現澆及裝配式橋墩剛度折減對比分析

程邦興

(四川公路橋梁建設集團有限公司，四川 成都 610000)

隨著人工成本的急劇上升和人們環(huán)境保護意識的提高，裝配式橋梁被廣泛采用。對于裝配式橋梁的地震響應，邵淑營對預應力灌漿波紋管裝配式墩的可行性進行探討，分析了灌漿波紋管裝配式橋墩的抗震性能；鄭永峰等通過試驗研究和有限元仿真分析，實現了套筒與灌漿料及灌漿料與連接鋼筋間的相互作用分析的模擬,并研究了變形灌漿套筒的設計方法。基于各學者的研究成果，該文研究采用灌漿套筒進行節(jié)段拼接連接時，裝配式梁橋橋墩內力和墩頂位移相對現澆梁橋的變化情況，研究現澆橋墩及節(jié)段裝配式橋墩的剛度折減。

1 工程概況

以某高速公路TJ-3標段中五跨一聯預應力砼先簡支后連續(xù)橋梁為背景進行研究。該橋跨徑布置為(40+40+40+40+40) m，上部結構標準寬度為16.75 m。主梁采用裝配式預應力砼小箱梁，下部結構為雙柱式實心橋墩，樁柱截面直徑均為2.2 m。主梁細部構造見圖1，橋墩墩身及蓋梁的一般構造見圖2。

圖1 橋梁上部結構主梁橫截面布置(單位：cm)

圖2 橋墩墩身及蓋梁的一般構造(單位：cm)

2 有限元模型的建立

根據JTG/T B02-01-2008《公路橋梁抗震細則》，該橋主橋抗震設防等級為8級，E1、E2地震作用下抗震重要性系數Ci分別取0.43、1.3。

先利用MIDAS/Civil建立預制拼裝結構仿真分析模型，分析在E1、E2地震作用下上部結構對蓋梁縱向、水平向剪切力的影響及蓋梁頂面承受上部結構恒載工況下結構在順橋向、橫橋向的位移變化。根據計算分析結果，在上部結構恒載作用下，墩頂承受的豎向力為7 500 kN。E1、E2地震作用下單根墩柱在蓋梁位置處順橋向和橫橋向的剪切力見表1。

表1 單根墩柱蓋梁位置處順橋向和橫橋向的剪切力 kN

基于MIDAS整橋抗震模型中橋墩的構造形式和設計計算結果，采用ANSYS有限元分析軟件，綜合考慮砼、鋼筋、灌漿套筒等材料的非線性因素。預制模型中，預制蓋梁、預制橋墩、承臺均采用實體單元Solid45模擬，彈性模量為34.5 GPa，泊松比為0.2，材料密度取2 500 kg/m3；樁基采用可考慮剪切變形的Beam188梁單元模擬；樁基和周圍土體之間的土彈簧在順橋向和橫橋向分別采用Combin14模擬，土彈簧的剛度采用M法計算。

為真實模擬預制墩柱與蓋梁、承臺之間的灌漿套筒連接，采用如下方法進行處理：假設預制墩的頂、底面與蓋梁、承臺之間采用面面接觸，面面接觸的法向剛度設為無窮大，當接觸面間出現拉應力時即脫離；水平方向上，設置接觸面的摩擦系數為0.3；蓋梁和墩柱、承臺和墩柱之間均采用灌漿套筒建模，鋼筋和套筒采用實體單元Solid187模擬，灌漿料采用Solid65模擬，鋼筋與灌漿料及灌漿料與套筒之間的粘結采用接觸單元Targe170與Contai174模擬。實常數根據實際配筋情況設置，鋼筋材料采用理想彈塑性本構關系來模擬。鑒于結構的對稱性，僅建立結構的1/2模型。預制裝配式結構整體模型見圖3，細部鋼筋連接見圖4。

圖3 節(jié)段裝配式橋墩實體有限元分析模型

3 ANSYS有限元分析

根據表1中單墩承受的剪切力，在局部精細化模型中，分別求解結構在相應荷載作用下的墩頂位移。地震作用下橋墩位移見圖5～8，灌漿套筒位置處的連接鋼筋應力見圖9、圖10，各預制墩頂、底接觸狀態(tài)見圖11～14。

由圖5～8可知：在順橋向即橋縱向，E1、E2地震作用下墩頂最大位移分別為0.018、0.058 m，后者是前者的3.22倍，說明E2地震作用對結構順橋向的影響大于E1地震作用。在橫橋向，E1、E2地震作用下墩頂最大位移均為0.033 m，兩種地震作用下墩頂最大位移一致，說明其對結構橫橋向的作用基本一致。

圖4 灌漿套筒連接鋼筋模型

圖5 E1地震縱向作用下橋墩順橋向變形云圖(單位：m)

圖6 E1地震橫向作用下橋墩橫橋向變形云圖(單位：m)

圖7 E2地震縱向作用下橋墩順橋向變形云圖(單位：m)

圖8 E2地震橫向作用下橋墩橫橋向變形云圖(單位：m)

圖9 E1地震縱向、橫向作用下套筒內連接鋼筋應力云圖(單位：Pa)

圖10 E2地震縱向、橫向作用下套筒內連接鋼筋應力云圖(單位：Pa)

圖11 E1地震縱向作用下節(jié)段裝配式橋墩墩頂、底接觸狀態(tài)

由圖9、圖10可知：在順橋向，E1地震產生的套筒內接觸鋼筋最大壓應力為3.58×107Pa，最大拉應力為4.61×106Pa；E2地震產生的套筒內接觸鋼筋最大壓應力為5.99×107Pa，最大拉應力為1.81×108Pa。在橫橋向，E1地震產生的套筒內接觸鋼筋最大壓應力為4.81×107Pa；E2地震產生的套筒內接觸鋼筋最大壓應力為6.13×107Pa。

圖12 E1地震橫向作用下節(jié)段裝配式橋墩墩頂、底接觸狀態(tài)

圖13 E2地震縱向作用下節(jié)段裝配式橋墩墩頂、底接觸狀態(tài)

圖14 E2地震橫向作用下節(jié)段裝配式橋墩墩頂、底接觸狀態(tài)

由圖11～14可知：1) 在順橋向，E1地震產生的墩底與承臺接觸面的接觸狀態(tài)大部分為固結狀態(tài)，少部分接觸面接觸滑移；墩頂與蓋梁的接觸狀態(tài)大部分為接觸滑移狀態(tài)，少部分為固結狀態(tài)。E2地震產生的墩底與承臺接觸面的接觸狀態(tài)大部分為非接觸狀態(tài)，少部分接觸面固結；墩頂與蓋梁的接觸狀態(tài)大部分為接觸滑移狀態(tài)，少部分為固結狀態(tài)。E2地震作用下接觸狀態(tài)固結程度低于E1作用下結構狀態(tài)，特別是墩底與承臺的接觸部位基本處于非接觸狀態(tài)。2) 在橫橋向，E1地震產生的墩底與承臺接觸面的接觸狀態(tài)為固結狀態(tài)和接觸滑移狀態(tài)各占一半，墩頂與蓋梁的接觸狀態(tài)基本和墩底接觸狀態(tài)相同；E2地震產生的墩底與承臺接觸面的接觸狀態(tài)為固結狀態(tài)和接觸滑移狀態(tài)各占一半，墩頂與蓋梁的接觸狀態(tài)基本和墩底接觸狀態(tài)相同。E1、E2地震作用下墩底和墩頂的接觸狀態(tài)基本相同。

4 現澆橋墩及裝配式橋墩剛度折減研究

鑒于目前主要采用桿系單元進行橋梁抗震分析，且不考慮預制結構接頭原因導致的結構剛度的影響，通過折減常規(guī)現澆結構墩柱剛度的方法模擬折減效應。與預制結構模型類似，建立現澆橋墩局部模型(見圖15)，其中墩柱與蓋梁、承臺均現澆，作為整體模型進行分析，且無需灌漿套筒連接鋼筋，故偏安全地僅考慮砼參與受力。現澆模型采用與圖3相同的約束條件和荷載。

圖15 現澆橋墩局部模型

采取如下折減方法：1) 計算順橋向折減時，保持墩柱橫向尺寸不變，僅折減墩柱縱向尺寸，達到墩柱剛度折減的目的；2) 計算橫橋向折減時，保持墩柱縱向尺寸不變，僅折減墩柱橫向尺寸，達到墩柱剛度折減的目的。為此，基于ANSYS軟件的批處理方法編寫結構的批處理命令，將墩柱縱向尺寸、橫向尺寸均參數化處理，以結構頂緣位移為控制條件進行批量計算。

4.1 現澆橋墩順橋向的折減

改變橋墩的順橋向受力，在受力為0～500 kN時，以10 kN為加載力間隔對裝配式橋墩墩頂位移進行計算，得到裝配式橋墩順橋向荷載-位移曲線(見圖16)。由圖16可知：裝配式橋墩順橋向受力為151 kN時，墩頂位移為17.87 mm；順橋向受力為456 kN時，墩頂位移為57.45 mm。

圖16 節(jié)段裝配式橋墩墩頂順橋向荷載-位移曲線

不同剛度折減系數下現澆橋墩順橋向剛度折減位移見表2，其中慣性矩I=bh3/12(b為橋墩寬度，h為橋墩長度)。由表2可知：在E1地震力151 kN作用下，現澆橋墩剛度不經過折減時順橋向位移為17.96 mm，和裝配式橋墩相同受力時的墩頂位移17.87 mm相差不大，差值為0.5%，表明順橋向橋墩剛度在E1地震作用下無需進行剛度折減；在E2地震力456 kN作用下，現澆橋墩剛度折減為0.85倍時順橋向位移為57.25 mm，和裝配式橋墩相同受力時的墩頂位移57.45 mm相差不大，差值為0.3%，表明順橋向裝配式橋墩剛度在E2地震作用下需折減為現澆橋墩的0.85倍，此時現澆橋墩剛度折減后的縱向位移見圖17。

表2 現澆橋墩順橋向剛度折減后的位移

圖17 E2地震下順橋向墩柱剛度折減為原來的 0.85時的縱向位移(單位：m)

4.2 現澆橋墩橫橋向的折減

改變橋墩的橫橋向受力，在受力為0～500 kN時，以10 kN為加載力間隔對裝配式橋墩墩頂位移進行計算，得到裝配式橋墩橫橋向荷載-位移曲線(見圖18)。由圖18可知：裝配式橋墩橫橋向受力為153 kN時，墩頂位移為3.89 mm；橫橋向受力為463 kN時，墩頂位移為12.06 mm。

圖18 裝配式橋墩橫橋向荷載-位移曲線

現澆橋墩橫橋向剛度折減時的位移見表3。由表3可知：在E1地震力153 kN作用下，現澆橋墩剛度不經過折減時橫橋向最大位移為3.98 mm，與裝配式橋墩相同受力時墩頂最大位移3.89 mm相差不大，差值為2.2%，表明橫橋向橋墩剛度在E1地震作用下無需進行折減；在E2地震力463 kN作用下，現澆橋墩剛度不經過折減時橫橋向最大位移為12.06 mm，和裝配式橋墩相同受力時墩頂最大位移12.06 mm一致，表明橫橋向橋墩剛度在E2地震作用下也無需折減。

表3 現澆橋墩橫橋向剛度折減后的位移

5 結論

參考東南大學土木工程學院進行的灌漿套筒連接性能試驗及有限元模型建立分析過程，建立主橋裝配式橋墩及現澆橋墩的有限元實體分析模型，對比分析E1和E2地震作用下順橋向、橫橋向墩柱墩頂位移及套筒內連接鋼筋應力和預制墩頂、底接觸狀態(tài)。結果表明：結構順橋向E2地震作用的影響大于E1地震作用；墩底和墩頂的接觸狀態(tài)在E1、E2地震作用下基本一致。

通過ANSYS軟件將墩柱縱、橫向尺寸進行參數化處理，以結構頂緣位移為控制條件進行批量計算。結果表明：在E2地震作用下，現澆橋墩的剛度折減為0.85倍，即順橋向現澆橋墩尺寸折減為原尺寸的0.947 3倍時，節(jié)段裝配式橋墩和現澆橋墩在地震作用下的受力特性基本一致。