采用灌漿波紋管連接的預制拼裝雙柱式橋墩抗震性能研究

蔡葉瀾

（福州市規劃設計研究院，福州 350000）

1 引言

節段預制拼裝橋墩已經在美國的德克薩斯州、 華盛頓州等地得到廣泛應用，我國在杭州灣跨海大橋、東海大橋、上海長江大橋、港珠澳大橋等跨海橋梁的橋墩也采用節段預制拼裝， 結果表明： 該技術能降低現場施工作業量，有效縮短工期，具有明顯的優越性[1-8]。 目前節段預制拼裝橋墩的拼接接頭主要采用灌漿套筒接頭、 灌漿金屬波紋管接頭等型式，其中灌漿套筒的直徑一般較小，對拼接施工的精度要求較高， 而灌漿金屬波紋管的直徑相對較大，拼接施工的難度相對較小，是一種具有較好發展前景的接頭構造。

國內外學者已經針對節段拼裝橋墩的抗震性能，開展了大量的理論研究和試驗研究， 主要圍繞單柱墩的承臺-墩柱節點或墩柱-墩柱節點， 且一般采用單向加載[9-12]。 然而實際工程中的橋墩，以雙柱墩和多柱墩居多，其節點連接構造和塑性鉸機制比單柱墩復雜得多，在地震作用下常受到雙向或多向荷載作用。為此，本文擬在試驗研究的基礎上， 研究采用灌漿金屬波紋管接頭的節段拼裝雙柱墩的抗震性能，以預應力度為主要參數，建立數值分析模型， 研究關鍵參數對節段拼裝雙柱墩抗震性能的影響規律。

2 有限元模擬

OpenSees 有限元分析軟件是由加州大學伯克利分校為主研發而成，以結構分析為主體，適用于結構靜力或動力的非線性分析等， 自1997 年正式推出第一版本以來，越來越受到全世界從事土木工程各個領域學者的青睞，在美國的一些大學和科研院所的科研項目中已被廣泛采用[13-14]。 邵淑營[15]開展了采用灌漿波紋管接頭的雙柱式橋墩擬靜力試驗，采用OpenSees 有限元軟件中的纖維梁單元，模擬了試件的受力過程，并與試驗結果進行比較，結果表明OpenSees 有限元軟件具有較高的非線性數值模擬精度，可用于參數分析。

2.1 試件設計

根據實際工程中的某橋為背景，設計了縮尺比為1∶5的節段拼裝雙柱墩試件(圖1)， 設計軸壓比為0.05、0.1、0.2 三種。橋墩承臺尺寸為2400mm×720mm×360mm，蓋梁尺寸為3300mm×550mm×350mm， 墩身直徑為250mm，墩高1365mm。 試件采用C40 商品混凝土；墩身沿圓周均勻布置8 根縱筋，直徑為14mm，配筋率為2.51%；箍筋采用的光圓環形鋼筋，直徑為8mm，間距為80mm，配箍率為1.14%，其中距離承臺、蓋梁300mm 范圍內設置箍筋加密區， 間距為50mm。 對于PGCP 試件， 預應力筋采用1×7φ5，單根張拉力為93.8kN，預應力筋穿過接縫，并通過灌漿金屬波紋管連接。試件底部承臺和蓋梁均配有鋼筋網，沿高度方向分為4 層。 墩身混凝土保護層厚度取20mm。

2.2 模型的建立

節段拼裝橋墩采用非線性梁柱單元(Nonlinear Beam-Column Element) 進行建模， 試件模型如圖2 所示(利用OpenSeesIDE 程序顯示模型形狀)；對于蓋梁，采用彈性梁柱單元(Elastic Beam-Column Element)進行建模。將墩柱縱筋和混凝土視為一個整體， 再將截面劃分為纖維單元，分別賦予其相應的材料屬性。沿墩身長度方向劃分5 個單元；沿蓋梁長度方向劃分4 個單元，墩底邊界條件為固結。

圖1 試件示意圖(單位：mm)

圖2 PGCP 試件示意圖

3 參數分析

對外加預應力的灌漿波紋管節段拼裝試件進行參數分析。針對軸壓比、縱筋配筋率、初始預應力大小、預應力配筋率、立柱高度參數進行了針對性模擬，探討上述參數對試件滯回曲線、骨架曲線、滯回耗能、殘余位移和等效剛度的影響。

3.1 軸壓比

討論軸壓比對預應力灌漿波紋管節段拼裝橋墩抗震性能的影響，考慮軸壓比為5%、10%、20%，進行參數分析。由圖3 可知，隨著軸壓比的增大，滯回曲線飽滿程度有所增加，表現為滯回耗能的增加；峰值荷載略微提高；殘余位移增大；屈服前期剛度有所提高，后期剛度退化較快。

3.2 縱筋配筋率

討論縱筋配筋率對預應力灌漿波紋管節段拼裝橋墩抗震性能的影響， 考慮縱筋配筋率為1.57%、1.88%、2.19%，進行參數分析。由圖4 可知，隨著縱筋配筋率的增大， 滯回曲線飽滿程度增加明顯， 表現為滯回耗能的增加；峰值荷載提高；中后期的等效剛度提高。

圖3 軸壓比的影響

圖4 縱向配筋率的影響

3.3 初始預應力大小

初始預應力的增加可以提高橋墩的屈服強度， 對于節段拼裝橋墩效果更為明顯。 預應力筋將墩身節段連接成為整體， 通過施加初始預應力使得節段接縫依靠摩擦力抵抗側向剪切力的作用。預應力偏小，橋墩的整體剛度不夠， 則易出現橋墩接縫的剪切滑移破壞； 若預應力偏大， 將引起橋墩塑性鉸區混凝土提前壓碎以致屈服后強度下降較快。

對于預應力灌漿波紋管節段拼裝試件， 以初始預應力產生的軸壓比7.47%、14.94%、22.41%，進行參數分析。由圖5 可知，隨著初始預應力的增大，滯回曲線飽滿程度變化不大；峰值荷載略微提高；殘余位移略微降低；前中期等效剛度提高。

3.4 預應力筋配筋率

討論預應力筋配筋率對預應力灌漿波紋管節段拼裝橋墩抗震性能的影響， 考慮預應力筋配筋率為0.14%、0.28%、0.56%，進行參數分析。由圖6 可知，隨著預應力筋配筋率的增大，滯回曲線飽滿程度變化不大，滯回耗能增加不明顯；峰值荷載提高；殘余位移降低；等效剛度提高。

3.5 立柱高度

討論立柱高度對預應力灌漿波紋管節段拼裝橋墩抗震性能的影響，其他參數相同，將立柱高度設為1 m、1.25 m、1.5 m，進行參數分析。由圖7 可知：隨著立柱高度的減小，滯回曲線飽滿程度有較大幅度的增大；峰值荷載明顯增大；殘余位移增大；等效剛度增大。

4 結論

對采用灌漿波紋管連接的節段拼裝雙柱墩的抗震性能進行數值分析， 研究其滯回特性、 損傷機理和破壞模式，并進行參數的敏感性分析，得到的主要結論如下。

(1)從滯回曲線形狀上看：試件X 向滯回環呈現為梭形，Y 向滯回環滑移現象明顯。這是由于試件X 方向優先加載引起的損傷影響了Y 方向的滯回性能，此外，Y 方向約束少，剛度小，強度退化較快，導致其卸載段更接近于一條直線；從骨架曲線形狀上看：節段拼裝試件經歷強度上升、穩定和退化3 個階段，骨架曲線大致呈三折線。

圖5 初始預應力大小的影響

圖7 立柱高度的影響

(2)隨著軸壓比增大，試件的滯回曲線飽滿程度有所增加，峰值荷載略微提高，殘余位移增大，屈服前期剛度有所提高，后期剛度退化較快。

(3)縱筋配筋率對模型滯回曲線的影響較大，隨著縱筋配筋率的增大，滯回曲線飽滿程度增加明顯；峰值荷載提高；中后期的等效剛度提高。

(4)施加預應力后，試件自復位能力提高，殘余位移減小，延性水平、等效剛度、耗能能力和極限承載力有所提高。預應力的存在使試件峰值承載力出現時間滯后，抗震性能較好。初始預應力對模型滯回曲線的影響較小，初始預應力增大，滯回曲線飽滿程度變化不大，峰值荷載略微提高，殘余位移略微降低，前中期等效剛度提高。 隨著預應力筋配筋率的增大，滯回曲線飽滿程度變化不大，峰值荷載提高，殘余位移降低，等效剛度提高。

(5)隨著立柱高度的減小，滯回曲線飽滿程度有較大幅度的增大，峰值荷載明顯增大，殘余位移增大，等效剛度增大。