预制拼装桥梁套筒连接的桥墩抗震性能分析

王乃江

(江苏宿迁交通工程建设有限公司,江苏 宿迁 223800)

0 引 言

预制拼装技术因具有较高的施工便利性和较小的污染,在众多桥梁建设工程中得到广泛应用。钢筋套筒连接技术是应用到预制拼装中的一项构件对接技术,因该区域的后浇混凝土与预制件并非一体浇筑成型,所以在受到外力干扰后容易出现损坏,进而影响桥墩的整体应力结构稳定性。对此,为进一步探究预制拼装桥梁套筒连接的桥墩抗震性能,将以高速公路桥梁工程为例,通过构建等比例模型的方式建立试验用试件桥梁,对其抗震应力情况进行研究,以期为相关人员或单位提供参考。

1 灌浆套筒施工桥墩的受力机理

灌浆套筒桥墩受到地震荷载应力的作用,桥墩底部最容易出现结构上的损坏,并且还会出现一定程度的塑性形变[1]。预制拼装桥墩的极限位移“Δu”可分为两大部分,即由材料塑性变形而引起的塑性位移“Δp”和桥墩自身弹性变形而产生的屈服位移“Δy”。

对单柱桥梁的受力弯曲进行分析,需针对墩顶结构的位移与桥墩的曲率变化间的关联关系“Δ”进行分析,即

Δ=∬φ(x)dxdx

(1)

式中:x表示桥梁应力的水平方向位移。

当上述情况的墩底截面处于屈服状态阶段,可认为墩身曲率为沿桥墩倾斜变化的线性分布,如图1(a)所示。借助曲率积分可将其墩顶的屈服位移表示为:

图1 桥墩曲率分布图

(2)

式中:φy表示屈服曲率,m-1;L表示桥墩高度,m。

当墩底截面曲率处于临界点时,桥墩曲率变化沿桥墩高度变化的曲线如图1(b)所示。图φp表示截面;φy表示屈服曲率;φu表示极限位移曲率;Lp为塑性曲率。

为方便分析,需要融合“等效塑性铰长度”的概念。此时桥墩墩顶的塑性位移为

Δp=(φu-φy)Lp(L-0.5Lp)

(3)

式中:φu表示极限应力状态下的曲率,m-1;Lp表示一体式现浇桥墩的塑性铰长度,m。

当桥墩整体应力处于极限状态时,其桥梁墩顶的极限位移可表示为

Δu=Δy+Δp

(4)

桥梁预制拼装桥墩采用灌浆套筒连接,将套筒提前安装在桥墩底部,实现墩柱与承台的紧密连接。这种方式下,套筒通常紧贴桥墩底部,为结构提供特殊几何配置。当桥墩受应力时,套筒区域主要承受弯曲力,但由于套筒刚度较大,桥墩内通常不发生屈服,非弹性变形主要发生在套筒覆盖面以外。与传统桥墩相比,预制拼装桥墩的曲率分布更为复杂,特别是当钢护筒底部与承台接缝距离较小时,桥墩曲率显著增加,图2所示。这是因为接缝距离小导致受力更集中,桥墩在该区域变形更为显著。

图2 灌浆套筒桥墩曲率分布

结合《AASHTO预制拼装结构设计和施工规范》对套筒桥墩的等效塑性铰区域长度进行修正[2],并计算出极限位移,其表达式为

(5)

式中:β为连接段部位的刚性长度因子,通常取0.75。Lsp为套筒的长度;Hsp为承台与套筒底端的垂直距离。

由公式(5)得出的数据可知,对于初始状态下所设定的套筒长度,其灌浆套筒桥墩在应力状态下的等效塑性铰长度将随着接缝高度的增大而不断增加。

以上述变化规律分析明确等效塑性铰长度后,墩顶的极限位移可按照下式进行计算,即

(6)

2 试验验证

2.1 试验设计和制作

为对上述分析的科学性与准确性进行验证,以预制拼装桥梁工程的桥墩实际参数构建等比例缩小的桥墩以及灌浆套筒的桥墩试件。

2.2 试验加载装置及加载模式

利用两个竖向放置的作动器作为试件施加竖向荷载,使用一个水平放置的作动器作为试件水平方向的荷载应力来源,水平方向施加应力时应当注意先进行力的控制,后进行位移控制的整体施加力方法[3]。在力控制环节,因需要精准采集试件主筋和主体结构的屈服情况,其水平力增加应当以50 kN为一个单位不断增加,直至桥墩墩底的主筋接近于极限屈服状态。在此控制完成之后转为位移环节控制,桥墩墩顶的位移应当由20 mm开始,以10 mm为间隔不断增加至60 mm,达到60 mm后需要设定每个荷载等级的位移加载幅度增加为30 mm,不断增加至桥墩出现损坏,在加载过程中对破坏现象进行观察与记录。

3 试验结果和分析

3.1 试验结果分析

通过对试件的结构应力与位移滞回曲线的分析,可直接看出所建模型在施加应力条件下的基本抗震性能,通过对试验过程中位移、延性变形以及滞回耗能等参数进行记录,结合滞回环形态能够得出试件在地震状态下的破坏机制[4],试验试件的水平力与位移滞回曲线变化如图3所示。

图3 试件水平力-位移滞回曲线

由图3可知,位移加载应力达到210 mm时,试验试件正反方向的位移稳定在150 mm左右。然而,滞回曲线显示明显的下降趋势,在水平应力加载中,对面方向墩底接缝位置钢筋发生断裂,直接影响了桥墩的整体性能。试验中,桥墩的承载能力迅速下降,可能与对面方向墩底接缝处钢筋断裂有关,导致结构严重破坏,试件骨架变化曲线如图4所示。

图4 试件骨架曲线

根据图4数据,试验试件在位移达到±90 mm时出明显的屈服点和强度下降情况,此时试件承受了219 kN的应力。然而,位移加载达到最后一级时,试件的位移下降到150 mm,此时试件的钢筋断裂,导致其承载力下降,对该状态下的水平加载力进行观察得出其应力为160 kN,约为该试件最大加载力的73%。

3.2 拼接缝变形

在受震作用下桥墩的拼接缝形变是评估结构状况的关键指标,特别是对底部与承台连接处的应力开口情况的关注。试验观察表明,预制墩底拼接缝的应力压缩变形达到了6 mm,相较之下,现浇墩底连接位置的变形相对较小。主要差异在于预制墩柱与承台之间存在一层10 mm厚的坐浆层,随着抗震试验的进行,观察到灌浆料挤出形成较大缝隙,导致预制墩底拼接位置在应力损伤后有更大的压缩变形空间。

除拼接缝形变外,预制与现浇桥墩墩底开口形变相似,主要受到墩柱内部钢筋变形和钢筋与混凝土滑移的影响。在灌浆套筒使用过程中,灌浆料存在一定滑移,但通过最小锚固长度的控制可以解决该问题。因此,两种组合方法的开口问题可追溯到相同因素,导致全部应力阶段开口程度基本相似。此外,现浇桥墩一次性浇筑,无施工缝,在水平力作用下,可以将墩底水平滑移看作为零。

3.3 实例对比分析

为对试验得到的数据进行科学性验证,以迎宾大道二期快速化改造工程项目为例进行对比分析。对比以案例工程中套筒直径为66、77和95mm,且对应主筋直径分别为20、32和40 mm的桥墩试件为例,由上述方法得到试验数据,并将试验方法与案例工程得到的预制拼装桥墩的极限位移数据列入表1。

表1 所提方法与案例工程桥墩极限位移实际数据的对比 单位:mm

由表1可知,试验方法与案例工程所提方法的差值均能维持在±0.003 m以内,证明所提方法得到的极限位移数据与实际情况大致相符。试验方法得到的曲率数据与案例数据对比如表2所示。

表2 所提方法与案例工程的桥墩曲率对比 单位:mm

由表2可知,三种不同长度套筒桥墩曲率的试验方法与案例数据的差值均小于0.004 mm,证明试验得到的桥墩曲率数据与实际案例情况大致相符。

4 结 语

综上所述,针对预制拼装桥梁套筒连接的桥墩抗震性能进行研究,通过对桥墩的应力分析得出桥墩体的受震易损点,并对墩顶位移和应力应变曲线进行分析,得出在不同应力条件下预制拼装桥梁套筒连接桥墩的应力与形变关系,通过上述分析得到套筒连接预制拼装桥墩的抗震性能参数。由对比结果可证明,所提计算分析方法与案例工程数据大致相似,证明所提方法能够为案例工程类似项目或研究提供参考。