UHPC墩周连接装配式桥墩抗震性能研究

王宁宁　赵奇　米家禾　亓兴军　杨宇

摘要： 为改善预制装配式桥墩的抗震性能和施工容错能力，提出一种装配式桥墩新型连接方式：超高性能混凝土（Ultra－High－Performance Concrete，UHPC）墩周連接。设计并制作1个现浇桥墩试件和1个UHPC墩周连接装配式桥墩试件，对两个试件进行拟静力试验;建立UHPC墩周连接装配式桥墩试件的三维实体非线性有限元模型，对比研究新型装配式桥墩的抗震性能及其影响因素。结果表明：UHPC墩周连接装配式桥墩与整体现浇桥墩表现出相似的抗侧力性能和自复位能力，二者的抗震性能基本等同。对比分析非线性有限元模型与实际桥墩试件的滞回曲线，二者拟合程度较高，验证了建模方法的可靠性和模拟结果的准确性。UHPC连接段高度对该装配式桥墩抗震性能的影响不大，保证钢筋搭接长度即可。轴压比、立柱高度和搭接钢筋配筋率对该装配式桥墩抗震性能的影响较为明显：在轴压比为0.1～0.3时，试件刚度和水平承载力随轴压比的增大而增大，残余位移随轴压比的增大而减小;立柱高度由2.0 m提高至2.5 m时，高度越大该装配式桥墩的水平承载能力和累积滞回耗能越小;湿接缝处搭接钢筋配筋率由1.01%增至1.57%时，该装配式桥墩的水平承载能力和残余位移相比原配筋试件性能有较明显的提升。

关键词： UHPC墩周连接装配式桥墩; 抗震性能; 拟静力试验; 非线性有限元模型; 数值模拟

中图分类号： U443.22文献标志码：A 文章编号： 1000－0844（2023）04-0780-12

DOI：10.20000/j.1000－0844.20220617002

Seismic performance of assembled piers connected with ultra－high－performance concrete around the pier

WANG Ningning ZHAO Qi2， MI Jiahe2， QI Xingjun2， YANG Yu3

Abstract：  To improve the seismic performance and construction fault tolerance of prefabricated assembled piers， this paper proposes a new connection method for assembled piers： assembled piers connected with ultra－high－performance concrete （UHPC） around piers. A cast－in－place bridge pier specimen and an assembled pier specimen connected with UHPC around the pier were designed and fabricated. A quasi－static test was performed on two specimens， and a three－dimensional solid nonlinear finite element model of the assembled pier specimen was established. The seismic performance and associated influencing factors of the proposed assembled pier were analyzed by performing a numerical simulation. The results showed that the assembled pier specimen connected with UHPC around the pier exhibited a similar lateral performance and self－resetting capability as the integral cast－in－place pier， and their seismic performances were the same. The fitting degree between the hysteretic curves of the nonlinear finite element model and the actual pier specimen was high， verifying the reliability of the modeling method and the accuracy of the simulation results. The height of the UHPC connection had little influence on the seismic performance of the assembled pier， and only the lap length of the reinforcement needed to be ensured. The axial compression ratio， column height， and lapped reinforcement ratio had evident effects on the seismic performance of the assembled bridge pier. When the axial compression ratio was between 0.1 and 0.3， the stiffness and horizontal bearing capacity of the specimen increased with the increase in the axial compression ratio. When the column height increased from 2.0 m to 2.5 m， the horizontal bearing capacity and accumulated hysteretic energy dissipation of the assembled pier decreased with the increase in the column height; when the reinforcement ratio was increased from 1.01% to 1.57%， the horizontal bearing capacity and residual displacement of the assembled pier were evidently improved compared with those of the original specimen.

Keywords： assembled piers connected with UHPC around piers; seismic performance; quasi－static test; nonlinear finite element model; numerical simulation

0 引言

地震是地球內部释放能量时造成地表振动的现象，高烈度地震释放能量大、破坏性强，经常造成大量人员伤亡和巨大经济损失。我国处于欧亚地震带与环太平洋地震带之间，受板块间相互碰撞的影响，地震带较为活跃，使得我国地震频率高且烈度大，属于震灾严重的国家。2008年汶川地震造成大量通往震区的道路损坏、桥梁倒塌，导致救援线路被切断，此后国内学者逐渐开始注重桥梁抗震理论研究［1］。我国交通运输部于2020年发布并施行了《公路桥梁抗震设计规范（JTG/T 2231－01—2020）》［2］，但规范中有关钢筋混凝土墩柱抗震性能的计算均针对现浇桥墩。国内仅有少数省份颁布了装配式混凝土桥墩抗震的地方标准，国内外相关学者针对装配式桥墩连接方式和抗震性能的研究仍在探索中。

装配式桥墩技术的关键在于各预制件之间的连接方式，其连接处的力学可靠性将直接影响整个桥梁结构的可靠性。国内外学者对于装配式桥墩的研究工作也主要集中在预制构件间的连接方式方面［3］，先后提出多种连接方式，通过足尺、缩尺模型试验和有限元模拟等方法探索各种连接方式在实际工程中应用的可能性。国内外研究人员针对套筒连接［4－6］、承插式连接［7－9］、波纹管连接［10－12］及各类新型连接方式［13－15］进行了试验及数值模拟来研究桥墩的抗震性能。

超高性能混凝土（Ultra－High－Performance Concrete，UHPC）具有较强的抗压抗拉性能以及优异的韧性和耐久性，在装配式连接中可以发挥良好的工作性能。Tazarv等［16－17］对采用UHPC灌浆料连接的装配式墩柱进行了拟静力试验，结果表明UHPC可在较短的钢筋搭接长度下保证预制节段的连接。Mohebbi等［18］将UHPC材料用于墩柱塑性铰区域并对其进行振动台试验，结果表明UHPC有效地减少了墩柱塑性铰区域的破坏，使装配式桥墩试件表现出良好的抗震性能。

目前装配式桥墩主要存在诸如施工精度要求高、结构复杂、抗震性能差等不足。针对装配式桥墩连接方式存在的各种不足，本文将介绍一种较为新颖且具有实际应用价值的装配式桥墩连接方式：UHPC墩周连接。该连接方式采用UHPC作为墩底塑性铰区灌浆料，将相邻构件的预留钢筋搭接锚固以达到连接作用，在实际工程中应用较少。为系统研究UHPC墩周连接装配式桥墩各项抗震性能指标的影响，本文制作1个UHPC墩周连接装配式桥墩试件和1个整体式桥墩试件，进行拟静力试验，通过对比分析该装配式桥墩的抗震性能;使用ABAQUS软件建立该装配式桥墩的有限元模型，进一步分析影响其抗震性能的主要因素。

1 拟静力试验

1.1 UHPC墩周连接装配式桥墩结构

本文介绍的UHPC墩周连接装配式桥墩构造如图1、2所示。试验以某实际工程装配式桥墩为原型，设计1∶5的缩尺模型。该结构主要由立柱、承台、UHPC连接段三部分组成，其中预制立柱分为常规段和榫头段，榫头具有辅助立柱与承台装配时定位和提供临时支撑的作用。连接方式为使用后浇UHPC将立柱榫头段外露的主筋与承台顶部伸出的搭接钢筋锚固连接，钢筋的拉力通过表面摩擦、机械咬合，以及钢筋与混凝土之间的黏结传递给灌浆材料，利用UHPC优异的力学性能以及与钢筋握裹力强的特点，实现预制墩柱与承台的可靠连接。立柱与承台连接的基本要求是：为保证湿接缝段的稳定性和耐久性，UHPC后浇厚度至少为10 cm;为保证预制节段的连接，钢筋搭接长度至少为10倍主筋直径;为保证UHPC与钢筋之间的黏结性，搭接钢筋与预制立柱主筋间距至少为2倍UHPC内钢纤维长度。UHPC墩周连接装配式桥墩具有结构简单、传力机制明确的优点，为典型的等同现浇体系桥墩，此类桥墩抗震性能与整体式桥墩接近，在地震高烈度地区有良好的应用前景。

1.2 试件制作

1.2.1 试件尺寸及材料参数

本次研究所用试件为1个现浇式桥墩试件和1个UHPC墩周连接装配式桥墩试件。试件主要包括立柱和承台两部分，立柱为方形截面柱，试件具体尺寸如图3、4所示。试件立柱纵筋采用8根直径16 mm的钢筋，箍筋采用直径10 mm的钢筋，装配式试件搭接钢筋采用8根直径16 mm的钢筋，所有钢筋均采用HRB400级。混凝土采用C40混凝土，装配式试件UHPC采用湖南中路华程桥梁科技股份有限公司提供的UC20J。产品主要由水泥、钢纤维、石英砂、石英粉、硅灰、高效减水剂等组成，施工时按每1 kg干混料加入92 g水的比例制作，将浇筑时间控制在40 min内，自然养护。本次研究材料参数如表1所列。

1.2.2 试件制作

试件制作过程包括：墩柱与承台钢筋骨架绑扎、模板支护、混凝土浇筑、试件养护、预制节段装配、模板支护与灌浆、养护。图5为UHPC墩周连接装配式桥墩试件装配与制作完成图。

在装配墩柱与承台时，为了实时监测湿接缝段灌浆质量和灌浆进度，采用定制透明有机玻璃板作为模板，一旦出现灌注质量问题可及时处理。试件在UHPC注浆完成12 h后拆模。

1.3 拟静力试验

1.3.1 拟静力试验方案

加载分为竖向轴压和墩顶水平荷载两部分。图6为试验加载装置，其中竖向轴压模拟桥梁上部结构对桥墩的作用，采用液压千斤顶施加，大小用轴压比来表示。相关研究的结果表明，在考虑桥墩延性设计情况下，混凝土桥墩轴压比一般小于0.3［19］，本次试验轴压比保持在0.10。在竖向千斤顶和钢横梁之间设有低摩阻滑槽，使竖向千斤顶可以水平滑动而不会偏转。MTS伺服作动器在墩顶施加水平位移荷载，加载制度为0～20 mm每级荷载增加2 mm，20～50 mm每级荷载增加5 mm，50 mm以上每级荷载增加10 mm;当试件的水平承载力降至水平承载力峰值的85%时，加载停止。墩顶水平荷载加载制度如图7所示。

1.3.2 拟静力试验现象

整体现浇试件在滞回位移达到6 mm时墩身出现首次开裂，此时水平荷载为36.41 kN;在滞回位移达到10 mm时，水平荷载为62.79 kN，此时正向加载面距墩底32 cm处的水平裂缝宽度达0.2 mm;滞回位移18 cm时，墩底主筋屈服;滞回位移最终加载至100 mm时，承载力低于最大承载力的85%，此时立柱西北柱角混凝土剥落高度达45 cm，东西两侧柱底混凝土保护层均压碎剥落，箍筋及主筋均外露。试件最终破坏形态如图8所示。

装配式试件在滞回位移达到6 mm时墩身开始出现细微裂缝，此时水平荷载为44 kN;滞回位移达到10 mm时，UHPC连接段上接缝处开裂宽度达0.2 mm，此时水平荷载为70.60 kN;滞回位移18 mm时，加载面墩底主筋屈服;滞回位移最终加载至110 mm时，由于墩柱整体倾斜角度过大，出于安全考虑，未继续加载，试验结束，此时UHPC连接段上、下接缝处开展较大，并伴有少量混凝土剥落，立柱东北柱角底部有少量UHPC压碎，立柱东侧底部UHPC部分压碎。试件破坏形态如图9所示。

装配式试件与整体式试件均在6 mm荷载等级时首次开裂，但此时装配式试件的水平荷载略大于整体式试件，其原因在于墩底UHPC抗拉强度和抗压强度远大于普通混凝土，并且UHPC墩周连接装配式桥墩的接缝处连接效果好，故在装配式桥墩塑性铰区域首次开裂时荷载略高于整体式桥墩。

1.3.3 拟静力试验结果

整体现浇试件和UHPC墩周连接装配式试件滞回曲线对比如图10所示。从图10来看，两试件滞回环均为弓形，表明UHPC墩周连接装配式试件属于“等同现浇体系”桥墩，耗能性能良好。

两试件骨架曲线对比如图11所示。从图11来看，在试验前期两试件骨架曲线图基本重合，但在试验后期，整体现浇试件承载能力下降速度明显比装配式试件快。这是因为整体现浇试件侧向承载能力受立柱底部混凝土剥落影响较大，而装配式试件立柱底部塑性铰区域的UHPC材料性能远远优于普通混凝土，破坏集中于底部拼接缝处，在试验过程中墩底受压破坏程度较轻。

位移延性系数是结构的极限位移与屈服位移之比，其中屈服位移和屈服荷载根据通用屈服弯矩法确定，而极限位移取试件承载力下降至峰值承载力85%时的位移。在试验中，整体现浇试件加载至±100 mm时承载力已降至最大承载力85%以下，而UHPC墩周连接式试件的承载力在拟静力试验过程中下降平缓，最大位移荷载加载至±110 mm。表2列出了两试件的位移延性系数，可以看出：装配式试件的位移延性系数比现浇式试件大46.8%，表明UHPC墩周连接装配式试件延性性能优于现浇整体式试件。

综合来看，UHPC墩周连接装配式桥墩的抗震性能良好，与现浇桥墩基本一致。

2 有限元模型建立

采用 ABAQUS软件，对上述两试件进行数值模拟，并将模拟结果与试验结果进行对比，验证有限元模型的准确性。

2.1 材料属性

普通混凝土本构采用《混凝土结构设计规范（GB 50010—2010）》［20］附录C建议的单轴受压及受拉表达式。

式中：d为损伤因子;σ为应力;ε为应变;E0为原点切线模量。

钢筋本构关系选用文献［24］开发的Clough模型子程序。Clough模型为退化双线性模型，当荷载超过构件屈服强度后，卸载时发生刚度退化现象，如图12所示。图中fy为钢筋的抗拉屈服强度;本文钢筋初始弹性模量Es=2.06×105 MPa，强化阶段弹性模量E′s=0.01Es。

2.2 单元选取与边界条件

2.2.1 单元选取

普通混凝土和UHPC采用C3D8R单元，钢筋材料采用T3D2桁架单元。综合考虑计算效率和分析精度，装配式试件立柱网格尺寸设置为15 cm，UHPC网格尺寸设置为6 cm;整体式试件立柱网格尺寸设置为10 cm。两试件网格划分如图13所示。

2.2.2 接触设置与边界条件

在试验中，试件使用锚杆固定于地面，因此在模型中将承台底部设置为完全固定约束。钢筋和混凝土采用分离式建模，使用内置区域约束，忽略钢筋与混凝土的滑移，使二者共同变形。对于整体现浇试件，立柱与承台为一体浇筑，故立柱底部与承台顶面的接触面采用绑定约束;对于UHPC墩周连接装配式试件，由于立柱底部与承台存在拼接缝，故接触面切向采用库仑摩擦模型，摩擦系数取0.6，法向采用“硬接触”，允许接触面分离，模拟试验中拼接缝的开合。图14为有限元模型湿接缝处局部图。

模型加载与试验一致，轴力为376 kN，均匀施加于墩顶;水平力采用控制位移加载，每个荷载等级循环一次。

3 数值模拟结果分析

3.1 损伤对比

图15为两试件有限元模型在模拟加载结束后的受压损伤云图与实际试验损伤情况对比。从图中可以看出整体式试件立柱底部损伤较为严重，而装配式试件立柱底部损伤轻微，其损伤主要集中于柱角处以及UHPC连接段上下接缝处，模拟结果与试验结果一致，模型中立柱损伤最大位置出现在墩底榫头部分。

3.2 抗震性能對比

建立整体现浇试件和装配式试件ABAQUS三维有限元模型，通过拟静力分析得到两试件数值模拟滞回曲线和骨架曲线，并将其与试验值进行对比（图16、17）。

从图16、17可以看出，墩顶水平荷载到达最大值之前，两试件模拟结果吻合程度较高，尤其是正向加载，两试件骨架曲线的模拟值与试验值基本一致。由于墩身在实际加载过程中两侧损伤不完全一致，导致随水平位移荷载的增大构件负向承载力试验值大于模拟值，文献［25］和［26］的试验滞回曲线和数值模拟滞回曲线对比中均出现此现象。

经计算，两试件侧向峰值承载力模拟值与试验值误差不到3%，极限承载力误差在10%左右;两试件水平等效刚度模拟值与试验值平均误差分别为整体式7.5%、装配式5.7%;两试件屈服位移的模拟值与试验值对比，整体式试件误差约为11.0%，装配式试件误差约为5.1%。

从滞回曲线、骨架曲线，以及刚度、屈服位移等抗震性能指标模拟结果与试验结果对比来看，所建立的ABAQUS有限元模型基本可以反映构件的实际抗震性能，可以在此基础上进行抗震性能影响参数分析。

4 抗震性能影响参数分析

为了深入研究轴压比、长细比、UHPC连接段高度和纵筋配筋率的变化对装配式桥墩抗震性能的影响，基于ABAQUS有限元软件，在拟静力试验的基础上采用控制变量法对UHPC墩周连接装配式桥墩的抗震性能影响参数进行研究。

4.1 轴压比

为探究不同轴压比对UHPC墩周连接装配式桥墩抗震性能的影响，对0.10、0.15、0.20、0.25、0.30五种轴压比下装配式桥墩的抗震性能进行比较。不同轴压比下装配式试件的骨架曲线如图18所示，图19为不同轴压比对装配式试件最大承载力和残余位移的影响。

从图中可以看出，轴压比的大小是装配式桥墩抗震性能的重要影响因素。随着装配式桥墩竖向轴压力的增大，其水平承载能力显著提升，水平刚度也在增强，当轴压比为0.3时，桥墩的峰值荷载与初始刚度相较轴压比为0.1时分别提升47.67%和3.46%。轴压比的变化对桥墩残余位移的影响较大，在110 mm滞回位移加载下，轴压比0.3时桥墩的残余位移仅为轴压比0.1时的21.08%，但是轴压比的增大使得承载力下降速度明显加快。

4.2 长细比

在截面尺寸不变的前提下，将立柱模型高度2.0 m和2.5 m加入对比，分别分析长细比为15、17、19时模型在水平往复荷载下的抗震性能。不同长细比的装配式试件模型滞回曲线如图20所示，骨架曲线如图21所示。

从图中可以看出，长细比的变化对UHPC墩周连接装配式桥墩抗震性能的影响较为明显。长细比越大，滞回环面积越小，说明其耗能能力越差;长细比对承载力和刚度也具有较大影响，长细比15时桥墩的水平承载力相较长细比19时高出33.48%，初始刚度高出86.04%，但长细比对刚度退化率影响不大，三种长细比的桥墩承载力曲线均较平缓。

4.3 UHPC连接段高度

在试件制作时考虑钢筋搭接长度和施工误差的影响，UHPC连接段高度确定为22 cm，另建立UHPC连接段高度分别为30 cm和40 cm的 ABAQUS有限元模型进行数值模拟。不同UHPC连接段高度的装配式试件滞回曲线如图22所示，骨架曲线如图23所示。

从图中可以看出，UHPC连接段高度对装配式桥墩抗震性能影响较小。随着UHPC连接段高度增加，结构累积滞回耗能、水平等效刚度、水平承载能力略有提升。从经济性角度考虑，本文研究的装配式桥墩不需要过高的UHPC连接段，只需满足内部钢筋搭接长度不小于10倍钢筋直径即可保证试件可靠连接。

4.4 纵筋配筋率

所述装配式桥墩结构纵筋分为预制立柱纵筋和承台预埋搭接钢筋两部分，需研究二者的直径变化对装配式桥墩试件产生的影响。作为对比，分别将立柱纵筋直径和搭接钢筋直径增加至20 mm，即配筋率由1.01%增加至1.57%，建立相关模型并进行数值模拟。不同配筋情况下装配式试件的滞回曲线如图24所示，骨架曲线如图25所示。

从图中可以看出，承台搭接钢筋配筋率变化对装配式桥墩抗震性能的影响较明显，立柱纵筋配筋率变化对试件抗震性能的影响较小。当搭接钢筋配筋率由1.01%增至1.57%时，试件水平承载能力和残余位移相比原配筋试件提升明显；当立柱纵筋配筋率由1.01%增至1.57%时，仅滞回环饱满程度有微小提升，试件的抗震性能提升不明显。

5 结论

本文提出一种UHPC墩周连接装配式桥墩结构，制作相应装配式缩尺模型试件和现浇式缩尺模型试件;通过对比装配式试件和整体式试件的拟静力试验结果和破坏现象，研究UHPC墩周连接装配式桥墩的抗震性能;最后利用ABAQUS软件对装配式桥墩抗震性能的影响参数进行比较分析。通过研究，得出如下结论：

（1） 从拟静力试验结果来看，二者的滞回曲线均表现出弓形滞回曲线特征;对滞回曲线及骨架曲线进一步分析，发现装配式试件的侧向承载能力及自复位能力与整体现浇试件大体一致。总体来讲，UHPC墩周连接装配式桥墩具有良好的抗震性能，基本等同于整体现浇式桥墩。

（2） 利用ABAQUS软件分别对UHPC墩周连接装配式桥墩试件和整体式桥墩试件进行建模分析。通过对比试验结果可知，模型损伤位置与实际试验损伤情况基本一致;滞回曲线模拟值与试验值均呈现弓形滞回曲线特征，数值模拟中模型骨架曲线与试验实测值也较为贴合。这验证了本文建模方法的可靠性和模拟结果的准确性。

（3） 利用ABAQUS软件对可能影响UHPC装配式桥墩抗震性能的参数进行分析，发现UHPC连接段高度对装配式桥墩抗震性能影响较小，只需保证钢筋搭接长度即可。轴压比、立柱高度和承台搭接钢筋配筋率对装配式桥墩抗震性能影响较为明显，具体表现为：在轴压比为0.1～0.3時，轴压比越大装配式桥墩的水平承载能力和刚度越大，同时残余位移越小;立柱高度由2.0 m提高至2.5 m时，立柱高度越大装配式桥墩水平承载能力和累积滞回耗能越小;承台搭接钢筋配筋率由1.01%增至1.57%时，装配式桥墩水平承载能力和残余位移相比原配筋试件有较明显的提升。

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（本文编辑：赵乘程）

收稿日期：2022-06-17

基金项目：山东省交通运输厅科技计划项目（2020B69，2022B06）;山东省企业技术创新项目（202250101726）

第一作者简介：王宁宁，男，山东济南人，高级工程师，主要研究桥梁抗震加固与快速施工。E－mail：947745530@qq.com。