半现浇榫卯节段预制桥墩滞回性能研究

覃良晋， 高芳清， 孙春平， 王 吉

(1.西南交通大学力学与工程学院， 成都 610031；2.中铁二十三局集团建筑设计研究院有限公司， 成都 610031)

引 言

目前，装配式结构的使用已经成为工程建设领域的一种趋势，特别是高速铁路桥梁与城市高架桥梁的建设过程中应用尤为广泛，在工厂中预制好桥梁上部结构与下部结构构件再投入施工中，大大缩短了施工时间，减少了对环境以及城市交通的影响。在我国桥梁建设领域，桥梁上部结构的预制化程度要远大于其下部结构，随着近些年来装配式结构理念的普及，装配式桥墩中的一种——节段预制桥墩逐渐被应用于桥梁建设中，越来越多的学者也开始研究节段预制桥墩。

早期的节段预制桥墩构造十分简单，一般通过张拉无粘结预应力钢绞线与恒载对叠放的各个节段施加压力使其压实，各节段通过干接缝或湿接缝连接，节段中配有纵筋与箍筋[1]。国内的研究者中，张博弢[2]首先使用有限元软件对节段预制桥墩进行循环载荷下的抗震分析，得到结构的滞回曲线，还通过分析耗能钢筋的布置特点，研究了耗能钢筋对结构滞回性能的影响。葛继平[3]通过有限元方法分析预制拼装钢管约束混凝土桥墩在往复荷载作用下的力学反应，着重对干接缝区域进行研究，发现接缝处混凝土强度越大结构的极限承载力越强。蔡忠奎，朱钰等[4-6]发现在节段预制桥墩中加入榫卯接缝可以减少节段间的剪切错动，使其具有更好的整体性。国外研究中，Billington等[7]将桥墩嵌固深度增加以提升耗能能力，但残余应变也会相应增加。Wang J.C.[8]用高强螺栓将底部节段与基础锚固在一起，发现构件受力控制截面发生变化，桥墩的滞回耗能能力提高。

总的来说，节段预制桥墩优点为施工快速简单，在竖向恒载作用下与现浇桥墩(RC)的承载能力相当，在水平荷载特别是地震来袭的情况下，由于无粘结预应力钢绞线提供的回拉力，自复位性能较好，但由于主要变形形式为墩身绕基础的转动，造成墩底接缝之间的反复开合，其余接缝间均无开张闭合。这种特点导致在水平力作用下，墩底接缝受力较为集中，十分容易发生压碎破坏，不能承受较大水平载荷。由于墩底干接缝的存在，限制了墩底塑性铰的形成，导致滞回耗能能力较差。

本文采用半现浇方式[9]与榫卯结构组合的方式完善节段预制桥墩，该桥墩底部区域与承台基础一同浇筑，扩大了基础范围[10]，其余部分节段预制，采用无粘结预应力钢绞线贯穿各节段使之形成整体，节段间的榫卯结构减少了接缝的反复开合，使其在水平荷载下的变形及耗能特点与现浇桥墩更为接近。

1 数值模拟方案

采用ABAQUS软件研究组合结构桥墩的抗震性能，建立四个试件模型进行数值模拟分析，分别为传统节段预制装配式桥墩，墩底部分与基础承台一同浇筑的半现浇节段预制桥墩，增加了榫卯结构的半现浇节段预制桥墩，与在此基础上增加了耗能钢筋的桥墩，分别命名为Z1、Z2、Z3与Z4号模型，剪跨比均为4.0，分别对其进行单调推覆与拟静力水平往复加载数值模拟，拟静力加载常见于模拟地震时结构的往复振动，即在正反两个方向对结构重复加载和卸载。各模型的尺寸立面图与配筋图如图1和图2所示。

图1 Z1、Z2试件模型立面与配筋图(mm)

图2 Z3、Z4试件模型立面与配筋图(mm)

本次模拟选择采用C50混凝土材料，其立方体抗压强度为43.1 MPa，轴心抗拉强度为2.5 MPa，弹性模量取3×104MPa，泊松比0.2，采用C3D8R实体单元进行模拟。普通钢筋屈服强度为398.14 MPa，弹性模量为2×105MPa，泊松比0.3，采用T3D2桁架单元进行模拟，使用内置区域将钢筋嵌入混凝土中，如图3所示。各节段之间干接缝采用接触模拟，切向接触选用库伦摩擦模型，采用罚函数算法，摩擦系数设置为0.5，法向则采用硬接触模型算法[11]。

图3 混凝土与钢筋有限元模型

预应力钢绞线贯穿整个桥墩，采用两根1×4钢绞线，每根等效直径为15.2 mm，弹性模量为1.95×105MPa，泊松比0.3，抗拉强度标准值1860 MPa，采用B31梁单元进行模拟。运用降温施加预应力的方法，设置初始温度t0=0与降温值t。

(1)

钢绞线张拉预应力为：

F=σ·A

(2)

其中：σ为降温张拉预应力，α为钢绞线热膨胀系数，取α=1.2×10-5，E为弹性模量，A为横截面积，F为张拉预应力。预应力钢绞线降温收缩，张拉预应力为800 MPa。为避免钢垫板与混凝土之前绑定关系造成连接刚度过大，上下钢垫板分别与桥墩通过merge方式连接。

预应力钢绞线上、下部接头分别与钢垫板采用MPC(多点耦合约束)绑定方式连接，中间部分与混凝土无受力关系，不作处理。当桥墩受墩顶侧向力发生位移时，预应力钢绞线对变形的桥墩产生“回复力”将其拉回。预应力钢绞线与墩顶恒载共同为结构提供轴压比为0.2的轴向预应力[12-13]。

2 本构关系与混凝土损伤模型

在数值模拟中，普通钢筋采用双折线模型，如图4所示。混凝土采用规范[14]所提出的混凝土单轴应力-应变关系，其破坏主要由混凝土受压控制，受压应力-应变曲线如图5所示，其中：

当x≤1时，

y=αax+(3-2αa)x2+(αa-2)3

(3)

当x>1时，

(4)

图4 普通钢筋应力-应变曲线

图5 混凝土单轴受压应力-应变曲线

单轴受拉应力-应变关系为：

当x≤1时，

y=1.2x-0.2x6

(5)

当x>1时，

(6)

将混凝土塑性损伤模型(CDP)结合到上述应力-应变曲线中，模拟发现混凝土受力较大区域将首先出现损伤，损伤不断积累，导致原有应力-应变曲线不断变化[15]。混凝土损伤退化后的弹性模量E′可以用损伤因子d和初始弹性模量E0表示为：

E′=(1-d)E0

(7)

根据能量等效法，损伤因子的计算公式为：

(8)

3 结果分析

3.1 单调加载

首先对模型进行单调静力加载，确定试件的极限承载力与延性，也为往复加载提供依据。选取四种模型，施加相同轴压比的预应力，再在墩顶耦合节点处施加位移荷载，直至模型破坏，得出四种模型对应的荷载-位移曲线，如图6所示。根据图6，各模型极限承载力见表1。

结合图6中的荷载位移曲线与表1，可以发现四种桥墩的极限承载力变化规律：在使用墩底半现浇结构后，模型的极限承载力基本保持不变，在此基础上增加榫卯结构与耗能钢筋，结构的极限承载力显著提高。

图6 单调加载荷载-位移曲线

表1 各模型极限承载力

延性是结构设计中一个非常重要的指标，是结构抗震能力强弱的标志。用μm表示最大延性系数：

(9)

式中：Um和Uy分别为极限位移和屈服位移。一般以墩柱纵筋首次屈服时的水平位移作为屈服位移，但往往荷载-位移曲线中的非弹性部分转化不明显，故采用能量等值法确定屈服位移Uy，即作折线使之与荷载-位移曲线围成面积相同，从而确定屈服位移。用墩柱的侧向承载力下降到极限承载力85%时的水平位移作为极限位移，得到各模型的延性系数见表2。

表2 各模型延性系数

通常规范要求构件的延性系数，μ>3各模型均满足结构延性要求，组合半现浇结构的加入大幅提升了原有结构的延性。

3.2 往复加载

3.2.1 力学行为分析

对模型进行位移控制的水平往复加载，加载方式如图7所示。由前人的实验模拟分析结果可知，节段预制桥墩的变形主要由节段桥墩绕承台的刚体转动引起，节段与承台间的干接缝会在反复加载过程中表现出一张一合，而其他干接缝几乎不会产生开合。图8为四种模型达到极限承载力时底部的塑性应变分布图(缩放系数为3)。当混凝土的塑性应变大于材料的极限应变时，可以认为结构拉裂或者压碎。一般来说，混凝土材料的极限压应变为0.003，极限拉应变为其十分之一左右。

图7 往复加载曲线

从图8中可以看出，本次模拟的Z1模型(传统节段预制桥墩)在循环往复荷载下的受力变形符合以往的研究经验，即接缝处的反复开合，主要的破坏表现为墩底的压碎破坏。Z2模型的墩底处已经发生明显的受拉破坏，构件受力控制截面转变为现浇部分与节段之间的接缝，接缝之间仍有较大开合，压碎部分分布于节段中部，此时模型已经表现出一部分现浇桥墩底部弯曲破坏的特征。在Z3与Z4模型中，榫卯结构与耗能钢筋限制了桥墩变形时接缝的上下开合，使之整体性更强，此时墩底的纵筋屈服，破坏形式表现为墩底的弯曲破坏，有较强的耗能能力。

图8 各模型墩底变形与塑性应变分布

3.2.2 滞回性能

根据往复加载下的荷载-位移滞回曲线能够综合反映结构的抗震性能，可以看出各模型的滞回环大小、极限抗力、残余位移等参数均相差较大，如图9所示。比较可知，在使用半现浇墩底后，Z2模型的滞回性能相较于Z1模型有大幅提升。

图9 各模型滞回曲线

对每个模型每一级加载形成的滞回环进行积分求面积再进行累加，得出最终模型累积耗能值，如图10所示。根据图10结果，得到模型累积耗能值见表3。结合图10与表3，发现半现浇方式使结构的累积耗能值提升了1.2倍，加入榫卯结构与耗能钢筋后分别提升了4倍与6.5倍，远远超过了文献[16]中仅使用榫卯结构作为连接方式的0.2倍，采用上述组合结构的节段预制桥墩滞回耗能能力大幅提升。同时，在组合结构Z3中加入耗能钢筋对结构滞回性能的提升不如直接在Z1模型中加入耗能钢筋[16]明显。

图10 模型累积滞回耗能-位移曲线

表3 模型累积耗能值

4 结 论

(1)通过增加墩底塑性铰部分提升原有节段预制桥墩滞回性能为基础，建立了四种实体有限元模型，并在施加一定预应力情况下进行单调推覆模拟，计算出结构的屈服位移与极限位移，得出通过增加组合结构，原有桥墩的极限承载力与延性都所增强，为往复加载提供依据。

(2)通过水平往复加载过程中结构表现出的破坏形式与接缝的张合现象，表明该模型能正确反应出此种情况下节段预制桥墩的力学性能。研究了改进模型的塑性应变发展趋势，从其表现出的变形特点与破坏形式可以得出，在增加半现浇部分等组合结构后，模型的破坏由压碎破坏逐渐转化为弯曲破坏。通过比较累积耗能值定量分析，得到各模型在受水平往复荷载情况下结构耗能能力的强弱，发现改进模型能大幅提升传统节段预制桥墩的滞回性能。

(3)使用组合结构后桥墩滞回耗能能力大幅提升，但残余应变也会增大，需要在后续的研究中继续做出改进。