灌漿套筒連接的節段預制橋墩抗推滯回性能參數分析

周芝林 張樂 張勇 胡俊

1.珠海香海大橋有限公司， 廣東 珠海 519000； 2.重慶交通大學 土木工程學院， 重慶 400074；3.中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所， 北京 100081

對于節段拼裝的裝配式橋墩而言，各預制構件連接的可靠性是影響整體性能的主要因素［1］。灌漿套筒連接是預制墩柱拼接的主要方式，通過在承臺、墩身及蓋梁中預埋鋼套筒，預制構件吊裝就位后將構件鋼筋與套筒對插，然后灌注高強砂漿將預制構件連成整體。灌漿套筒性能可靠、施工便捷、施工要求較低，在國內外預制拼裝橋墩中已有較多應用。

接縫連接墩柱的抗震性能是限制預制拼裝橋墩進一步發展及應用的主要因素［2-4］。賈俊峰等［5］研究了灌漿波紋管預制拼裝RC 墩柱抗震性能，結果表明基于灌漿波紋管錨固連接技術可應用于強震區預制墩柱與承臺的拼裝連接。布占宇等［6］研究了軸壓比、預應力度、預應力筋配筋率對橋墩抗震性能的影響，結果表明：軸壓比為20% ～ 30%時，橋墩具有較高的水平承載力；隨著預應力度的提高，橋墩屈服強度也提高；預應力筋配筋率為0.2% ～ 0.5%時，橋墩具有較高的水平承載力和耗能能力。Yang 等［7］基于OpenSees 有限元分析軟件建立了整體現澆墩、套筒連接裝配式墩和預應力套筒連接裝配式墩連續梁橋的數值模型，以墩頂位移、自恢復能力和滯回耗能為指標，對比分析了三種類型橋梁的抗震性能，結果表明預應力套筒連接裝配式墩連續梁橋的整體抗震性能好，殘余位移小，具有一定的自復位能力；套筒連接裝配式墩連續梁橋與整體現澆墩連續梁橋的整體抗震性能相近。Ameli等［8-9］為研究套筒設置在墩臺不同位置的力學性能，進行了灌漿套筒連接預制橋墩的擬靜力試驗，結果表明灌漿套筒設置于預制墩身內出現的裂縫相對較少，套筒連接預制橋墩抵抗變形的能力比現澆橋墩稍低。魏紅一等［10］通過改變預制墩柱套筒預埋位置來研究其抗震性能，結果表明灌漿套筒連接預制拼裝橋墩受灌漿套筒預埋位置的影響較小。葛繼平等［11］研究了軌道交通預制橋墩在預應力筋與灌漿套筒共同作用下的抗震性能，結果表明預制橋墩的抗震性能在無黏結預應力筋與灌漿套筒的共同作用下有所提高，達到了規范要求。

套筒連接是否可靠對下部預制拼裝結構的抗推性能有很大影響。本文以灌漿套筒內連接鋼筋直徑、節段劃分數量、灌漿套筒長度、配筋率為變量，設計不同參數的灌漿套筒連接節段預制橋墩，建立多組實體單元有限元模型，對比分析灌漿套筒連接的不同參數對預制橋墩滯回性能及力學性能指標的影響規律。

1 有限元模型建立與驗證

根據橋墩模型的具體尺寸，建立實體單元的墩身模型，墩身與承臺固結，墩底的套筒樣固結在底部。混凝土、鋼筋的材料屬性和本構關系按照非線性模型分段輸入，普通鋼筋采用約束形式內置在混凝土中。

1.1 灌漿套筒模擬方法

普通鋼筋采用桁架單元的形式內置于混凝土中，灌漿套筒模擬方法很多，可以采用鋼筋桁架單元等效、殼單元、實體單元。對比發現殼單元建立的套筒模型單元數量多、計算量大且容易出現計算不收斂的問題，實體單元建立套筒形式與實際受力情況有較大差別，所以本文采用等效鋼筋的方法模擬鋼套筒模型。通過設置與鋼套筒剛度等效的鋼筋來代替鋼套筒的受力，在等效鋼筋上設置約束條件模擬鋼套筒與縱筋的連接。此外，實際工程中混凝土與鋼筋之間會產生滑移現象，而ABAQUS 有限元軟件模擬該現象較難，所以在建立鋼筋應力應變關系參數時，利用鋼筋應力-應變關系滯回模型間接模擬鋼筋產生的滑移［12］。通過將鋼筋構件內置于混凝土橋墩中，在橋墩拼裝處安置鋼套筒模型，將墩底固結于地面，完成灌漿套筒連接的節段預制橋墩有限元模型建立。

1.2 加載與求解

在墩頂中心建立參考點與墩頂面耦合，使得墩頂面位移與該點位移保持一致，在參考點施加向下的橋梁上部結構重量和橫橋向的水平位移。劃分荷載步對模型進行水平往復加載，有限元加載方式見圖1。定義分析步后進行場變量輸出和歷程變量輸出，求解不同荷載步下的響應。在后處理部分選擇歷程輸出的數據可以得到滯回曲線。

圖1 有限元加載方式

為驗證上述數值模擬方法的準確性，通過有限元軟件ABAQUS 對文獻［10］的灌漿套筒墩柱試驗（3 號試件）進行分析驗證。橋墩損傷云圖見圖2。可見墩底接縫處的混凝土損傷較為嚴重。文獻［10］試驗中墩底灌漿套筒連接的接縫全部貫穿，連接鋼筋部分屈服，柱腳混凝土被壓碎。試件和有限元模型在橋墩底部均出現開裂，并一直向上部延伸，具有相同的規律，驗證了本文數值模擬方法的準確性。

圖2 橋墩損傷云圖

在擬靜力往復加載試驗中滯回曲線可以最大程度地反映試件的抗推力性能。通過分析處理每個加載步驟下的位移-荷載數據，得到有限元模型的滯回曲線，并與試驗結果進行對比，見圖3。

圖3 滯回曲線對比

由圖3 可知，兩種滯回曲線在位移為±150、±100、±50 mm 處分別相差5、2、2 kN，位移為0時水平力幾乎相同。說明當位移較小時，位移和荷載之間呈線性關系，處于彈性受力狀態，滯回環路徑的模擬結果與試驗結果基本重合；荷載進一步增大，材料進入非線性屈服階段，滯回環面積繼續增大；受混凝土下降段的影響，荷載不斷減小，殘余位移不斷增大。綜合來看，有限元模擬灌漿套筒連接的預制拼裝橋墩基本能實現對擬靜力試驗的模擬，驗證了數值模擬的準確性。

2 模型參數設計及參數分析

以某城市快速路2#標段為對象，建立不同類型灌漿套筒連接預制拼裝橋墩的有限元模型，研究不同參數對橋墩抗推性能的影響。橋墩截面尺寸如圖4 所示。橋墩鋼筋全部使用直徑為32 mm 的HRB400 鋼筋，縱筋配筋率為3.98%。箍筋和拉筋的直徑分別為16、12 mm，箍筋體積配筋率為0.5%。

圖4 橋墩構造（單位：mm）

結合現場實際情況，將預制節段三等分，每段長300 cm，混凝土采用C40，普通鋼筋采用HRB400，建立標準構件D1，見圖5（a）。縱筋直徑為32 mm，灌漿套筒直徑60 mm，長500 mm，壁厚5 mm，套筒模型用等效面積后的鋼筋代替。為防止套筒外鋼筋過早破壞，灌漿套筒的長度須大于臨界長度13d（d為鋼筋直徑）。各連接處套筒沿著橫橋向每隔50 cm 布置1 個，共布置5 個；沿著縱橋向每隔50 cm 布置1 個，共布置5個，見圖5（b）。

圖5 構造布置（單位：mm）

2.1 參數設計

以灌漿套筒連接的節段預制橋墩（D1）為標準試件，通過改變連接鋼筋直徑、節段劃分數量、灌漿套筒長度、配筋率等參數設計不同的拼裝橋墩試件（D1Z、D1S、D1C、D1G），研究灌漿套筒連接節段預制橋墩滯回曲線、耗能能力等受各參數的影響。試件編號分為D1Z32（標準試件）、D1Z18、D1Z22、D1Z28，代表連接鋼筋直徑32、18、22、28 mm；試件編號分為D1S3（標準試件）、D1S1、D1S2、D1S4，代表節段劃分數量3 段、1段、2 段、4 段；試件編號分為D1C5（標準試件）、D1C3、D1C4、D1C6，代表灌漿套筒長度500、300、400、600 mm；試件編號分為D1G4（標準試件）、D1G5、D1G6、D1G7，代表箍筋配筋率0.4%、0.5%、0.6%、0.7%。

對各組有限元模型進行水平加載時，橋墩橫橋向頂部采取往復推覆加載的形式，貫穿全過程。通過控制位移來加載水平荷載，在往復加載過程中，位移幅值取 ±0.5、±1、±2、±4、±6、±10、±14 cm，達到 ±14 cm之后增幅取4 cm，增至30 cm 后增幅回歸到1 cm。水平加載方式見圖6。

圖6 橋墩水平加載方式

2.2 參數分析

2.2.1 鋼筋直徑

連接鋼筋是伸入灌漿套筒內使各節段連接成為整體的豎向鋼筋。理論上預制橋墩的連接性能與連接鋼筋直徑成正比，但鋼筋數量增多會增加施工難度。將連接鋼筋直徑作為變量，試件D1Z18、D1Z22、D1Z28、D1Z32 為灌漿套筒連接的3 節段預制拼裝橋墩。在墩頂施加往復位移可以得到橋墩的骨架曲線，見圖7。

圖7 不同鋼筋直徑下橋墩骨架曲線

由圖7 可知，在加載初期，4 個試件的骨架曲線基本重合，鋼筋直徑越大，試件的初始剛度越大，橋墩抗推性能越好，在設計施工時增大套筒內縱向鋼筋的直徑可增大橋墩的抗推性能。

不同鋼筋直徑下試件耗能能力、殘余位移分別見圖8、圖9。

圖8 不同鋼筋直徑下耗能能力

圖9 不同鋼筋直徑下殘余位移

由圖8 可知，橋墩耗能能力隨鋼筋直徑的增加而增大，即連接鋼筋直徑越大，截面配筋率越大，結構出現損傷所需要的能量也越大，結構剛度和抗推性能隨之增加，其抗推性能足夠約束接縫免遭過早破壞，節段預制橋墩的抗推性能隨著骨架鋼筋直徑的增大有明顯提升，但是在實際工程中還要考慮鋼筋最大配筋率的問題，如果配筋率過大會發生超筋破壞。總體來說，在滿足鋼筋最大配筋率要求的前提下，節段預制橋墩的抗推性能隨主筋直徑的增大有明顯提升。

由圖9 可知：加載位移小于100 mm 時，橋墩處于彈性受力階段，無殘余位移；隨加載位移的增大，殘余位移呈線性增大趨勢，但連接鋼筋直徑的變化與殘余位移大小基本不相關。

2.2.2 節段劃分數量

根據現場吊裝和運輸情況，需要對灌漿套筒連接節段預制橋墩進行節段劃分。將預制橋墩劃分4 段，每個節段長度等分，在墩頂通過施加往復位移，可以得到各橋墩的骨架曲線、殘余位移、耗能能力。

根據有限元分析結果可知，構件骨架曲線受節段數量的影響較小。節段橋墩主要的破壞位置在墩底，這是由于各節段間接縫連接性能均較好。試件的殘余位移隨著節段數量的增加幾乎沒有變化。不同節段下耗能能力見圖10。可知，在橋梁節段拼裝連接情況良好的情況下，試件的耗能能力會隨著節段數量的增加而增大，但增長幅度很小。

圖10 不同節段下耗能能力

2.2.3 套筒長度

套筒在約束預制節段的連接鋼筋中發揮著十分重要的作用，理論上預制橋墩的連接性能隨著鋼套筒長度增大而增強，但鋼筋數量越多，套筒造價越高。

將灌漿套筒長度作為變量，得到各橋墩的骨架曲線、殘余位移、耗能能力。通過有限元計算結果可知，不同套筒長度下構件的骨架曲線總體相近，套筒的長度對抗推性能幾乎沒有影響。對比分析不同套筒長度下橋墩殘余位移可知，在相同荷載作用下的殘余位移基本相同。不同套筒長度下耗能能力見圖11。可知，增大套筒長度能略微提高試件的耗能能力，但影響程度有限，在工程實際應用中能滿足套筒長度的最小設置長度即可。結合殘余位移可知，套筒長度的增加對殘余位移無影響，對耗能能力略有提升。

圖11 不同套筒長度下耗能能力

2.2.4 箍筋配筋率

箍筋是用來滿足斜截面抗剪強度，并聯結受力主筋和受壓區混筋骨架的鋼筋。理論上箍筋配筋率越高，結構的抗剪性能越好，相應的抗推性能也會有所增加，但箍筋較多會使結構發生脆性破壞。

將箍筋配筋率作為變量，在墩頂通過施加往復位移可以得到各橋墩的骨架曲線、殘余位移、耗能能力。根據有限元分析結果可知，4 個橋墩的骨架曲線的形狀基本一致，說明試件的抗推受力方式不受箍筋配筋率的影響。殘余位移隨著荷載的增大而增大，但不同配筋率下試件殘余位移基本沒有變化。耗能能力見圖12。可知：隨著位移的增大，耗能隨之增大，4 個試件的耗能能力在加載初期基本相同；加載后期，試件的配筋率對耗能能力的影響更加明顯，這是由于加載前期位移很小，結構處于線彈性階段，其耗能較低，當加載位移較大時，耗能能力隨配筋率的增大而增大；當配筋率達到0.5%以后，增大效果已不再明顯。結合殘余位移可知，橋墩的綜合抗推性能隨配筋率的增加而有所提高，但對殘余位移幾乎無影響。

圖12 不同配筋率下耗能能力

3 結論

1）各參數下橋墩的殘余位移在水平往復荷載作用下大致相近，說明橋墩的殘余位移受灌漿套筒長度、套筒節段、鋼筋直徑、橋墩配筋率的影響較小。

2）套筒內連接鋼筋直徑對橋墩的綜合抗推性能有較大影響，直徑過小會導致橋墩過早破壞，引起構件失效。在滿足鋼筋最大配筋率要求的前提下，應盡可能增大套筒內縱筋直徑。

3）節段劃分數量的改變對橋墩的殘余位移、骨架曲線幾乎沒有影響，橋墩的耗能能力隨著節段數量的增大而增大，但增幅較小。實際工程中可根據吊裝及運輸能力對節段進行劃分。

4）套筒長度對構件骨架曲線性能的影響較小，工程實際中能滿足套筒長度的最小設置長度即可。

5）橋墩綜合抗推性能隨配筋率的增加而有所提高，提高配筋率，更有利于抗震。