灌漿波紋管裝配式橋墩雙向地震損傷評價方法

藍亦輝，夏樟華，陳浩沖，賴仕永，史 妍

（1.上海城建市政工程（集團）有限公司，上海， 200333；2.福州大學土木工程學院，福建福州 350108）

引言

由于裝配式橋梁的發展，裝配式橋墩開始被深入研究［1］。灌漿波紋管連接是預制構件之間連接最常見的方式之一，具有漏漿風險少、施工快、成本低和連接可靠等優勢。為了明晰其可靠性，陳云鋼等［2］制作了162個預制波紋管連接鋼筋錨固混凝土拉拔試件，連續加載拉拔發現灌漿波紋管連接更加可靠。

如何提升裝配式橋墩抗震性能，這是關注較高的一個問題，許多學者進行了實驗研究。PANG等［3］對灌漿金屬波紋管節段拼裝墩開展擬靜力試驗，發現荷載位移響應和損傷演化與現澆墩接近；TAZARV等［4］波紋管用超高性能混凝土填充，擬靜力循環荷載研究兩個預制墩縮尺為1/2模型的抗震性能；吳佳東等［5］拼裝混凝土橋墩中用灌漿波紋管進行連接，與傳統現澆墩對比，驗證兩者抗震性能良好；包龍生等［6］通過試驗驗證裝配式橋墩各項性能能達到現澆橋墩要求；王志強等［7］證實了波紋管和套筒灌漿管連接結構的工程合理性，其性能指標和現澆試件相近。

王軍文等［8］用6種結構損傷模型測試橋墩，其中王東升修正后的Park-Ang模型最好；對于雙向地震荷載耦合作用的抗震評價研究較少，江輝等［9］研究在雙向地震作用下高橋墩的彈塑性力學行為，其在單向地震作用下的動力效應明顯小于雙向水平地震；夏樟華等［10］分析了鋼筋混凝土箱型墩的雙向恢復力特性。鑒于此，開展雙向擬靜力試驗，提出裝配式橋墩在雙向地震荷載耦合作用下的抗震性能評價指標。

1 雙向擬靜力試驗介紹

1.1 試件設計

制作8個縮尺比1：5的擬靜力試驗試件，其中傳統現澆混凝土橋墩試件（BBPC-1、BBPC-2）尺寸一樣，6個裝配式橋墩試件（BBPC-3～BBPC-8）用灌漿波紋管連接；BBPC-1～BBPC-4試件尺寸相同，主要比照橋墩抗震性能受整體現澆和節段拼裝、雙向矩形加載制度和單向加載制度的影響。BBPC-4與BBPC-6的尺寸參數一樣，主要分析橋墩抗震性能受軸壓比變化的綜合影響；BBPC-7和BBPC-8的長細比和BBPC-4的不同，分析了橋墩抗震性能受長細比的影響，試件的主要設計參數見表1。

表1 試驗構件設計參數Table 1 Test component design parameters

根據中國城市橋梁抗震設計規范，金屬波紋管長度不得小于24ds（ds為連接縱向鋼筋的直徑）。此處的長度是指鋼筋錨固長度。因此，用于連接預制橋墩試樣進行試驗的金屬波紋管的設計長度為540 mm，內徑45 mm，外徑47 mm，壁厚為0.6 mm。縱向鋼筋深入金屬波紋管540 mm。頂部加載端尺寸530 mm×700 mm×700 mm，承臺尺寸1300 mm×800 mm×740 mm，墩頂距加載中心250 mm。柱體、承臺和加載端用C40混凝土，保護層厚度20 mm。BBPC-1～BBPC-8試件用10根直徑18 mm的HRB400熱軋帶肋鋼筋作為縱筋，配筋率1.50%；箍筋選取直徑8 mm的HPB235光圓鋼筋，箍筋間距100 mm，0.93%的配箍率；加密區墩柱底端的箍筋的高度500 mm，箍筋間距50 mm，1.80%的配箍率，主要構件設計見圖1-4。

圖1 BBPC-1和BBPC-2試件構造圖Fig.1 SpecimenBBPC-1 and BBPC-2

圖3 截面配筋圖Fig.3 Section reinforcement diagram

圖4 承臺構造圖Fig.4 Cap structure diagram

1.2 材料性能

試件采用商品混凝土，強度等級為C40。縱向鋼筋由直徑為18 mm的HRB400熱軋鋼筋組成。箍筋由直徑為8 mm的HPB235普通鋼筋組成。鋼筋力學性能按GB/T 228-2002中的有關規定進行測定。表2展示結果。

表2 鋼筋材料性能表Table 2 Reinforced material performance tables

灌漿料采用超高性能混凝土，配合比見表3，其中體積比指定為鋼纖維，質量比計算將水泥質量定義為1，最大粒徑的細砂不超過0.63毫米，按《預制拼裝橋墩技術規程》，采用28天的抗壓強度。

表3 UHPC配合比Table 3 Proportion of UHPC

1.3 試驗方案

水平往復加載裝置用1臺MTS244.31型和1臺MTS244.41型機器，能提供的最大荷載分別為250 kN和500 kN，現場圖5。對BBPC-1和BBPC-3試件沿試件強軸（X方向）單向加載。根據鋼筋是否屈服應變來區分彈性階段和彈塑性階段；試件達到破壞的判定標準通常為水平承載力下降到其極限的85%。彈性階段，第一級加載1 mm，以后每級遞加2 mm，每級1次循環加載；當鋼筋屈服應變以后，10 mm遞增加載，每級3次加載循環，加載到試件破壞。對于BBPC-2和BBPC-4～BBPC-8六個試件進行雙向加載，用正方形加載制度，見圖6。X（東西向）和Y（南北向）雙向非同步加載，位移幅值比1：1，每個方向的加載過程與單向加載制度相同。

圖5 加載裝置現場布置照片Fig.5 Loading device site layout photos

圖6 矩形加載制度Fig.6 Rectangular loading system

1.4 試驗結果分析

因裝配式墩構件構造相同，試驗現象較為類似，主要為墩底部混凝土開裂，鋼筋屈服，墩身裂縫增多，墩底主裂縫開始斜向開展，混凝土開始壓潰和脫落。接縫有張開閉合現象，混凝土保護層被壓碎掉落，露出箍筋，主筋在四個墩角處會露出并屈曲，沿水平承載力下降很快。表4為BBPC-2試件加載和損傷過程。

表4 試件BBPC-2試驗過程構件特征Table 4 Component Characteristics of Specimen BBPC-2 Test Process

從結果看：試驗試件均為彎曲破壞，以試件BBPC-1～BBPC-6的最終破壞為例，如圖7所示。

圖7 墩柱最終破壞Fig.7 Final failure of the pier

2 試驗結果分析

2.1 滯回曲線與耗能分析

試件滯回曲線如圖8所示，比較圖8（a）和圖8（c），峰值荷載下試件承受的最大載荷值BBPC-1與BBPC-3試件相近。通過圖8（b）和圖8（d）比較，相較于試件BBPC-4，試件BBPC-2的滯回環都更飽滿，極限承載能力更高，擁有更強的滯回耗能能力。

圖8 各個試件的荷載-位移滯回曲線Fig.8 Load-displacement hysteresis curve of each specimen

單雙向加載現澆墩和裝配式墩的累計滯回耗能見圖9。灌漿波紋管連接裝配式墩與現澆墩的耗能較為接近，如單向加載試件BBPC-1和BBPC-3以及雙向加載試件BBPC-2和BBPC-4。雙向加載造成構件損傷加大，引起相應的耗能大于單向加載，如單向加載整體現澆試件BBPC-1耗能能力遠低于雙向加載的BBPC-2試件。比較BBPC-4、BBPC-5和BBPC-6試件，裝配式墩的總體耗能隨軸壓比變大而變大，見圖10。加載和位移等級一樣，試件長細比越大滯回耗能越小，影響規律與現澆墩一樣。

圖9 BBPC-1～BBPC-4試件的滯回耗能曲線對比Fig.9 Comparison of hysteretic energy dissipation curves of BBPC-1～BBPC-4 specimens

圖10 不同軸壓比試件的滯回耗能曲線對比Fig.10 Comparison of hysteresis energy consumption curves of specimens with different axial pressure ratios

2.2 骨架曲線

圖11-12是每個試件的骨架曲線對比圖。在加載方式相同的情況下，現澆墩和裝配墩的骨架曲線形狀基本接近，后期裝配式墩剛度下降更快。比較BBPC-2和BBPC-4（X向），看出雙向荷載耦合作用會導致承載能力下降，BBPC-4（X向）荷載小于BBPC-3。裝配式墩軸壓比和長細比對承載力和剛度的影響與現澆墩基本接近，隨增壓比增大而增大，隨長細比增大而減小。

圖11 各試件的荷載-位移骨架曲線對比Fig.11 Comparison of load-displacement skeleton curves of each specimen

圖12 不同軸壓比試件的荷載-位移骨架曲線對比Fig.12 Comparison of load-displacement skeleton curves of specimens with different axial compression ratios

3 不同設計參數對滯回特性的影響

3.1 滯回曲線對比

使用OpenSees軟件，用Truss單元模擬鋼筋，用disp-Beam-Column單元模擬橋墩，混凝土結構用修正的Kent-Park模型。改進的Menegotto-Pinto模型（Steel02）適用于普通鋼筋，接縫單元用零長度單元，使用不考慮受拉的EPP（Elastic-PerfectlyPlastic）材料模擬，EPP材料是理想的彈塑性材料。圖13為有限元模擬和試驗所得每個試件X，Y方向的滯回曲線，以BBPC-2試件為例，看出兩者差別不大，計算模型具有較高的精度。以下對灌漿波紋管裝配式橋墩研究。

圖13 BBPC-2擬靜力試驗結果和有限元模擬對比圖Fig.13 Comparison of BBPC-2 quasi-static test results and finite element simulation

3.2 軸壓比的影響

模型試件名字命名為BBPC-5、BBPC-6和BBPC-9，軸壓比分設為5%、10%和20%，見圖14。滯回曲線飽滿度和荷載峰值跟軸壓比成線性關系，極限荷載急劇下降，軸壓比10%的試件滯回耗能后期顯著增加。

圖14 BBPC-5、BBPC-6和BBPC-9試件的滯回曲線對比Fig.14 Hysteresis curve of the BBPC-5、BBPC-6 and BBPC-9 specimens

3.3 長細比的影響

模型試件名字命名為BBPC-8、BBPC-10和BBPC-11，長細比分設為10、11.47和12.94，見圖15。峰值抗力、極限承載能力和滯回曲線飽滿程度隨長細比減小而增大，滯回耗能變小。

圖15 BBPC-8、BBPC-10和BBPC-11試件的滯回曲線對比Fig.15 Hysteresis curve of the BBPC-8、BBPC-10 and BBPC-11 specimens

3.4 耗能鋼筋配筋率的影響

模型試件名字命名為BBPC-4、BBPC-12和BBPC-13，耗能鋼筋的配筋率分設為0%、0.18%和0.36%，見圖16。由圖可知：峰值抗力、滯回曲線、極限承載能力和滯回耗能隨耗能鋼筋配筋率變大而增大。

圖16 BBPC-4、BBPC-12和BBPC-13試件的滯回曲線對比Fig.16 Hysteresis curve of the BBPC-4、BBPC-12 and BBPC-13 specimens

3.5 縱筋配筋率的影響

模型試件名字命名為BBPC-14、BBPC-15和BBPC-4，縱筋配筋率分設為0.9%、1.18%和1.50%，見圖17。極限承載能力、滯回曲線飽滿和峰值抗力都隨著縱筋配筋率的增大而增大，滯回耗能前期相近后期增大。

圖17 BBPC-14、BBPC-15和BBPC-4試件的滯回曲線對比Fig.17 Hysteresis curve of the BBPC-14、BBPC-15 and BBPC-4 specimens

3.6 混凝土強度的影響

模型試件名字命名為BBPC-16、BBPC-4和BBPC-17，混凝土強度率分設為C30、C40、C50見圖18。由圖可知：極限承載能力，滯回曲線飽滿和峰值抗力都隨著混凝土強度的增大而增大，滯回耗能基本不受影響。

圖18 BBPC-16、BBPC-4和BBPC-17試件的滯回曲線對比Fig.18 Hysteresis curve of the BBPC-16、BBPC-4 and BBPC-17 specimens

4 考慮雙向地震作用性能指標

4.1 性能水準劃分

性能水準因結構構件和非結構構件等因素劃分，東南大學陳家勇［11］根據其結構破壞特點對預制裝配橋墩體系進行了三水準劃分。性能水準分四級：輕微損傷（I）、中等破壞（II）、嚴重破壞（III）和倒塌（IV）。

4.2 性能指標量化

量化指標方面，劉艷輝［12］提出混凝土和鋼筋不同性能水準時，得到位移和材料應變值的關系；美國和日本等國家用變形容許位移角定量描述了橋梁各性能水平［13］；孫穎等［14］選用墩頂漂移率作為量化指標；PARK等［15］提出性能指標D；陸本燕等［16］綜合混凝土橋墩的破壞特性，分性能水平為“五檔”，最后建立了對應其“五檔”性能水平的量化指標；根據有限元分析模型和雙向擬靜力試驗，討論并計算性能指標量化方法。

為使性能水平相對應其損傷程度的劃分，表5用4個等級區分損傷指標D的破壞狀態。

表5 損傷指數D與破壞等級的關系Table 5 Damage index D relationship with the damage level

根據損傷評價的指標D的計算公式：

根據滯回性能在雙向擬靜力荷載作用下的特點，得出損傷評價指標D的計算公式：

由計算公式（2），圖19損傷指標D對應不同損傷狀態，損傷指標D四個等級范圍0.04～0.12、0.12～0.34、0.46～0.92和1.28～1.96，Park-Ang指標限值和實測結果一致。所以，裝配式橋墩抗震性能評價指標可以采用所提出的損傷指標D。

圖19 損傷指標值Fig.19 Damage index

4.3 基于易損性的裝配式橋墩地震損傷評估

4.3.1 易損性定義

結構的易損性是指結構在確定的地震強度作用下，超越各種破壞極限狀態的條件概率，計算式為：

式中：結構抗震需求Dd；Dc代表結構的抗力；IM意味地震動參數意味結構地震需求對數標準差意味結構抗力對數標準差。地震動參數指標是SA時作為地震動參數指標時

Dd與IM的聯系：

得到：

則式（3）可以表示為：

式中：a、b、A和B都代表回歸系數。

4.3.2 概率地震需求分析

建立D與地震動參數PGA之間的概率關系。橋墩是橋梁中的重要部位，所以在分析橋梁的易損性時常看墩柱的易損性。

以卓越周期的不同，用5條地震動記錄：Landers波、El Centro波、晉江波、Kobe波和Cerro Prieto波。地震動峰值加速度（PGA）作為地震動參數，對每條地震動統一調幅為10個等級，從0.1g至1.0 g。

根據概率需求原理，當結構受到地震作用時線性回歸分析變量為地震波的PGA的結構的損傷值，橫縱橋向回歸結果。

（1）橫橋向的回歸方程為：

其中相關系數R2=0.637 1

（2）縱橋向的回歸方程為：

其中相關系數R2=0.763。

4.3.3 易損性分析

對數正態分布Dd和Dc，分別把式（7）和式（8）兩式代入式（3），計算得橫縱橋向橋梁墩柱的失效概率。

橫橋向：

縱橋向：

將每種情況的地震動強度（PGA）和結構抗震能力的中位值Dc代入表達式（9）和式（10），得出每種情況下的超越概率，因此繪出圖20。性能水準Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ表示輕微損傷、中等破壞、嚴重破壞和倒塌。可以看出：（1）PGA一樣時，不同損傷狀態下橫橋向超越概率比縱橋向低；（2）開始階段PGA比較小的時候，Ⅲ和Ⅳ曲線平緩，但是Ⅰ和Ⅱ曲線比較陡；PGA中間的時侯，Ⅳ曲線到Ⅰ曲線，開始慢慢變陡；后面PGA比較大時，曲線又開始變于平坦；（3）在確定的一定的地震作用下，橋墩出現的每種破壞狀態發生的概率可以通過易損性曲線來計算得出。

圖2 BBPC-3和BBPC-4試件構造圖Fig.2 Specimen BBPC-3andBBPC-4

圖20 易損性曲線Fig.20 Vulnerability curve

5 結語

（1）進行了整體現澆墩和灌漿波紋管連接裝配式橋墩的雙向擬靜力試驗，得到了橋墩在整體現澆和節段拼裝、雙向矩形和單向加載制度下的抗震性能，長細比和軸壓比這些設計參數對于變形和耗能特性的影響。發現灌漿波紋管連接裝配式墩在雙向荷載作用下其變形和耗能能力較好，但雙向加載造成構件損傷加大。

（2）根據有限元建模軟件OpenSees，橋墩試件的雙向擬靜力試驗用纖維梁單元模擬，抗震性能受不同設計參數的影響。其中：長細比和軸壓比影響與現澆墩基本接近，縱筋配筋率對抗震影響加大，而混凝土強度的影響較小。

（3）根據試驗和有限元計算，確定灌漿波紋管裝配式橋墩結構的性能指標和性能水準及地震損傷的量化指標。經過比照，損傷指標限值和Park-Ang性能指標限值基本一樣。

（4）通過可靠度概率方法繪制易損性曲線，從而可得橋墩在所給的地震作用條件下各個破壞狀態發生的概率，實現了雙向荷載作用下灌漿波紋管裝配式墩的地震損傷評價。