CFRP 加固的承插式桥墩抗震性能分析

李谦，吕文舒

（1.中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北 武汉 430050；2.中交水运规划设计院有限公司，北京市 100020）

0 引言

随着中国基础建设的飞速发展，新型建筑工业化已成为中国建筑业的必然发展方向，预制拼装桥梁施工技术是实现桥梁快速施工的重要途径之一［1-5］。预制拼装桥墩在推广应用的同时也遇到了阻碍，与传统现浇墩在地震作用下的响应并不相同，地震作用下预制拼装桥墩的塑性铰区域可能会由于纵向压应变导致该区域保护层混凝土开裂，对桥梁整体安全造成威胁［6-13］。

常用的桥墩加固方法很多，如加大截面法、注浆加固法、粘贴钢板法、体外预应力加固法、桥面补强层加固法、复合材料加固法等［14-16］。其中，碳纤维增强复合材料（CFRP）加固技术能较大幅度提高旧桥承载能力，加固施工简单高效、人力投入少、绿色环保，经济效益明显，加固过程中可实现不中断交通和短期限制交通，而且对原桥结构损伤较小，是一种切实可行的加固方法，具有广阔的发展前景［17-18］。

欧佳灵等［19］对CFRP 加固下的圆钢管混凝土短柱进行了承载力分析，并建立了理论公式，结果表明：增加CFRP 层数与环向抗拉强度会提高墩柱极限承载力，但对屈服承载力影响较小；Chang等［20］以现浇混凝土墩为研究对象，采用静力加载试验对CFRP 加固后桥墩的累积耗能、延性等进行分析；司炳君等［21］对一已破坏的现浇混凝土桥墩分别采用环氧树脂加固、CFRP 布包裹加固、早强混凝土加固方法进行加固，对比了加固后桥墩的破坏形态及承载力等，并通过有限元建模研究3 种方法加固下的桥墩破坏形态、承载力等抗震指标。

由上可知，目前对于CFRP 加固法的研究多集中于现浇混凝土墩，而CFRP 加固法对预制拼装墩的研究较少。研究表明地震作用下，预制拼装桥墩在墩柱与承台连接部位最易发生损坏［22］，因此本文采用CFRP 布包裹该区域进行加固处理，并与采用增加配箍率与不进行加固两种方案进行对比，分析CFRP 加固法对承插式桥墩抗震性能的影响。

1 试验概况和试件设计

为研究CFRP 加固方法对承插式预制拼装桥墩抗震性能的影响，本文基于江北高速公路东延伸项目离心预制高强管墩与承台连接力学性能试验中设计的缩尺比为1∶2的承插式连接试件，利用有限元软件Abaqus 进行数值模拟，分析不同加固方法的差异。

试验加载设备是10 000 kN 电液伺服大型多功能结构试验系统，最大行程±300 mm。采用分级加载控制试件的破坏进展。选取的试件为未考虑承台与预制墩柱接触面上的锯齿波纹状结构的对比试件。该试件表现为大偏心受压破坏，其滞回曲线、骨架曲线、耗能能力等与现浇试件相差不大。但由于其未考虑锯齿波纹构造，峰值位移和极限位移均有所下降，延性系数有一定程度降低。

根据上述试验中承插式预制拼装墩试件尺寸建立三维有限元模型，试件均为预制拼装桥墩与承台试件（图1），其构造特点是承台施工时预埋墩柱预埋段及相关预埋钢筋，承台中心预埋波纹管。墩柱外径700 mm，内径450 mm。

图1 试件构造图（单位：cm）

承台尺寸为210 cm×238 cm×75 cm，承台底部布置和桩基础相同数量和尺寸的钢筋混凝土圆柱，伸出承台20 cm。

混凝土管墩采用C70 混凝土，各试件墩身配筋形式相同（图2），外层布置18 根直径为20 mm 的HRB400 纵 筋，内 层 布 置9 根10 mm 的HRB400 纵筋，螺旋箍筋直径为6 mm，箍筋间距7.5 cm。

图2 墩身截面配筋设计（单位：钢筋直径为mm，其余为cm）

4 个试件分别为S1～S4。试件S3 为离心预制高强管墩与承台连接力学性能试验中的对比试件，试件S4 为不采取任何加固措施的数值模拟比较基准，试件S2 在S4 的基础上增加墩柱配箍率，将箍筋间距由7.5 cm 调整为5 cm，以验证增加节段配箍率对墩柱抗震性能的影响，试件S1 在墩身与承台连接部位包裹CFRP 布加固，以验证CFRP 布对墩柱抗震性能的影响。

2 有限元模型建立

2.1 单元及本构选择

混凝土单元采用C3D8R 单元，使用塑性损伤本构模型。钢筋单元采用T3D2 单元，本构选用可考虑滞回曲线捏缩效应及刚度退化的双折线模型。

CFRP 布采用M3D4R 单元，这种单元不具备平面外抗弯刚度，更适合模拟结构受力与变形特性。CFRP 布为线弹性材料，沿纤维方向抗拉强度较大，而正交方向抗拉强度极小，由于其正交异性的特点，可将其弹性属性定义为复合材料单层板。CFRP 布材料密度为1.76 g/cm3，抗拉强度为3 765 MPa，弹性模量为240 GPa。

2.2 接缝设置

灌浆料连接方式类似于桩-土相互作用［23］，灌浆料与管墩的约束作用和土与桩的约束作用相似，因此其模拟方式也可借鉴桩-土相互作用的模拟方式。即将受水平荷载的桩视为由水平弹簧组成的竖直梁。

灌浆料与管墩间的约束作用采用水平弹簧模拟，水平弹簧具有水平轴向刚度与竖向剪切刚度两个参数，分别用来模拟孔壁的水平约束作用与剪力键及摩擦力的竖向约束作用；竖向弹簧仅具有竖向轴向刚度一个参数以模拟墩柱端部支撑作用。

弹簧刚度数值大小参考文献［23］，竖向刚度为竖向弹簧的轴向刚度与水平弹簧的剪切刚度，分别为1.9×102kN/mm 与1.3×102kN/mm，水平轴向刚度为1.5×103kN/mm。

有限元模型如图3 所示，其中CFRP 布包裹部分即墩柱与承台连接部分网格做加密处理。

图3 有限元模型示意

2.3 加载方式

采用压弯加载方式，在轴压恒载的基础上施加水平循环荷载，其中轴压力为1 933.5 kN；水平加载共两个阶段，分别为力加载阶段和位移加载阶段，各阶段加载具体描述如下：

（1）力加载阶段：钢筋首次屈服前，按最小水平力65 kN 的倍数分级循环加载直至钢筋首次屈服，同时观测并记录开裂荷载和裂缝开展情况，该阶段重点研究运营期间正常使用状态的特征。

（2）位移加载阶段：试件在轴压和单轴弯曲组合作用循环加载方式下直至破坏。以0.5 倍、1 倍、1.5 倍，2 倍、3 倍、4 倍、5 倍、6 倍……屈服位移分级加载，每个等级循环3 次（2 次该等级循环+1 次前1个荷载等级循环），直至荷载下降至最大荷载的85%或构件达到指定位移，该阶段重点研究地震破坏状态下的特征，加载曲线如图4 所示。

图4 加载方案

3 有限元结果对比分析

3.1 滞回曲线

4 种试件的水平力-位移滞回曲线见图5。

图5 水平力-位移滞回曲线

由图5 可知：

（1）4 种试件中S1 试件的滞回曲线形状类似弓形，具有明显的捏缩效应，表示滞回曲线受到了一定的滑移影响。S3 与S4 试件的滞回曲线拟合良好。虽然加载后期S3 试件刚度退化导致模拟值和试验值有所偏差，这是由于在试验加载过程中墩身混凝土会逐渐剥落，而数值模拟中无法准确模拟由于材料损伤造成的刚度退化，但并不影响试件整体滞回特性的模拟。因此，对于本文中采用承插式的预制墩柱连接，文中的模拟结果较为可靠。

（2）S4 试件作为不做任何加固措施的数值模拟比较基准，其墩顶水平力峰值为535.4 kN，墩顶水平位移峰值为82.8 mm；增加配箍率后（S2 试件），墩顶水平力峰值与墩顶水平位移峰值分别为530.5 kN 与98.5 mm，增加配箍率后试件的承载能力基本不变，但变形能力略有增大。S1 试件的墩顶水平力峰值为640.9 kN，墩顶水平位移峰值为114.2 mm，试件的变形能力与承载能力都有一定程度增强，且试件的软化速度变快。

3.2 骨架曲线

骨架曲线为往复加载时各次滞回曲线峰点的连线，即滞回曲线的包络线。骨架曲线的形状大致与单调加载得到的荷载-位移曲线相似，主要区别在于极限荷载略低一些，能较明显地反映结构或构件的最大荷载、初始刚度、屈后刚度等抗震指标，各试件的骨架曲线如图6 所示。各试件骨架曲线的特征点如表1 所示。

表1 骨架曲线关键指标

图6 骨架曲线

由图6 可知：S3 与S4 试件的骨架曲线基本重合，S2 试件相比S4 并无明显变化，而S1 相比S4，承载力与变形能力均有提升，前者的极限承载能力大约为后者的1.18 倍。

3.3 耗能能力

累计滞回耗能是指结构在循环荷载作用下从开始加载到破坏滞回耗能的总量，即每个滞回曲线的面积之和。各试件在每一个位移加载等级对应的耗能能力如图7 所示。

图7 各试件累积滞回耗能曲线

由图7 可知：S1 试件的累积耗能能力明显强于S2、S3 与S4 试件，这是由于S1 试件的变形能力更强，使得耗散能量更多，即最终的耗能水平高于其余试件。同理，在位移加载等级为90 mm 时，S1、S2 和S4 试件的单次加载耗能增量均大于S3，原因在于S3 试件加载至90 mm 只反复一周就已经发生结构破坏，而S1、S2 和S4 试件完整地循环反复加载3 周。对比可知，在位移等级为72 mm 前，各试件的耗能水平相近，这与滞回曲线基本重合的结论相吻合。然后，由于S1 试件具备更强的变形能力，因此其滞回环面积和滞回圈数多于其余试件，即最终耗能水平较高。

3.4 残余变形

各试件水平残余变形曲线如图8 所示。

图8 各试件残余变形曲线

由图8 可知：在位移荷载等级较低的阶段，各试件的残余位移相差无几，随着位移荷载等级的增大，各试件的残余位移开始表现出差异。S1～S4 试件在加载等级为72 mm 时，残余位移分别为38.8 mm、47.1 mm、55.4 mm、55.5 mm；在加载等级为90 mm 时，残余位移分别为59.0 mm、66.7 mm、69.9 mm、72.7 mm；桥墩的残余变形保持在较低水平，不仅有利于桥梁震后继续运营，保障救援工作的开展，而且对于震后桥墩的整体修复工作也有重要意义，整体而言，S1 试件相对优于其余试件。

4 结论

通过Abaqus 建立预制拼装桥墩有限元模型，对比分析CFRP 加固法对承插式桥墩抗震性能的影响，得到以下主要结论：

（1）CFRP 布加固使得承插式桥墩墩柱与承台的连接部分受到环向约束，地震作用下可有效减少混凝土压碎破坏。

（2）4 个试件中，使用CFRP 布加固的S1 试件承载能力与变形能力均有较大提升，使用CFRP 布加固后，试件承载力提升约1.18 倍。

（3）S1 试件的残余变形在位移加载等级较大时明显低于S2、S3 与S4 试件，不仅有利于桥梁震后的运营，对震后整体修复也有重要意义。

（4）CFRP 布加固对桥墩的承载能力与变形能力提升较大，而增加配箍率对于本文承插式桥墩的抗震性能影响并不显著。