組合承插口連接裝配式橋墩抗震性能分析

■朱祖科

（福建省公路事業發展中心，福州 350001）

現代橋梁建設對環保、快速、安全和交通影響等要求越來越高，全裝配化橋梁是現代橋梁建設的發展趨勢[1]。 裝配式上部結構已經得到了大量應用，裝配式墩是實現全裝配式橋梁建設的關鍵，目前主要應用于海上和城市橋梁中。 其中，海上裝配式混凝土墩主要采用普通混凝土或UHPC 濕接縫和預應力筋連接[2-4]，城市橋梁裝配式混凝土橋墩常用連接方式中的灌漿波紋管連接、預應力連接接縫等都是平縫連接[5]，接縫處無箍筋約束，整體性較弱。 傳統的承插式連接縱向鋼筋不連續且對承臺的削弱較大[6-7]，適用于厚承臺。 UHPC 濕接頭則會導致裝配式墩塑性鉸上移， 引起其延性降低和破壞模式改變[8]。 可見，采用常用連接方式的裝配式混凝土墩適用于中低烈度區的規則橋梁[9-10]，無法滿足高烈度區橋梁的受力需求。 為提高橋梁整體性能，本文嘗試研究一種承插口和灌漿套筒組合連接的裝配式橋墩， 并從受壓性能和抗震性能等方面分析其可行性。

1 工程概況

福州市長樂區會堂南路道路工程，起點樁號為0-100，其中道路新建部分長約1427 m，現狀會堂南路改造長1 m。新建路段截面形式為四幅路[11]，設計車速為40 m/h[12]。

蓮柄港橋位于會堂南路，現狀蓮柄港河道改線至道路樁號K0+110 處，新建2～18 m 預應力鋼筋混凝土空心板梁，河道水流方向與橋梁軸線夾角15°，橋梁橫斷面總長度42.25 m，布置如下：兩邊0.25 m的欄桿及0.5 m 的防撞護欄、兩條4.0 m 的人行道，車行道分別寬15.25 m 和17 m，以及0.5 m 的中央分隔帶。

橋墩采用樁柱式實心墩， 橋墩截面為圓形，高5.4 m，直徑2.6 m。樁基直徑1.5 m，樁基樁長55 m，場地土動力m 系數為7000 kN/m4，支座與墊石總高度為0.3 m，橋墩處設置GYX d250×52 mm 型支座。上部結構C50，立柱C40，承臺C35，樁基礎C30。 其中橋墩中的立柱采用預制拼裝連接。 連接細部如圖1 所示，其中預制拼裝采用灌漿套筒+承插口的連接方式，承插口空隙采用超高性能混凝土（UHPC）填筑。灌漿套筒和UHPC 材料的材料性能：選用4 mm厚的灌漿套筒，鋼材為Q345、并且測得它的屈服強度是359 MPa，極限強度是547 MPa；所選混凝土測得其抗壓強度是131.5 MPa、彈性模量為41200 MPa、抗拉強度為7.8 MPa 的UHPC。

圖1 灌漿套筒+承插口+UHPC 連接構造細部圖

2 抗震設計驗算

2.1 E1 地震作用分析

E1 地震作用下進行驗算，應考慮以下條件：抗震等級為A 類；在驗算橋墩的強度時，恒定荷載、軸力和彎矩的組合都進行考慮； 墩底是最不利截面，則應對縱向和橫向地震作用下墩底的組合合力都進行分析。

2.1.1 縱向地震作用分析

墩底組合軸力為：Nz=ND+NE=(2696+190+338）+0=3224 kN； 墩底組合彎矩為：Mz=MD+ME=0+80.46×(5.4+0.3）=459 kN·m； 采用XTRACT 程序計算得墩底縱截面抗彎強度為4046.96 kN·m，大于墩底組合彎矩，強度滿足要求。 其中材料強度采用設計值。式中，Nz、ND和NE分別為墩底、恒載、地震作用下的軸力；Mz、MD和ME分別為墩底、恒載、地震作用下的彎矩。

2.1.2 橫向地震作用分析

墩底組合軸力為：Nz=ND+NE=3224 kN；墩底組合彎矩為：Mz=MD+ME=0+323.18×(5.4+0.3)=1842.12 kN·m；墩底橫向抗彎彎矩為4199.17 kN·m，大于墩底組合彎矩，強度滿足要求。 其中材料強度采用設計值。式中，Nz、ND和NE分別為墩底、恒載、地震作用下的軸力；Mz、MD和ME分別為墩底、恒載、地震作用下的彎矩。

2.2 E2 地震作用分析

為了簡化計算，E2 地震作用下進行驗算不考慮剛度折減，即假定此橋墩處于彈性狀態，所以只需要在縱向和橫向2 種地震作用下，依次計算各自的地震反應即可。

2.2.1 縱向地震作用分析

可見，橋墩的位移變形能力遠遠大于地震作用下橋墩的位移變形，所以即使不扣除基礎變形對橋墩頂部造成的位移變形，也能滿足位移變形需求。

2.2.2 橫向地震作用分析

根據規范條文第7.3.7，應通過非線性靜力計算橋墩的容許橫向位移。 若第二次迭代后的地震力軸向力和水平力與第一次計算結果的差值小于5%，則滿足精度要求。 所以橫向位移為9.7 cm 時，滿足要求。

3 采用ABAQUS 實體單元的裝配式墩受力有限元模擬計算

3.1 有限元模型

ABAQUS 在工程方面得到了大量的應用[13]，可對結構進行靜態分析、動力時程分析等[14]。 在ABAQUS軟件建模過程中，鋼筋的復合受力可以忽略，主要考慮拉伸作用，因此，采用線性T3D2 來模擬，選用C3D8R 來模擬普通混凝土和UHPC。 然后，根據圖紙尺寸輸入幾何參數建立相關部件， 包括橋墩、系梁、UHPC 后澆帶、縱筋、箍筋、灌漿套筒等。 實體限元模型如圖2 所示。

圖2 橋墩實體有限元模型

3.2 抗震驗算

采用E2 地震力進行橋墩縱向加載， 得到混凝土、鋼筋、套筒和UHPC 的最大應力（圖3）。經計算，對于混凝土，受到的壓應力最大為12.4 MPa，受到的拉應力最大為1.5 MPa； 對于鋼筋應力， 最大為203.0 MPa。 對于灌漿套筒應力，最大為183.0 MPa；UHPC 后澆帶最大應力為3.7 MPa， 縱向最大拉應力為0.46 MPa。可以看出縱向地震作用下橋墩鋼筋和套筒的應力均小于屈服應力（400 MPa）。 立柱的鋼筋和混凝土受力較大， 與現澆墩的受力特征一致，套筒也具有很好的傳力性能，裝配式墩具有很好的整體受力能力。

圖3 縱向地震力作用下裝配式墩的受力分析

同時進行E2 地震作用下裝配式墩橫向抗震驗算。根據實橋圖紙建立實體排架墩有限模型，如圖4所示。

圖4 排架墩實體單元模型

在E2 作用下獲得的橫向水平地震力基礎上開展分析，結果如圖5 所示。 對于混凝土，受到的壓應力最大為6.86 MPa，受到的拉應力最大為1.3 MPa；對于鋼筋應力，最大為221.3 MPa。對于灌漿套筒應力， 最大為110.7 MPa；UHPC 后澆帶最大應力為0.44 MPa，最大拉應力為0.4 1 MPa。 可以看出在橫向地震作用下，橋墩鋼筋應力、灌漿套筒應力與屈服應力三者相比，屈服應力最大。 在受力方面，鋼筋和混凝土受到了較大的力。 與現澆墩的受力特征一致，套筒也具有很好的傳力性能，裝配式墩具有很好的整體受力能力。

圖5 橫向地震力作用下裝配式墩的受力分析

4 結論

為提升裝配式混凝土的整體受力性能，本文設計了一種灌漿波紋管和承插口組合的裝配式墩，根據現有規范對其抗震性能進行驗算，并采用實體有限元模型對接頭受力進行了分析， 主要結論如下：（1）在E1 和E2 地震作用下，墩底的彎矩小于截面屈服強度；在E2 地震作用下，墩頂位移小于容許變形，滿足設計要求，所以采用灌漿波紋管和承插口組合連接的裝配式橋墩設計合理。 （2）采用有限元軟件ABAQUS 對圓形實體橋墩進行建模分析。新型預制拼裝橋墩在E2 地震作用下與現澆墩受力特征一致，套筒傳力良好，承臺受力減小，混凝土應力小于標準抗壓和抗拉強度，鋼筋應力小于設計屈服應力，接頭連接可靠，滿足抗震要求。