDL對橋墩抗震性能的影響。兩種強度的EREDL厚度均為10 mm，布置于試件節(jié)段接縫處，每側(cè)布置一片，具體尺寸如圖1（b）。兩種強度EREDL的中間布置若干應變感應片，以采集EREDL的應變變化。

1.2 材性試驗

利用金屬拉伸試驗機，對模型試件采用的鋼管以及EREDL進行材料拉伸力學特性試驗，依照相關國家標準^［10］測得鋼材的力學特性如表2所列。利用混凝土壓力試驗機，依照相關國家標準^［11］測得試件所用C40混凝土立方體抗壓強度為42.5 MPa，具體參數(shù)如表3所列。

1.3 模型加載和測試方案

本次擬靜力試驗加載模式采用懸壁柱式，其現(xiàn)場布置如圖2所示。地梁作為墩柱基礎，通過兩根地錨錨固在剛性地面，并采用螺栓連接方式連接于墩柱的底部兩側(cè)。水平向液壓器置于墩柱距基礎頂面1.0 m處，與墩柱鉸接連接。根據(jù)文獻［12］試驗結(jié)果，確定試驗的軸壓比為0.15，豎向軸壓通過墩頂剛性架上的油壓千斤頂進行施加。

在實驗中，橋墩試件的屈服荷載以及屈服位移難以確定，因此采用位移控制加載（即按墩頂水平偏移率進行加載^［13］）進行此次擬靜力往復加載試驗。首次加載偏移率δ為0.5%，后續(xù)每級加載偏移率均依次增加0.5%，直至偏移率δ達到5.0%，共10級加載等級，每級加載循環(huán)2次，共進行20次循環(huán)加載，加載制度如圖3所示。

為得到試件的滯回曲線，需對墩頂水平位移以及水平側(cè)向力進行數(shù)據(jù)采集。此工作可由水平作動器中自有的力傳感器以及位移計自動采集來完成。試驗中試件的位移、試件鋼管節(jié)段以及EREDL的應變等數(shù)據(jù)需用采集儀進行采集。橋墩試件接縫處的鋼管外表面以及EREDL表面貼有電阻應變片，用于采集加載過程中鋼管和EREDL的局部應變變化；為采集預應力鋼絞線張拉力數(shù)據(jù)，在墩頂鋼絞線錨具下方設置壓力環(huán);剛性反力架下設置有壓力傳感器，用于采集軸壓數(shù)據(jù)。位移計測點布置以及鋼管節(jié)段表面、EREDL上的應變片測點布置如圖4所示。

2 EREDL強度

2.1 墩柱損傷破壞程度

對外置EREDL的節(jié)段拼裝PSCFST橋墩施加往復水平荷載，觀察加載過程中預制節(jié)段之間鋼管、混凝土以及接縫處EREDL的變形情況。

試件R-3Rho-Q235與試件R-3Rho-Q355的損傷過程相似，當加載至0.5%偏移率，即墩頂水平位移達到5 mm時，預應力鋼絞線張拉力開始變化，預應力鋼絞線開始伸長。在整個加載過程中，EREDL將會被反復拉伸、壓縮直至中間部分發(fā)生屈服;同時，在加載方向上節(jié)段接縫處的兩側(cè)鋼管部分以及混凝土部分會被反復壓縮;因此鋼管部分會發(fā)生鼓曲現(xiàn)象，混凝土會被壓碎。試驗后取下接縫處EREDL，可以發(fā)現(xiàn)連接件3Rho-Q235及連接件3Rho-Q355均有中間部分發(fā)生明顯的鼓曲變形現(xiàn)象，說明EREDL在受到拉伸和壓縮變形的過程中產(chǎn)生了塑性屈曲耗能，起到了耗能器的作用。EREDL鼓曲變形的產(chǎn)生主要是因為在加載時的拉伸過程中，中間部分產(chǎn)生不可恢復的塑性變形，導致在壓縮過程中EREDL中間部分會在兩端的壓縮應力下向外屈曲。相鄰菱形孔兩菱角間的部分還會在拉伸過程中產(chǎn)生一定的頸縮，兩菱角會被一定程度地拉平;而在壓縮過程中，外側(cè)菱角部分向外鼓曲的同時還會向各自所在一側(cè)產(chǎn)生一定的屈曲。相比之下，連接件3Rho-Q355強度較高，其在外力作用下抵抗永久變形的能力相對較好，因此其鼓曲程度相對較??；連接件3Rho-Q235鼓曲程度相對較大［圖5（a）、5（b）］。此外，由于EREDL的個別螺栓孔周圍部分與螺栓螺母間的摩擦力不足，產(chǎn)生了一定的相對滑動現(xiàn)象，導致EREDL螺栓孔周圍留下一定的擦痕［圖5（b）］。將鋼管節(jié)段拆分開來后發(fā)現(xiàn)，鋼管混凝土節(jié)段接縫處的鋼管部分發(fā)生明顯鼓曲變形，但是鋼管鼓曲變形并未均勻產(chǎn)生，同一側(cè)的鼓曲程度大小不同。這可能是由于水平作動器施加位移荷載的作用點未能完全精準落在橋墩試件的豎向軸對稱線上，從而導致作用點的微小偏差對試件的影響隨著墩頂水平偏移量的不斷增加被不斷放大，從而使得偏心側(cè)鋼管鼓曲程度偏大，混凝土易被壓碎［圖5（c）］。

2.2 滯回曲線

根據(jù)擬靜力往復加載過程中所采集到的墩頂水平位移以及墩頂水平力，可以分別得到兩組不同強度EREDL試件的試驗滯回曲線，如圖6所示。由圖6可以看出：R-3Rho-Q235試件的滯回曲線較為飽滿，其正向加載最大承載力為99.07 kN，負向最大承載力為95.84 kN;R-3Rho-Q355試件加載初期承載力相對較小，但隨著位移加載的不斷增加，其承載力不斷增大，最大承載力正向為85.67 kN，負向為-106.26 kN。由此可以看出，EREDL強度的增加會使得橋墩的承載力有一定的降低。

前期加載過程中試件R-3Rho-Q235承載力相比試件R-3Rho-Q355較大，這是因為試件R-3Rho-Q355鋼管屈服相對早于試件R-3Rho-Q235，鋼管承載力損失過早，以至于隨著加載的不斷進行，鋼管承載力的損失不斷增多，從而承載力相對較低。但在整個加載過程中，隨著位移的不斷增加，試件R-3Rho-Q235承載力提升幅度要明顯小于試件R-3Rho-Q355。

2.3 骨架曲線

圖7為接縫處應用了兩種強度EREDL橋墩試件的骨架曲線對比。由圖7可以看出：兩組試件骨架曲線均呈不斷上升狀態(tài)，最終承載力即為峰值承載力;試件R-3Rho-Q235與試件R-3Rho-Q355相比，前期承載力較高，但隨著位移的不斷增加，其承載力提升幅度不斷減小，并且骨架曲線逐漸趨于水平;試件R-3Rho-Q355的承載力則隨著位移的不斷增加每級都有著明顯的提升，且其正向峰值承載力低于試件R-3Rho-Q235。

2.4 耗能能力

橋墩的耗能能力是評價其抗震性能的重要指標之一，耗能主要是依據(jù)應力-位移曲線所圍成的滯回環(huán)的面積來計算^［14］。依據(jù)該原則，通過計算得到各級加載下的橋墩累積耗能如圖8所示。

由圖8可知，在0～25 mm的加載過程中，試件R-3Rho-Q235的累積耗能與試件R-3Rho-Q355的累積耗能基本持平。加載至25 mm時試件R-3Rho-Q235的累積耗能為3.01 kN·m，試件R-3Rho-Q355累積耗能為3.02 kN·m，兩者累積耗能相差不足0.4%;在25～50 mm的加載過程中，試件R-3Rho-Q355的累積耗能則高于試件R-3Rho-Q235的累積耗能；加載至50 mm時試件R-3Rho-Q235累積耗能為16.587 kN·m，試件R-3Rho-Q355累積耗能20.344 kN·m；與試件R-3Rho-Q235相比，試件R-3Rho-Q355累積耗能提升約22.7%。即加載初期，設置兩種不同強度EREDL的

橋墩累積耗能相差不大，二者耗能能力相當;但加載后期，試件R-3Rho-Q355的耗能能力明顯優(yōu)于試件R-3Rho-Q235。這是因為連接件3Rho-Q355強度過高，使得試件的鋼管過早屈服，進而在加載過程中產(chǎn)生大量塑性應變進行耗能，從而最終累積耗能相對較大。

2.5 EREDL和鋼管的應變及預應力變化

不同強度EREDL＼，鋼管應變?nèi)鐖D9所示。由圖中應變變化曲線可以看出：連接件3Rho-Q355在整個加載過程中沒有發(fā)生屈服，連接件3Rho-Q235與試件R-3Rho-Q235鋼管幾乎同時屈服。因為連接件3Rho-Q355的強度過高，使得鋼管上＼，下兩節(jié)段的連接趨于剛性連接，連接件3Rho-Q355不易產(chǎn)生塑性變形耗散能量，導致加載過程中，由鋼管產(chǎn)生塑性變形所耗散的能量變相增大，即鋼管受到的應力變相增大，從而導致試件R-3Rho-Q355的鋼管節(jié)段屈服點出現(xiàn)早于試件R-3Rho-Q235。而連接件3Rho-Q235可產(chǎn)生塑性耗能，耗散部分加載過程中所產(chǎn)生的能量，試件R-3Rho-Q235的鋼管幾乎與連接件3Rho-Q235同時屈服，且試件R-3Rho-Q235的鋼管屈服相對較晚，最終應變小于試件R-3Rho-Q355鋼管。但是，因為試件R-3Rho-Q355鋼管過早的屈服導致整個加載過程中鋼管部分產(chǎn)生較多塑性應變，因而累積耗能相對較大（圖8）。

在加載過程中，兩組試件中的鋼絞線預應力筋的預應力變化過程如圖10所示。從圖中可以看出，試件R-3Rho-Q235與試件3Rho-Q355預應力變化規(guī)律大致相同，但因試件3Rho-Q355鋼管過早屈服導致節(jié)段擺動時，支點向內(nèi)移動，從而鋼絞線伸長量有稍許降低，進而預應力略小于試件R-3Rho-Q235。

2.6 殘余位移

由圖11可知，兩種外置不同強度EREDL試件的殘余位移在整個加載過程中，隨著加載位移的增加而不斷增加，且正負向加載時，均有試件R-3Rho-Q235的殘余位移小于試件R-3Rho-Q355的殘余位移。正向加載至5%偏移率時，試件R-3Rho-Q235的殘余位移為7.920 mm，試件R-3Rho-Q355的殘余位移為12.928 mm，比試件R-3Rho-Q235增加了約63.23%;負向加載至5%偏移率時，試件R-3Rho-Q235的殘余位移為4.211 mm，試件R-3Rho-Q355的殘余位移為7.389 mm，比試件R-3Rho-Q235增加了約75.47%。這是因為在加載過程中，連接件3Rho-Q355過高的強度使得試件R-3Rho-Q355的鋼管進入屈服階段相對早于試件R-3Rho-Q235［圖9（b）、圖9（d）］，導致整個加載過程中，積累了較多不可恢復的塑性應變，因而殘余位移相對較大。由此說明，EREDL強度過高會導致鋼管的過早屈服，產(chǎn)生大量塑性應變，導致試件殘余位移偏大，而這不利于EREDL抑制橋墩殘余位移的產(chǎn)生，從而難以發(fā)揮出抑制橋墩殘余位移的產(chǎn)生的作用。

2.7 退化剛度

各試件在各級循環(huán)加載中的剛度退化過程，通常采用退化剛度曲線來描述。采用不同強度EREDL的試件剛度退化曲線如圖12所示。圖12中縱坐標Ks/K0表示第S級循環(huán)加載時的等效剛度Ks與第1級循環(huán)加載時等效剛度K0的比值；等效剛度Ks定義為滯回曲線上除原點以外任意一點與原點連線的斜率，用以反映加載過程中橋墩的剛度變化，等效剛度Ks計算如下^［15］：

Ks=FsUs （1）

式中：Fs為第S級加載循環(huán)的水平荷載峰值;Us為第S級加載循環(huán)水平荷載峰值所對應的位移。

通過對比圖12中兩組試件退化剛度曲線可知，在整個循環(huán)加載過程中，兩組試件的等效剛度值均呈下降趨勢。兩組試件在0～0.5%偏移率（0～5 mm）加載循環(huán)中的退化剛度均迅速下降；在0.5%～5%（5～50 mm）偏移率加載循環(huán)中的退化剛度下降速度較為緩慢且穩(wěn)定。在整個循環(huán)加載過程中，試件R-3Rho-Q235的等效剛度比值始終大于試件R-3Rho-Q355，且在5～15 mm的位移加載過程中，兩組試件退化剛度曲線斜率基本一致。這是因為此時試件尚處于彈性階段，EREDL強度的增加會使得試件的等效剛度值有一定的增大，但對試件剛度退化速率基本沒有影響。當偏移率δ≥2% （20～50 mm）時，試件R-3Rho-Q355的等效剛度比值始終大于試件R-3Rho-Q235，但其曲線斜率相對陡峭，說明此時試件處于彈塑性節(jié)段，EREDL開始發(fā)揮塑性變形作用，隨著循環(huán)加載偏移率的不斷增加，EREDL的塑性變形也在不斷累積。此過程中，EREDL的強度越大，相對的EREDL剛度損失的越多，因此試件降低的等效剛度越大，等效剛度下降速度越快。但總體來說，試件R-3Rho-Q355等效剛度值相對于試件R-3Rho-Q235，始終處于一個較高的水平，表明Q355連接件比Q235連接件可以更有效地保證橋墩的等效剛度值。

3 結(jié)論

為探究外置EREDL強度對節(jié)段拼裝PSCFST橋墩抗震性能及自復位能力的影響，本文設計并加工制作了兩組縮尺試件，通過擬靜力水平往復加載試驗，研究了EREDL強度參數(shù)對PSCFST橋墩抗震性能的影響。主要得到以下結(jié)論：

（1） 本文探究的外置EREDL的PSCFST橋墩，具有一定的耗能能力和良好的自復位能力。加載過程中，外置EREDL出現(xiàn)變形屈曲現(xiàn)象，EREDL耗能作用明顯。節(jié)段拼裝橋墩荷載-位移滯回曲線總體上表現(xiàn)為“反S”型，墩柱具有較好的耗能能力，最大加載偏移率5%時，墩柱的殘余位移小于1.3%。

（2） EREDL的強度越高，其在加載過程中產(chǎn)生的塑性變形相對會減少，但節(jié)段間的連接也因此越趨近于剛性連接，導致鋼管節(jié)段耗能增加，塑性變形增大，使得鋼管節(jié)段提早屈服，試件承載力反而有所下降。

（3） EREDL強度的提高會使得鋼管過早屈服，使得橋墩承載力下降，殘余位移增大。以設置Q355強度EREDL時的橋墩抗震性能為基準，EREDL強度建議取值為Q235，可以保證橋墩試件承載力提升18%以上，殘余位移降低40.0%以上，可有效增強橋墩的抗震性以及可恢復性。因此，在考慮增強橋墩自復位能力時，應著重考慮外置EREDL強度與鋼管節(jié)段強度間的匹配問題。

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（本文編輯：任 棟）