新型預(yù)制裝配式橋墩地震破壞形態(tài)研究

韓 磊，汪志甜

(1.安徽省交通控股集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230088；2.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

0 引 言

預(yù)制橋墩結(jié)構(gòu)具有工廠化生產(chǎn)和裝配化施工的重要特點(diǎn)，且節(jié)段混凝土預(yù)制質(zhì)量好、施工速度快、能夠有效節(jié)約工期和材料、綠色環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn)，故在國內(nèi)外得到了大力推廣，也出現(xiàn)了大量不同類型的預(yù)制橋墩類型。目前，關(guān)于預(yù)制橋墩靜力性能的研究交過[1-4]。但在動(dòng)力性能特別是抗震性能方面的研究較少[5-8]，對(duì)于預(yù)制墩在高烈度地震區(qū)的應(yīng)用產(chǎn)生了制約，應(yīng)加強(qiáng)預(yù)制墩抗震性能的相關(guān)研究，才能進(jìn)一步推廣預(yù)制橋墩的工程應(yīng)用。

本文以安徽省濟(jì)南至祁門高速公路合肥至淮南段鋼板組合梁橋下部結(jié)構(gòu)采用的新型預(yù)制裝配式橋墩為工程實(shí)例，對(duì)其抗震性能進(jìn)行研究。

1 新型預(yù)制裝配式橋墩概況

新型預(yù)制裝配化空心圓柱式橋墩直徑為1.2 m，壁厚為0.25 m，以整米為模數(shù)，按長度類型分為3～12 m共10種類型，采用C70混凝土預(yù)制，預(yù)制節(jié)段現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)試拼裝。在墩底預(yù)制節(jié)段和承臺(tái)間預(yù)留長度不小于0.5 m的墩底現(xiàn)澆段作為墩高調(diào)整段，同時(shí)起到預(yù)制墩安裝時(shí)的定位作用。墩頂1.5 m×1.5 m×0.7 m的墩帽與上部節(jié)段一并預(yù)制。承臺(tái)尺寸為3.0 m×3.0 m×1.5 m，采用C40混凝土現(xiàn)澆。預(yù)制墩采用承插式與承臺(tái)連接，并結(jié)合承臺(tái)頂二期澆筑的混凝土形成整體，墩底連接構(gòu)造詳如圖1所示。

由于新型節(jié)段預(yù)制拼裝橋墩的墩底構(gòu)造復(fù)雜，可能會(huì)影響到橋墩乃至全橋的抗震性能。因此，研究預(yù)制墩的抗震薄弱環(huán)節(jié)，明確關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)于橋梁抗震設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

2 預(yù)制墩Pushover分析

基于OpenSees軟件平臺(tái)，采用基于位移的梁柱單元來模擬預(yù)制橋墩，合理劃分墩身及杯口截面纖維，并將整個(gè)截面離散為三種纖維：保護(hù)層混凝土纖維、核心混凝土纖維和鋼筋纖維，預(yù)制墩纖維單元模型如圖2所示。

基于預(yù)制墩纖維單元模型，采用Pushover分析方法，水平向采用墩頂位移加載控制形式，每級(jí)加載增量為1mm，使預(yù)制墩從彈性進(jìn)入非線性狀態(tài)直至破壞，從而獲得預(yù)制墩的整個(gè)破壞形態(tài)。而且，根據(jù)分析的一聯(lián)鋼板組合梁橋，各墩軸向施加了實(shí)際荷載，其中，邊墩為2 392 kN，次邊墩為3 217 kN，中墩為2 780 kN，Pushover分析荷載-位移曲線如圖3所示。

圖3 Pushover分析的荷載-位移曲線

3 預(yù)制墩破壞形態(tài)研究

為了明確預(yù)制橋墩的地震易損部位，對(duì)比分析了墩底截面、杯口位置下截面以及杯口位置上截面處各纖維材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，只有杯口位置上截面各纖維單元從彈性狀態(tài)進(jìn)入非線性狀態(tài)。其中，該杯口位置上截面的纖維截面在側(cè)向位移達(dá)到16 mm時(shí)，保護(hù)層混凝土開裂；側(cè)向位移達(dá)到72 mm時(shí)受拉鋼筋首次屈服；側(cè)向位移達(dá)到151 mm時(shí)，保護(hù)層混凝土剝落；側(cè)向位移達(dá)到305 mm時(shí)受拉鋼筋達(dá)到極限拉應(yīng)變；側(cè)向位移達(dá)到427 mm時(shí)，核心混凝土達(dá)到極限壓應(yīng)變，最終預(yù)制墩以核心混凝土壓碎而破壞。但整個(gè)加載過程中，墩底截面和杯口下截面各纖維單元均保持彈性狀態(tài)。

為進(jìn)一步判斷該預(yù)制墩的破壞位置以及塑性鉸的發(fā)展情況，提取了杯口以上截面(箍筋加密區(qū)域與理論塑性鉸區(qū)域Lp重合區(qū)域)單元區(qū)段內(nèi)各積分點(diǎn)處的材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線。結(jié)果顯示：在不同軸壓作用下，只有杯口位置及杯口以上0.1 m區(qū)段內(nèi)纖維截面在側(cè)向位移不斷增加的過程中經(jīng)歷了從彈性到非線性直至破壞，而杯口以下截面在此過程中始終處于彈性狀態(tài)。

4 結(jié) 論

本文針對(duì)新型預(yù)制裝配式橋墩的結(jié)構(gòu)及抗震特點(diǎn)，采用Pushover分析方法，研究了預(yù)制墩的抗震性能。研究發(fā)現(xiàn)：新型預(yù)制裝配式橋墩在地震荷載作用下的薄弱位置最先出現(xiàn)在杯口處，并且延伸到距杯口以上0.1 m位置，但并沒有向杯口以下繼續(xù)發(fā)展的趨勢(shì)，即破壞只發(fā)生在預(yù)制墩與杯口交界處以及距杯口向上0.1 m區(qū)段內(nèi)。