预应力连接型装配式混凝土桥墩受力性能研究

包龙生,赵春艳，张远宝,于玲*，包宇扬，赵泽政

(1.沈阳建筑大学 交通工程学院， 辽宁 沈阳 110168;2.辽宁省交通高等专科学校， 辽宁 沈阳 110000)

0 引言

自20世纪60年代起，我国便开启了桥梁预制化生产的道路并率先在铁路桥梁中开始了应用[1]。但是推进却不理想，据调查显示，截至2016年我国装配式桥梁数量所占比例不超过5 %，根据发展形势推测，十年后装配式桥梁产量也不会超过30 %。

近年来，装配式桥梁结构引起了国内外学者的关注，并在结构的力学性能、抗震性能方面进行了大量研究。PALERMO等[2]用在塑性铰区域设置耗能钢筋的方法得出了装配式桥墩在使用过程中比整体现浇桥墩抵抗破坏的能力更强的结论，实验结果还表明装配式桥墩震后几乎无整体残余变形。EINEA等[3]在预制盖梁-桥墩连接中采用大直径钢筋灌浆连接方法，实验结果表明，预制盖梁拼装桥墩和现浇桥墩破坏形式相同。2016年，黄宜[4]通过对单柱装配式桥墩进行静力试验得到，装配式桥墩与整体现浇桥墩的破坏形式大体相同，并且在相同的水平位移下累积耗能较好。宋年华[5]探究了墩底预埋橡胶垫的方法，得出波纹管预制桥墩的屈服位移较大，位移延性较低，锚固性能可靠等结论。ELSAYED等[6]采用单调荷载试验方法，探究不同连接形式下波纹管的力学性能，分析实验数据得出，金属波纹管连接的剪力墙结构性能优于采用扩展金属网形式的剪力墙。王骏楠[7]对内插钢管结构的装配式桥墩进行荷载试验，得出内插钢管结构可明显改善桥墩结构在水平荷载作用下的耗能能力。温旺周[8]得到无缝钢管钢筋对接接头的极限承载力和锚固段钢筋的平均黏结强度存在反比的关系。耿佳硕[9]通过对现浇湿接缝连接的装配式桥墩的研究,得出在预制桥墩中，增大纵向钢筋的配筋率是一种提高桥墩的水平承载能力、初始刚度及耗能能力的有效方法。

在实际工程中，桥墩较少采用单柱墩，这就导致以往对单柱桥墩的研究成果很难与实际工程对接。因此，本文设计了一组拟静力试验研究不同连接形式下的桥墩的抗震性能，实验对象是整体现浇桥墩和预应力连接型双柱装配式桥墩两种连接形式的桥墩结构。

1 试验设计

1.1 试件设计图

本次试验模型各尺寸如图1、图2所示。装配式桥墩在承台底部设置尺寸为375 mm×900 mm×200 mm凹槽，加载端尺寸为375 mm×475 mm×200 mm的凹槽，以便张拉预应力筋。

(a) 整体现浇模型构造及截面配筋图

(a) 预应力连接型式的装配式混凝土模型构造及截面配筋图

1.2 试验材料特性

根据相关规范规定[10-11]，现浇桥墩盖梁、桥墩和承台的抗压强度均值分别为52.1、42.8、33.4 MPa，装配式桥墩盖梁、桥墩和承台的抗压强度均值分别为53.1、42.5、32.6 MPa。

胶砂流动度为159 mm，1、3、28 d抗压强度分别为34.7、47.8、87.5 MPa，满足规范要求，材料性能达标，钢筋拉伸试验结果见表1。

对钢套筒进行单向拉伸试验，试验结果见表2，套筒荷载-位移曲线如图3所示。

表1 钢筋材料力学性能

表2 灌浆套筒拉伸承载力

图3 荷载-位移曲线

结合对套筒进行拉拔试验得到的测量数据以及图3可得，当套筒内钢筋被拉断发生破坏时，套筒与钢筋的极限承载力相近。随着荷载的增加，试件先达到屈服状态，并持续一段时间，后续荷载持续增加下，构件最终达到极限荷载状态并破坏。

1.3 预应力筋张拉

预应力连接型式的装配式混凝土桥墩直立状态进行制作。桥墩加载端与加载装置端的连接方式如下：预应力钢绞线通过桥墩构件中预留的PVC管道(A40)锚固在承台预留的贯通凹槽中，张拉端锚固点在盖梁上部构件方槽内。桥墩预应力张拉作业如图4所示。

1.4 试验装置及测量系统

本次拟静力试验[12-13]采用混合位移加载控制方式。在整个试验加载过程中，通过固定的千斤顶对盖梁施加恒定的竖向荷载270 kN；利用固定在反力墙上的MTS给试件顶部施加反复的侧向力，模拟地震发生时桥墩承受的上部结构传递过来的水平力。

水平加载过程中，采用等幅-变幅[14]控制位移加载速度。试验初始幅值设为1 mm ，按1 mm 递增，加载速度2 mm/min，采样频率0.5 s/次。在确定屈服位移后，位移加载幅值取屈服位移整数倍，即1△、2△、3△……加载速度5 mm/min，采样频率不变。实验过程中分级加载，每分级加载一次，试件做3次循环。当试件出现以下两种情况之一：纵向钢筋被拉断或试件承载力下降至试件最大承载力的85 %时[15]，实验结束。

在试验过程中，为保证试件底座在水平外力作用下保持稳定，使用10根地锚将试件与试验室固定。试验加载装置布置如图5所示。

图4 预应力筋张拉工作

图5 试验加载装置布置

2 试验现象描述

2.1 整体现浇桥墩破坏现象描述

滞回位移3 mm 时，桥墩墩身出现开裂现象。滞回位移9 mm 时，右侧墩柱底端钢筋达到屈服应变。滞回位移27 mm 时，现浇桥墩右侧墩上部出现碎角现象。滞回位移达到54 mm 时，现浇桥墩左墩柱出现砼大面积剥落、露筋现象。滞回位移达到72 mm 时，两墩柱两侧砼大面积破损。当滞回位移达到84.67 mm 时，试验结束。试验破坏现象如图6所示。

(a) 右柱北侧横向裂缝滞回位移13.5 mm

2.2 预应力连接型式的装配式混凝土试件破坏现象描述

预应力连接型式的装配式混凝土试件滞回位移4 mm时，两侧墩柱均出现裂纹；滞回位移9 mm 时，墩底钢筋达到屈服强度。滞回位移36 mm 时，右柱墩顶砼破损，左柱墩顶出现碎角现象；滞回位移达到63 mm 时，左柱砼脱落，墩顶纵筋外露；滞回位移72 mm 时，墩底砼大面积破损，并伴有露筋，此时试验结束。桥墩破坏情况如图7所示。

(a) 左柱南侧滞回位移36 mm底部碎角

2.3 整体现浇和装配式试件试验现象对比

整体现浇桥墩和装配式桥墩试件的破坏都主要集中在塑性铰区域，开始阶段墩身混凝土有多条水平裂缝，随着位移增大，裂缝宽度逐渐变宽，数量逐渐增多，达到一定位移后，裂缝的数量不再增加，宽度继续增加，墩底角点混凝土开始劈裂。最后，混凝土大面积剥落。预应力连接型式的装配式混凝土试件与现浇桥墩相比，试件因为预应力钢绞线的存在，使整个试件在荷载往复力作用下有很好的自复位能力。

3 试验结果对比分析

3.1 荷载-位移滞回特性

试件荷载-位移滞回曲线如图8所示。由滞回曲线[16]可以看出，滞回环面积随位移的增大而增加，桥墩耗能增多，桥墩的残余位移逐渐显现增多。承载力达到最大点后呈现出下降状态直至最大承载力的85 %。与现浇桥墩相比，装配式桥墩的滞回曲线的滞回环面积较小。装配式桥墩的极限承载力强度为362.36 kN。现浇桥墩试件极限承载力强度为409.75 kN。

(a) 现浇桥墩滞回曲线

3.2 骨架曲线

将滞回曲线的峰值逐一连接形成骨架曲线[17]。图9为试件骨架曲线图，通过图9分析可得，当试件水平位移达8.99 mm时，现浇桥墩达到屈服状态，此时试件承受的水平力是274.89 kN；当水平位移达到9.14 mm时，装配式混凝土桥墩试件屈服，此时试件承受的水平力是285.30 kN。现浇桥墩试件最大承载力为481.91 kN，当水平位移超过69.60 mm时，承载力开始下降，装配式桥墩试件最大承载力为424.76 kN，当水平位移达到62.74 mm时，承载力开始下降。

现浇桥墩与装配式混凝土桥墩的骨架曲线均在强度上升完成后进入强度稳定段，并维持一段时间后，随试件位移增大进入强度退化阶段。观察发现，现浇桥墩的强度稳定段较长。

3.3 位移延性分析

本次试验采用位移延性系数[18]对装配式桥墩进行延性分析，得到延性系数见表3。

表3 试件位移延性系数

分析可得：装配式桥墩的极限位移和位移延性系数分别比现浇桥墩小11.33 mm和2.1；数据分析表明，相同设计参数的装配式桥墩和现浇桥墩相比，后者的延性较好。

3.4 刚度分析

试件的荷载-位移曲线在原点切线的斜率记为初始刚度K0[19]。等效刚度Ks是水平荷载F与系数μ的比值，见式(1)。

(1)

结合骨架曲线和式(1)计算、绘制试件桥墩的(KS/K0)-μ曲线，具体结果如图10所示。

图9 试件骨架曲线图

图10 (Ks/K0)-μ曲线

整体刚度Keff是加载点的水平力与墩顶水平位移的比值，见式(2)。

(2)

式中：Fmax和Fmin分别为最大和最小水平荷载值；Δmax和Δmin分别为墩顶最大和最小水平位移。试件刚度退化曲线图如图11所示。

由数据分析可知装配式桥墩初始刚度42.38 kN/mm，现浇桥墩初始刚度44.21 kN/mm，装配式桥墩比现浇桥墩小1.83 kN/mm。在试验后期两条曲线逐渐接近，数据表明，装配式桥墩和现浇桥墩在设计参数相同时，承载能力基本持平。

3.5 残余位移分析

试件的残余位移[20]对比图如图12所示，由数据分析可知，整体现浇桥墩与预应力连接型装配式混凝土的残余位移均随着水平位移的增大而增加。但预应力桥墩残余位移的增加速率更小。装配式桥墩的最大残余位移是11.16 mm，约为现浇桥墩最大残余位移的1/5。根据以上分析可得，装配式桥墩的自复位能力更好。

图11 试件刚度退化曲线图

图12 试件残余位移对比图

3.6 累积耗能分析

本试验的耗能曲线对比图[21-22]如图13所示：滞回位移在30 mm以下时，在相同滞回位移下装配式桥墩耗能能力与现浇桥墩接近；滞回位移超过30 mm时，相同滞回位移下装配式桥墩耗能能力小于现浇桥墩；装配式桥墩与现浇桥墩耗能能力最大差值为10.98 kN/m，此时滞回位移为71 mm；当整体现浇桥墩与预应力连接型装配式混凝土达到最大位移时，装配式桥墩比现浇桥墩的累积耗能能力小37 %。

(a) 试件滞回耗能-位移曲线对比图

4 数值模拟与试验结果对比分析

4.1 模型建立

考虑运输、试验场地等多重因素，桥墩试验模型尺寸采用1∶4缩尺比例，模型中混凝土截面、钢筋截面未考虑缩尺比。采用ABAQUS[23]中的嵌入式约束Embedded将桥墩钢筋嵌入到承台及盖梁部件中，接触的地方采用面接触并设置摩擦系数。装配式桥墩接缝处建模与现浇桥墩建模类似，同样采用嵌入式约束Embedded将起连接作用的灌浆料和钢套筒嵌入到承台及盖梁中。整个建模过程，忽略黏结滑移作用。混凝土、钢筋模型分别采用三维实体单元(Continuum Element)中的C3D8R单元模拟以及桁架单元(Truss Element)中的T3D2单元模拟。在混凝土损伤塑性模型建立前，应先确定单轴受压应力应变关系曲线[24]如图14所示。钢筋本构关系取三折线模型如图15所示。

图14 混凝土材料应力-应变关系

图15 钢筋应力-应变关系曲线图

采用损伤塑性模型(concrete damage plasticity model, CDPM)作为模型建立时混凝土材料本构模型。采用双直线随动模型(bilinear kinematic, BKIN)作为建模时钢筋材料本构模型。建模过程中需要调整的参数有屈服强度、弹性模量和屈服后刚度系数等。整个桥墩模型结构划分为3 420分单元。

整个过程保证模型与原型应力等效，确保建模过程中各参数与原型相同，如泊松比、配筋率、弹性模量、容重等。模型均布力取原型均布力的1/4，集中力为原型的1/16。在试验试件制作的整个过程中，对试件所用原材料进行严格筛选，尽力确保试验试件所用材料与原型一致或相近，因此，本试验试件与原型的容重可视为相等。试件有限元模型如图16所示。

(a) 现浇桥墩钢筋骨架

4.2 数值模拟结果分析

本模型模拟两个试件的试验加载过程，试件损伤参量图如图17所示。

(a) 现浇桥墩破坏时受压损伤参量图

从图17可知，在循环荷载作用下，桥墩墩柱上下两处塑性铰易发生集中破坏。不难看出，现浇桥墩塑性区长度明显小于装配式桥墩塑性区长度，试件的塑性变形也集中于该区段，且由于预应力钢筋的设置，拥有较好的自复位性能，残余位移较小。在盖梁区域，现浇桥墩应力集中在墩柱附近，装配式桥墩应力主要集中在墩柱附近，并向外扩散，应力分布范围较广，能最大限度的发挥盖梁钢筋混凝土的作用。钢筋骨架的受力分布如图18所示。

(a) 现浇桥墩钢筋破坏应力云图

由图18可知，装配式桥墩和现浇桥墩的墩底及墩顶连接节点处的钢筋发生应力集中现象，桥墩墩底、墩顶的塑性铰区域应力值较大，在相同位置，装配式桥墩钢筋的应力值由于预先施加体外预应力而明显高于现浇桥墩钢筋应力值，与现浇桥墩钢筋比较，装配式桥墩钢筋的可较充分发挥其延性，同样的预应力筋的设置增加整体自复位性能，与试验现象一致。

4.3 抗震性能参数分析

两试验试件的模拟值与试验值对比见表4。

表4 模拟值与试验值对比表

分析两试件的试验值及模拟值，可知两试件在屈服状态、极限状态两种情况下，试验值与模拟值差值均未超过11.4 %，试验结果表明有限元模型对桥墩破坏的承载力和变形性能模拟与实际工程情况基本吻合。故图8滞回曲线中反应的装配式桥墩耗能能力较弱的问题亦符合工程情况。连接首次加载曲线同滞回曲线在不同最高点的线形成骨架曲线。模拟的骨架曲线与试验对比图如图19所示。

对比分析图19可知，现浇桥墩和装配式桥墩弹性阶段的模拟值与试验值基本一致。由于施工的偶然性，随着位移的增长，各试件的力学性能均表现出差异性，但均在合理误差范围内；现浇桥墩与装配式桥墩两组试件的极限荷载试验值以及模拟值均基本持平，不难得出，装配式桥墩拼装接头强度良好的情况下，相同设计参数的装配式桥墩与整体现浇桥墩的极限承载力大致相等。

(a) 现浇桥墩模拟与试验骨架曲线对比图

5 结论

① 从试验结果来看两类试件在水平位移作用下的破坏现象相似，且可达到现浇桥墩基本力学性能。在相同的水平位移作用下预应力连接型式的装配式混凝土试件墩底破坏较为严重，故在实际应用中，可针对梁底进行加钢筋网等加固措施。

② 装配式桥墩的极限承载力和极限位移可达现浇桥墩的83 %以上，延性性能及刚度稍差。现浇桥墩最大残余位移为53.52mm，装配式桥墩为11.16mm。装配式桥墩耗能能力小于现浇桥墩，各自达到最大位移时装配式桥墩比现浇桥墩的累积耗能能力约小37 %，但装配式桥墩具有更好自复位能力。

③ 试验分析结果表明预应力连接型式的装配式混凝土桥墩与现浇桥墩各项性能指标相差不大，在节点处采用套筒的连接形式及设置预应力筋可以满足实际工程的施工要求，可为实际施工中预采用“新方法”、“新技术”的团队提供“新思路”。

④ 将大型有限元仿真模拟的结果与实际试验结果比较分析，结果表明，两者结果基本吻合，各项数据相差不超过12 %，由于施工、材料等的离散性存在，试件的力学性能会因为试件位移的增长逐渐产生差异，但均在合理误差范围内。现浇桥墩与装配式桥墩两组试件的极限荷载实验值以及模拟值均基本持平，不难得出，装配式桥墩拼装接头强度良好的情况下，相同设计参数的装配式桥墩与整体现浇桥墩的极限承载力大致相等。