裝配式橋墩抗震性能分析

樊 澤，戚圣強(qiáng)，封 偉，劉耀榮

（西安市政設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710068）

0 引言

隨著城市的大規(guī)模發(fā)展，城市的交通設(shè)施也在大量增加，橋梁作為城市交通的重要組成部分，對城市的發(fā)展起到至關(guān)重要的作用。裝配式橋梁的發(fā)展促使橋梁建設(shè)速度較傳統(tǒng)的現(xiàn)澆方式得到很大的提升[1]，橋梁質(zhì)量得到高度保證，施工期間對沿線環(huán)境的影響也得到改善。

裝配式橋墩作為裝配式橋梁的關(guān)鍵部位，其連接的可靠性決定了橋梁的可靠性，因此對橋梁的連接性能應(yīng)該格外關(guān)注。學(xué)者們對多種裝配式橋墩的連接構(gòu)造進(jìn)行了試驗分析和理論研究。王志強(qiáng)[2-3]、樊澤[4]等對采用灌漿套筒的連接方法做了試驗?zāi)Ｐ秃陀邢拊治觯Y(jié)論發(fā)現(xiàn)灌漿套筒的連接方式的抗震能力良好，合理結(jié)構(gòu)設(shè)計下可用于抗震設(shè)計。包龍生[5]等對金屬波紋管連接方式做了研究，發(fā)現(xiàn)其有較好的抗震性能。胡志堅[6]等提出了一種采用榫頭+波紋管的連接方式，并對其地震易損性進(jìn)行了試驗和理論分析，結(jié)論表明其抗震性能較好。除此之外，仍有許多新型的連接方式出現(xiàn)。

基于抗震性能及施工的需求，文章提出了一種新型裝配式橋梁墩柱與承臺之間的連接方法，在墩柱與承臺連接端頭預(yù)埋圓形型鋼，通過焊接連接，此連接方式在焊接后不久便具有較高的承載能力。對比灌漿套筒、金屬波紋管的其他構(gòu)造，該連接方法施工方便，操作容易，施工速度更加快速。通過對型鋼連接方式的試驗研究，分析其抗震性能。

1 試驗概況

1.1 試件介紹

文章依托陜西省高效裝配式下部結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計項目，根據(jù)相似原理，采用1∶4 的比例設(shè)計制作了兩種類型的橋墩的縮尺模型，編號分別為1# 和2#，1#為現(xiàn)澆橋墩，見圖1，2# 為型鋼連接橋墩，見圖2、圖3。橋墩高度2 m，墩柱截面直徑0.45 m，承載高度0.6 m，截面為方形尺寸為1.3 m×1.3 m。

圖1 1# 墩柱（單位：cm）

圖2 2# 墩柱（單位：cm）

圖3 2# 墩柱連接大樣（單位：cm）

墩柱模型均使用標(biāo)號為C50 的混凝土，28 d 齡期試塊平均抗壓強(qiáng)度65.6 MPa；主筋及承臺內(nèi)錨固鋼筋采用直徑14 mm 的HRB400 鋼筋，共12 根，縱筋試件的平均屈服強(qiáng)444 MPa，極限強(qiáng)度為612 MPa；箍筋采用直徑8 mm 的HPB300 螺旋鋼筋，箍筋間距8 cm，加密區(qū)箍筋間距5cm；鋼板采用Q355-D，厚度10 mm，鋼板試件平均屈服強(qiáng)度為371 MPa，極限強(qiáng)度522 MPa。

試件橋墩和承臺分開預(yù)制，到達(dá)齡期后安裝組合，橋墩插頭插入承臺預(yù)埋套筒內(nèi)，見圖4，定位后焊接預(yù)埋鋼管，最后澆筑鋼管混凝土保護(hù)層。

圖4 立柱安裝

1.2 加載方法

加載機(jī)制采用循環(huán)往復(fù)加載，加載設(shè)備見圖5。首先施加豎向軸壓力，軸壓比取0.1，豎向軸壓力大小356.26 kN，豎向荷載穩(wěn)定后施加水平循環(huán)往復(fù)荷載，水平荷載初始階段控制位移大小依次為2 mm、5 mm、10 mm、15 mm，循環(huán)一次，墩柱屈服后采用位移控制，控制位移大小依次為20 mm、25 mm、30 mm、40 mm、60 mm、70 mm、80 mm，每級加載循環(huán)3 次，直至構(gòu)件破壞停止加載。

圖5 試驗加載設(shè)備

2 試驗現(xiàn)象及破壞特征

在加載初期，位移荷載較小時，1# 橋墩底部出現(xiàn)多條細(xì)微裂縫，且大致方向水平，與水平方向最大角度不超過45°，裂縫寬度小于1 mm，2# 橋墩初次出現(xiàn)裂縫的位置主要集中在預(yù)埋鋼管上方位置，預(yù)埋鋼管外層混凝土鮮有裂縫出現(xiàn)。隨著位移荷載等級的增加，1# 橋墩一條主要裂縫寬度及橫向長度快速增大，其他裂縫增長速度緩慢，同時出現(xiàn)多條豎向斜紋及豎向裂縫，2# 橋墩在預(yù)埋鋼管頂部位置出現(xiàn)主要裂縫，且在此上方出現(xiàn)過較大豎向裂縫，在此位置下方出現(xiàn)多條細(xì)小裂縫。加載后期，1# 墩柱柱腳混凝土壓潰，主裂縫以下混凝土幾乎整塊脫出，見圖6，2#墩柱預(yù)埋鋼管以上混凝土大范圍整塊脫落，預(yù)埋鋼管頂部向下位置一側(cè)混凝土鼓起，另一側(cè)后澆保護(hù)層部分局部脫落，見圖7。

圖6 1# 試件加載結(jié)束后裂縫分布

圖7 2# 試件加載結(jié)束后裂縫分布

3 試驗結(jié)果分析

3.1 荷載-位移滯回曲線

兩個墩柱的實測水平力- 荷載位移曲線見圖8，從圖8 中可以看出，兩個橋墩的滯回環(huán)形狀比較相似，其破壞形式均屬于彎曲破壞，但2# 橋墩與1# 橋墩相比較，滯回曲線包圍更大的面積，滯回環(huán)也更加飽滿。在水平位移荷載較小時，兩者的滯回環(huán)較密集，各級差別較小，呈現(xiàn)出一定的線性關(guān)系；提高水平位移荷載，滯回環(huán)包圍面積增大，中間位置發(fā)生“捏縮”現(xiàn)象，此時混凝土出現(xiàn)較大裂縫，鋼筋與混凝土之間出現(xiàn)滑移現(xiàn)象。

圖8 墩柱滯回曲線（單位：kN）

3.2 骨架曲線

兩個試件的骨架曲線見圖9。可以看出，加載前期，線形基本重合，但2# 橋墩曲線要高于1# 橋墩，且加載后期，2#橋墩曲線下降速度明顯緩于# 橋墩，說明2# 橋墩有更高的極限承載力，且極限承載力下降速度更緩。

圖9 骨架曲線（單位：kN）

由于橋墩骨架曲線無明顯的屈服點，因此文章按照能量法[7]分別計算正反兩個方向的屈服荷載和屈服位移，極限位移取峰值荷載下降至85%時的位移。兩個橋墩的特征荷載及位移見表1 所示。2# 橋墩與1# 橋墩相比，屈服荷載正、反向分別增大0.77%和14.50，峰值荷載正、反向分別增大15.32%和15.26%，極限位移正、反向分別增大74.56%和74.4%。說明采用型鋼連接的裝配式橋墩承載能力要高于現(xiàn)澆橋墩。

表1 特征荷載和位移

3.3 殘余位移

兩個橋墩的殘余位移變化情況見圖10，可以看出，在位移荷載變化下，二者的殘余位移相當(dāng)，中間位置1#橋墩略小于2#橋墩，位移等級為40 mm 時，1# 殘余位移為12.02 mm，2# 殘余位移為27.49 mm，最大差值為15.47 mm，主要原因是型鋼在變形后自復(fù)位能力較小。

圖10 殘余位移（單位：mm）

3.4 位移延性

結(jié)構(gòu)位移延性表明了結(jié)構(gòu)在荷載作用下變形能力的優(yōu)劣，兩個橋墩的位移延性參數(shù)見表1。2#橋墩的延性較1#橋墩大9.37%。說明型鋼連接的裝配式橋墩延性性能優(yōu)于現(xiàn)澆橋墩。

3.5 耗能能力

圖11 為兩個橋墩在位移荷載向下的耗能性能曲線。隨著位移增加，耗能不斷增大，2#橋墩耗能能力明顯高于1# 橋墩，在30 mm 荷載位移之后二者的差值逐步增大，在40 mm 位移荷載下兩者差值達(dá)到最大，最大差值為12074 kN·m 。

圖11 耗能性能（單位：kN·mm）

3.6 剛度退化

圖12 為兩個橋墩在位移荷載作用下正、反向剛度的平均值，可以發(fā)現(xiàn)，兩者剛度的變化規(guī)律一致，隨著位移荷載的增大，剛度遞減。2# 橋墩的剛度在40 mm 位移荷載之前大于1# 橋墩，之后曲線交叉，剛度變化情況基本相近。說明型鋼對橋墩整體剛度的貢獻(xiàn)使得2#橋墩剛度增大。

圖12 剛度退化曲線（單位：kN/mm）

4 結(jié)論

（1）型鋼連接的裝配式橋墩與現(xiàn)澆橋墩破壞模式相同，均為彎曲破壞。兩者在破壞時均出現(xiàn)底部混凝土壓潰，不同之處在于，現(xiàn)澆橋墩柱跟處出現(xiàn)大量混凝土破壞，而型鋼連接的裝配式橋墩柱根處破壞程度較輕，混凝土破壞主要集中在預(yù)埋鋼管頂部以上，預(yù)埋鋼管增加了柱跟剛度，使得型鋼連接的裝配式橋墩塑性鉸位置上移。

（2）型鋼連接的裝配式橋墩峰值荷載較現(xiàn)澆橋提高了15%，表明型鋼連接的裝配式橋墩承載能力高于現(xiàn)澆橋墩。

（3）型鋼連接的裝配式橋墩與現(xiàn)澆橋墩的殘余位移相當(dāng)，但在耗能能力及延性方面前者的表現(xiàn)更好。

（4）型鋼連接的裝配式橋墩具有優(yōu)越的抗震性能，為裝配式橋墩在高烈度地震區(qū)的使用提供一種方法。