预制拼装预应力混凝土桥墩力学性能研究

王占飞，刘国东，赵同峰

（1.沈阳建筑大学交通与测绘工程学院，沈阳 110168；2.辽宁省交通高等专科学校道路与桥梁工程系，沈阳 110122）

1 引言

随着我国交通运输网络的快速发展， 桥梁已成为主要交通枢干之一。 由于地震对于桥梁的破坏作用严重，经济损失较大，因此，在地震作用下如何使桥梁的承载力与变形符合基本的抗震要求是当今社会的热点问题[1]。传统桥墩在地震作用下损伤较大，桥墩底部容易出现塑性铰，产生不可恢复的变形，导致桥梁无法继续使用。 因此， 结合预制拼装桥墩的设计理念， 在桥墩内部设置无黏结预应力钢绞线使其拥有良好的恢复作用， 桥墩与承台之间通过耗能构件连接使其拥有良好的耗能能力，两者共同作用大大减少了桥墩的损伤。

国内外学者通过实验对比探究了钢筋混凝土桥墩的力学性能。葛继平等[2]对循环荷载作用下预制拼装桥墩的抗震性能进行了试验分析，结果表明增加预应力筋的轴压力，桥墩的强度增加但延性降低。王占飞等[3]对部分填充混凝土自复位圆形钢桥墩进行了研究， 分析了改变桥墩与基础的连接形式以及参数对该类桥墩抗震性能和复位能力的影响， 结果表明半刚性连接对桥墩的自复位性能较好。 Ou 等[4]研究了无黏结预应力节段桥墩的力学性能， 通过改变桥墩长细比等参数提出了一种简化的自复位桥墩设计方法。

通过上述分析，自复位桥墩的抗震效果显著，具有广泛的工程推广价值。 预制拼装式预应力混凝土桥墩，具有自复位功能，但各设计参数与桥墩抗震及自复位能力之间的关系如何，尚未明确。 因此，本研究通过改变桥墩长细比与耗能钢筋配筋率等参数，量化分析该桥墩力学性能，探明对其承载能力、耗能能力和复位能力的影响，为抗震地区应用提供理论基础。

2 预制拼装预应力混凝土自复位桥墩

该桥墩主要由锚具、混凝土柱、基础、预应力钢绞线和耗能钢筋组成。 并且耗能钢筋在与基座连接处设置一段无黏结区域，桥墩构造示意如图1 所示。 当受到水平地震作用时，桥墩依靠预应力钢绞线恢复变形，依靠耗能钢筋消耗能量。

图1 桥墩构造示意图

为了探究桥墩长细比与耗能钢筋配筋率等参数对该类桥墩力学性能的影响，建立了9 个桥墩有限元模型，进行量化分析，桥墩模型几何尺寸和设计参数如表1 所示。

表1 桥墩几何尺寸和设计参数

3 有限元模型的建立及有效性验证

3.1 有限元模型的建立

本研究的预制拼装预应力混凝土桥墩的有限元模型中混凝土、基础与锚具采用实体单元建立，普通钢筋、耗能钢筋与预应力钢绞线采用桁架单元建立。锚具与桥墩连接处设置Tie约束，各桥墩节段之间采用Contact 接触，法向为硬接触，切向为摩擦接触，摩擦系数0.3。 普通钢筋与耗能钢筋内置在混凝土桥墩中。 钢绞线与锚具之间采用MPC 约束。

该桥墩模型采用C50 标号的混凝土， 预应力钢绞线采用降温法控制初始张拉应力， 预应力钢绞线初始张拉应力为1 100 MPa。 纵筋和箍筋分别采用直径为25 mm 和20 mm 的HRB400 钢筋，耗能钢筋采用直径为16mm 的HRB400，材料具体参数如表2 所示。

表2 钢筋及预应力钢绞线设计参数

加载方式：在墩顶施加一定的竖向荷载后，再在水平方向上施加0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1%、2%、3%、4%、5%对应柱高的位移，每级位移加载两次。

3.2 有限元模型有效性验证

为验证本文模型的有效性，笔者对文献[5]中的预制节段预应力混凝土桥墩采用上述方法进行建立有限元模型。 其中模型材料特性采用文献中的试验结果， 桥墩高度为5.7 m，竖向荷载为1 456 kN， 预应力钢绞线初始张应力为1 042 MPa，耗能钢筋配筋率为0.5%。

有限元分析得到的桥墩水平力-位移滞回曲线与试验结果对比如图2 所示。 由图2 可知，有限元分析的水平承载力-位移滞回曲线与试验结果基本相似，初始刚度吻合较好，极限承载力基本一致，因此，验证了本研究采用的桥墩有限元模型单元类型、材料设置和边界条件是合理和有效的。

图2 试验与有限元验证对比

4 有限元分析结果

4.1 长细比对该类桥墩力学性能的影响

为了探明长细比对该类桥墩力学性能的影响， 将其他设计参数保持不变，不同长细比的3 个桥墩水平力-水平位移滞回曲线如图3 所示。 图3a 为无耗能钢筋桥墩有限元分析结果，图3b 为有耗能钢筋桥墩有限元分析结果。 由图3 可以看出，随着长细比的增加，桥墩的承载能力显著下降，其中模型W09-122-060、Y09-147-060 的桥墩承载能力较好。添加耗能钢筋后，桥墩的承载能力增加，但是损伤也随之增加。

图3 长细比对桥墩性能的影响

4.2 耗能钢筋配筋率对该类桥墩力学性能的影响

其他参数不变，改变桥墩耗能钢筋配筋率情况下，桥墩的力学性能如图4 所示。 由图4 可知，随着耗能钢筋配筋率的增加，桥墩的耗能能力与承载能力有所增加，但桥墩的残余变形也会增加。

图4 耗能钢筋配筋率对桥墩性能的影响

5 结论

本文通过9 个预制拼装预应力混凝土桥墩有限元分析，研究了长细比与耗能钢筋配筋率对该类桥墩力学性能的影响，得到了主要结论如下：

1）长细比影响了桥墩整体的承载能力，在相同水平位移下，长细比越大，其承载能力越低，桥墩损伤越小；

2）耗能钢筋配筋率的增加，桥墩承载能力与耗能能力显著增加，但残余位移也随之增加，桥墩出现损伤，复位效果变差。