預制拼裝橋梁套筒連接的橋墩抗震性能分析

王乃江

(江蘇宿遷交通工程建設有限公司,江蘇 宿遷 223800)

0 引 言

預制拼裝技術因具有較高的施工便利性和較小的污染,在眾多橋梁建設工程中得到廣泛應用。鋼筋套筒連接技術是應用到預制拼裝中的一項構件對接技術,因該區域的后澆混凝土與預制件并非一體澆筑成型,所以在受到外力干擾后容易出現損壞,進而影響橋墩的整體應力結構穩定性。對此,為進一步探究預制拼裝橋梁套筒連接的橋墩抗震性能,將以高速公路橋梁工程為例,通過構建等比例模型的方式建立試驗用試件橋梁,對其抗震應力情況進行研究,以期為相關人員或單位提供參考。

1 灌漿套筒施工橋墩的受力機理

灌漿套筒橋墩受到地震荷載應力的作用,橋墩底部最容易出現結構上的損壞,并且還會出現一定程度的塑性形變[1]。預制拼裝橋墩的極限位移“Δu”可分為兩大部分,即由材料塑性變形而引起的塑性位移“Δp”和橋墩自身彈性變形而產生的屈服位移“Δy”。

對單柱橋梁的受力彎曲進行分析,需針對墩頂結構的位移與橋墩的曲率變化間的關聯關系“Δ”進行分析,即

Δ=?φ(x)dxdx

(1)

式中:x表示橋梁應力的水平方向位移。

當上述情況的墩底截面處于屈服狀態階段,可認為墩身曲率為沿橋墩傾斜變化的線性分布,如圖1(a)所示。借助曲率積分可將其墩頂的屈服位移表示為:

圖1 橋墩曲率分布圖

(2)

式中:φy表示屈服曲率,m-1;L表示橋墩高度,m。

當墩底截面曲率處于臨界點時,橋墩曲率變化沿橋墩高度變化的曲線如圖1(b)所示。圖φp表示截面;φy表示屈服曲率;φu表示極限位移曲率;Lp為塑性曲率。

為方便分析,需要融合“等效塑性鉸長度”的概念。此時橋墩墩頂的塑性位移為

Δp=(φu-φy)Lp(L-0.5Lp)

(3)

式中:φu表示極限應力狀態下的曲率,m-1;Lp表示一體式現澆橋墩的塑性鉸長度,m。

當橋墩整體應力處于極限狀態時,其橋梁墩頂的極限位移可表示為

Δu=Δy+Δp

(4)

橋梁預制拼裝橋墩采用灌漿套筒連接,將套筒提前安裝在橋墩底部,實現墩柱與承臺的緊密連接。這種方式下,套筒通常緊貼橋墩底部,為結構提供特殊幾何配置。當橋墩受應力時,套筒區域主要承受彎曲力,但由于套筒剛度較大,橋墩內通常不發生屈服,非彈性變形主要發生在套筒覆蓋面以外。與傳統橋墩相比,預制拼裝橋墩的曲率分布更為復雜,特別是當鋼護筒底部與承臺接縫距離較小時,橋墩曲率顯著增加,圖2所示。這是因為接縫距離小導致受力更集中,橋墩在該區域變形更為顯著。

圖2 灌漿套筒橋墩曲率分布

結合《AASHTO預制拼裝結構設計和施工規范》對套筒橋墩的等效塑性鉸區域長度進行修正[2],并計算出極限位移,其表達式為

(5)

式中:β為連接段部位的剛性長度因子,通常取0.75。Lsp為套筒的長度;Hsp為承臺與套筒底端的垂直距離。

由公式(5)得出的數據可知,對于初始狀態下所設定的套筒長度,其灌漿套筒橋墩在應力狀態下的等效塑性鉸長度將隨著接縫高度的增大而不斷增加。

以上述變化規律分析明確等效塑性鉸長度后,墩頂的極限位移可按照下式進行計算,即

(6)

2 試驗驗證

2.1 試驗設計和制作

為對上述分析的科學性與準確性進行驗證,以預制拼裝橋梁工程的橋墩實際參數構建等比例縮小的橋墩以及灌漿套筒的橋墩試件。

2.2 試驗加載裝置及加載模式

利用兩個豎向放置的作動器作為試件施加豎向荷載,使用一個水平放置的作動器作為試件水平方向的荷載應力來源,水平方向施加應力時應當注意先進行力的控制,后進行位移控制的整體施加力方法[3]。在力控制環節,因需要精準采集試件主筋和主體結構的屈服情況,其水平力增加應當以50 kN為一個單位不斷增加,直至橋墩墩底的主筋接近于極限屈服狀態。在此控制完成之后轉為位移環節控制,橋墩墩頂的位移應當由20 mm開始,以10 mm為間隔不斷增加至60 mm,達到60 mm后需要設定每個荷載等級的位移加載幅度增加為30 mm,不斷增加至橋墩出現損壞,在加載過程中對破壞現象進行觀察與記錄。

3 試驗結果和分析

3.1 試驗結果分析

通過對試件的結構應力與位移滯回曲線的分析,可直接看出所建模型在施加應力條件下的基本抗震性能,通過對試驗過程中位移、延性變形以及滯回耗能等參數進行記錄,結合滯回環形態能夠得出試件在地震狀態下的破壞機制[4],試驗試件的水平力與位移滯回曲線變化如圖3所示。

圖3 試件水平力-位移滯回曲線

由圖3可知,位移加載應力達到210 mm時,試驗試件正反方向的位移穩定在150 mm左右。然而,滯回曲線顯示明顯的下降趨勢,在水平應力加載中,對面方向墩底接縫位置鋼筋發生斷裂,直接影響了橋墩的整體性能。試驗中,橋墩的承載能力迅速下降,可能與對面方向墩底接縫處鋼筋斷裂有關,導致結構嚴重破壞,試件骨架變化曲線如圖4所示。

圖4 試件骨架曲線

根據圖4數據,試驗試件在位移達到±90 mm時出明顯的屈服點和強度下降情況,此時試件承受了219 kN的應力。然而,位移加載達到最后一級時,試件的位移下降到150 mm,此時試件的鋼筋斷裂,導致其承載力下降,對該狀態下的水平加載力進行觀察得出其應力為160 kN,約為該試件最大加載力的73%。

3.2 拼接縫變形

在受震作用下橋墩的拼接縫形變是評估結構狀況的關鍵指標,特別是對底部與承臺連接處的應力開口情況的關注。試驗觀察表明,預制墩底拼接縫的應力壓縮變形達到了6 mm,相較之下,現澆墩底連接位置的變形相對較小。主要差異在于預制墩柱與承臺之間存在一層10 mm厚的坐漿層,隨著抗震試驗的進行,觀察到灌漿料擠出形成較大縫隙,導致預制墩底拼接位置在應力損傷后有更大的壓縮變形空間。

除拼接縫形變外,預制與現澆橋墩墩底開口形變相似,主要受到墩柱內部鋼筋變形和鋼筋與混凝土滑移的影響。在灌漿套筒使用過程中,灌漿料存在一定滑移,但通過最小錨固長度的控制可以解決該問題。因此,兩種組合方法的開口問題可追溯到相同因素,導致全部應力階段開口程度基本相似。此外,現澆橋墩一次性澆筑,無施工縫,在水平力作用下,可以將墩底水平滑移看作為零。

3.3 實例對比分析

為對試驗得到的數據進行科學性驗證,以迎賓大道二期快速化改造工程項目為例進行對比分析。對比以案例工程中套筒直徑為66、77和95mm,且對應主筋直徑分別為20、32和40 mm的橋墩試件為例,由上述方法得到試驗數據,并將試驗方法與案例工程得到的預制拼裝橋墩的極限位移數據列入表1。

表1 所提方法與案例工程橋墩極限位移實際數據的對比 單位:mm

由表1可知,試驗方法與案例工程所提方法的差值均能維持在±0.003 m以內,證明所提方法得到的極限位移數據與實際情況大致相符。試驗方法得到的曲率數據與案例數據對比如表2所示。

表2 所提方法與案例工程的橋墩曲率對比 單位:mm

由表2可知,三種不同長度套筒橋墩曲率的試驗方法與案例數據的差值均小于0.004 mm,證明試驗得到的橋墩曲率數據與實際案例情況大致相符。

4 結 語

綜上所述,針對預制拼裝橋梁套筒連接的橋墩抗震性能進行研究,通過對橋墩的應力分析得出橋墩體的受震易損點,并對墩頂位移和應力應變曲線進行分析,得出在不同應力條件下預制拼裝橋梁套筒連接橋墩的應力與形變關系,通過上述分析得到套筒連接預制拼裝橋墩的抗震性能參數。由對比結果可證明,所提計算分析方法與案例工程數據大致相似,證明所提方法能夠為案例工程類似項目或研究提供參考。