裝配式鋼筋混凝土橋墩保護層厚度對抗震性能的影響研究

宋子龍

摘 要：隨著科技的進步和國家經(jīng)濟的發(fā)展，商品的工業(yè)化生產(chǎn)程度越來越高。橋梁施工中追求短時、高效、高質(zhì)量成為新的發(fā)展趨勢，同時人們對施工的環(huán)保要求也有所提高。近幾年來，隨著橋梁設(shè)計以及施工工藝的不斷更新和發(fā)展，橋墩結(jié)構(gòu)更加趨向于質(zhì)量輕、強度高、施工便捷。裝配式橋墩解決了市區(qū)大規(guī)?，F(xiàn)場施工的建橋方式，給城市交通和居民生活帶來一系列的問題。本文針對矩形截面鋼筋混凝土拼裝橋墩展開研究，分析了裝配式橋墩在地震作用下發(fā)生的病害以及相應(yīng)的加固措施，并通過建立有限元模型，著重研究了混凝土保護層厚度對于抗震性能的影響，得出合理的設(shè)計參數(shù)，達到抗震性能和經(jīng)濟性的最優(yōu)設(shè)計，為以后該類型橋墩設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：橋梁抗震 橋墩 保護層厚度 模型分析

1.引言

橋梁結(jié)構(gòu)作為現(xiàn)代交通系統(tǒng)的重要組成部分，在經(jīng)濟發(fā)展中起到了舉足輕重作用。隨著城市道路快速化進程的推進，越來越多的城市選擇城市高架作為城市交通的組成部分。現(xiàn)有橋梁設(shè)計除了對結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性進行設(shè)計外，還要考慮城市環(huán)境下施工的便捷性和可操作性。由于施工現(xiàn)場周圍存在大量的現(xiàn)行交通和居民，在施工時應(yīng)最大限度的減少對現(xiàn)有交通的干擾，和對居民正常生活的干擾，盡可能的縮小作業(yè)空間和施工工期。這些要求促進了城市橋梁建設(shè)中工業(yè)化拼裝的推廣。裝配式橋墩正逐漸被城市高架、大橋引橋等規(guī)模較大、結(jié)構(gòu)相似度高的工程采納。與現(xiàn)澆橋墩相比，裝配式橋墩施工工期大規(guī)?？s短，用人成本減少、由于是工廠預(yù)制，節(jié)段橋墩質(zhì)量得到保證、施工時對周圍環(huán)境影響較小。

隨著裝配式結(jié)構(gòu)的引用推廣，裝配式橋墩在高抗震等級地區(qū)的應(yīng)用也越來越多。裝配式橋墩的抗震性能成為整體橋梁結(jié)構(gòu)抗震的重要環(huán)節(jié)。由于預(yù)制拼裝橋墩還處于起步階段，工程中尚未廣泛運用，地震中發(fā)生破壞的實例較少，地震作用下的破壞機理仍未清晰，因此尚未大規(guī)模應(yīng)用在抗震要求較高的地區(qū)。本文通過研究橋墩抗震加固，考慮不同混凝土保護層厚度下的墩柱抗震性能，根據(jù)相關(guān)的模型參數(shù)，得出合理的設(shè)計參數(shù)，達到抗震性能和經(jīng)濟性的最優(yōu)設(shè)計，為相關(guān)的研究與工程實踐提供參考借鑒。

2.預(yù)制拼裝橋墩震害

根據(jù)現(xiàn)狀橋梁設(shè)計狀況來看，相對于預(yù)制拼裝主梁的應(yīng)用，預(yù)制拼裝橋墩工程應(yīng)用較少。在施工中，通常是根據(jù)橋墩設(shè)計，將橋墩分成若干標準預(yù)制段，在工廠進行預(yù)制后運至施工現(xiàn)場進行現(xiàn)場拼裝。橋梁長度越長、墩高越高、墩數(shù)越多，就越能體現(xiàn)預(yù)制拼裝的優(yōu)勢。當橋梁在地震作用下時，橋梁結(jié)構(gòu)破壞形式主要以下部結(jié)構(gòu)破壞為主，且下部破壞會導(dǎo)致橋梁整體功能損失，后果也比較嚴重。

2.1 整體抗剪能力減弱

由于存在節(jié)段間接縫，并且由于施工工藝等現(xiàn)場因素，因此接縫質(zhì)量會存在一定問題，橋墩整體性偏弱，剪切強度會大幅減小，橋墩整體的延性和耗能能力會比整體澆筑橋墩弱，接縫處可能發(fā)生破壞。

2.2塑性鉸區(qū)破壞

地震作用下承臺與樁的連接處、墩身與基礎(chǔ)的連接處、墩身在靠近地面處以及墩帽與墩身連接處會形成塑性鉸段，導(dǎo)致縱向壓縮應(yīng)變較大，可能導(dǎo)致橋墩的保護層混凝土開裂或破碎。破壞時會首先出現(xiàn)裂縫，隨著荷載作用混凝土壓碎、崩裂，鋼筋發(fā)生屈曲變形形成塑性鉸。

2.3連接部位局部破壞

由于存在節(jié)段拼接，橋墩各節(jié)段接縫主要依靠預(yù)應(yīng)力連接。在地震作用下接縫較弱的地方可能發(fā)生轉(zhuǎn)動，會引起連接主筋拉斷或者局部混凝土壓壞。其影響因素包括：混凝土強度、縱向鋼筋以及箍筋強度，接縫連接程度等。

3.提升抗震性能的措施

針對裝配式橋墩在地震作用下的破壞機理、施工工藝、設(shè)計規(guī)范，通過理論研究、試驗分析與軟件仿真計算，提升其抗震性能可從改進結(jié)構(gòu)形式與材料、節(jié)段連接方式等方面進行。

3.1 增加截面

增大構(gòu)件截面面積主要方法有增大受力鋼筋主筋截面面積、增加箍筋配筋率、增加混凝土外保護層厚度。在抗震加固中，此類加固方法從原理上包括了鋼筋網(wǎng)高性能水泥復(fù)合砂漿法、粘貼鋼板法、粘貼纖維復(fù)合材料法以及采用新型結(jié)構(gòu)材料包括新型混凝土和高強鋼筋等。這些加固方法都是通過增加混凝土墩柱橫截面積，提高了墩柱的承載能力，使正常使用階段的性能得到改善。但是由于結(jié)構(gòu)剛度的增加，結(jié)構(gòu)的延性降低，抗震能力減弱。綜合考慮，增大截面面積，并不是越大越好，需要同時兼顧承載力和延性的雙重作用。

增大截面的優(yōu)點是：對于橋梁加固可在保持正常橋面運營的情況下，在橋梁下部進行施工，加固工作量不大，而且效果顯著，被廣泛用于結(jié)構(gòu)的強度、剛度和穩(wěn)定性加固。對于新建橋梁來說，增加截面面積造價較低，施工工藝簡單。

缺點在于：結(jié)構(gòu)自重增加，容易造成結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)承載力不足，必要時還須對原結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)進行加固。隨著剛度的增大，結(jié)構(gòu)延性降低，結(jié)構(gòu)抗震能力減弱。

3.2增加預(yù)應(yīng)力

預(yù)應(yīng)力加固法是對結(jié)構(gòu)構(gòu)件或建筑物整體通過外加預(yù)應(yīng)力部件來進行加固的方法。通過對拉桿或撐桿施加預(yù)應(yīng)力，使得原結(jié)構(gòu)的內(nèi)力重分布，降低了應(yīng)力較大部位的應(yīng)力水平，有效改善了結(jié)構(gòu)應(yīng)力，于此同時，后加的預(yù)應(yīng)力筋與原結(jié)構(gòu)共同工作，相當于增加了結(jié)構(gòu)配筋率，提高了結(jié)構(gòu)總體承載力和抗裂性能。

體外預(yù)應(yīng)力方法不僅能夠?qū)υY(jié)構(gòu)進行補強，同時也起到了卸荷，改變結(jié)構(gòu)內(nèi)力，適用于大跨結(jié)構(gòu)加固。其缺點是施工過程當中，需要專業(yè)的設(shè)備和工序，對施工人員要求比較高，另外，使用體外預(yù)應(yīng)力筋加固時，預(yù)埋在混凝土結(jié)構(gòu)上的預(yù)應(yīng)力筋轉(zhuǎn)向塊和預(yù)應(yīng)力連接構(gòu)件會出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，很容易發(fā)生局部混凝土剝離或構(gòu)件破壞。

3.3改進節(jié)段形式與連接方式

改進節(jié)段形式包括改變節(jié)段長度和節(jié)段劃分形式，比如將橫向分段變?yōu)樨Q向分段。當橋墩高度較小時，可以采用豎向分節(jié)段設(shè)置或者采用整體預(yù)制的方法。根據(jù)實際情況，采用靈活的設(shè)計方法和施工方案可進一步提高施工的方便性和效率。

連接方式主要包括節(jié)段與基礎(chǔ)承臺之間連接以及節(jié)段之間的連接。更改連接方式主要包括節(jié)段和基礎(chǔ)承臺之間的連接可以采用底部墩柱與承臺整體現(xiàn)澆，確保在地震作用下現(xiàn)澆段可以形成塑性鉸。節(jié)段與節(jié)段之間的連接需要提高連接縫的抗剪能力，防止出現(xiàn)剪切破壞。處理方式包括設(shè)置剪力鍵或者接觸面涂環(huán)氧樹脂水泥膠以提升抗剪能力與整體性。

4.軟件分析保護層厚度對橋墩抗震性能的影響

4.1保護層厚度對橋墩立柱的影響

根據(jù)上述橋梁墩臺加固方法的研究可知，適當增大受力鋼筋主筋截面面積、增加箍筋配筋率、增加混凝土外保護層厚度等方法均能夠提高橋墩的抗震性能?，F(xiàn)在常用的加固方法例如鋼筋網(wǎng)高性能水泥復(fù)合砂漿法、粘貼鋼板法、粘貼纖維復(fù)合材料法均是在原有結(jié)構(gòu)外部包裹材料，類似于增加保護層厚度以增加截面面積和強度。對于預(yù)制橋墩，適當增加保護層厚度，能增加結(jié)構(gòu)的抗震性能。

本論文以混凝土保護層厚度作為研究對象，利用有限元計算軟件OPENSEES對相同軸壓比下保護層厚度作為變量因素進行數(shù)值模擬，計算出相應(yīng)的滯回曲線、骨架曲線。以保護層厚度作為變參數(shù)，比較不同保護層厚度下模擬計算結(jié)果的滯回性能，驗證不同保護層厚度下混凝土墩柱抗震性能是否可以得到改善。

4.2方案設(shè)計

根據(jù)實際橋墩的受力特點，利用軟件模擬時可以將橋墩模型建立為懸臂梁模型。對于常規(guī)橋梁，橋梁墩柱高度一般為截面直徑或?qū)挾鹊?.5-10倍。如果按照實際橋墩尺寸進行計算，OPENSEES軟件劃分段單元會比較復(fù)雜，計算效率將大大降低，為了簡化計算，按照實際尺寸進行等比例縮放，選擇模型尺寸為橫截面200mm×200mm，高度900mm。采用C 3 0商品混凝土，縱筋采用B12@100布置，沿墩高方向設(shè)置箍筋按A8@100布置。

本研究以混凝土保護層厚度為變參數(shù)研究墩柱的抗震性能的影響，選取3組不同的保護層厚度，t=25mm、t=30mm、t=35mm。根據(jù)橋梁實際情況，橋墩在受到地震力作用時，除了地震荷載，地基約束力，還會受上部結(jié)構(gòu)的豎向荷載以及由上部結(jié)構(gòu)慣性力產(chǎn)生的水平作用。當橋墩頂部發(fā)生較大的水平位移時，豎向荷載的偏心壓力會產(chǎn)生較大的附加彎矩，即P-？效應(yīng)。因此，在模型建立時，需要考慮上部豎向荷載。本研究設(shè)定軸壓比為0.3，通過豎向力的形式加載在立柱頂部，并隨著墩頂位移而始終保持豎向加載。

4.3有限元模型建立

對于該有限元計算采用OPENSEES軟件，并將混凝土立柱在建立模型時對結(jié)構(gòu)內(nèi)部核心混凝土、鋼筋、保護層混凝土分別建立，并進行纖維劃分?；炷晾w維單元采用20*20mm截面，其中對于混凝土采用Concrete02 Material模型，對鋼筋使用Steel02 Material模型。

4.4滯回曲線分析

通過提取文件計算數(shù)據(jù)，通過EXCEL進行數(shù)據(jù)處理分析，可以得到各試件的滯回曲線計算結(jié)果。

滯回曲線是模擬地震作用中構(gòu)件的承載力與水平位移（柱頂）的關(guān)系曲線，能夠很直接的反映結(jié)構(gòu)的延性及耗能能力。滯回曲線單次循環(huán)一次所包圍的面積越大，說明結(jié)構(gòu)的耗能能力越好，結(jié)構(gòu)延性越強。從圖1～3可以看出，不同保護層厚度結(jié)構(gòu)的滯回曲線均呈現(xiàn)出“捏縮”效應(yīng)，這是一般的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)正常的現(xiàn)象，說明這個結(jié)構(gòu)塑性變形能能力較強，能較好地吸收地震能量。隨著保護層厚度的增加，相同往返周數(shù)下，滯回曲線所包圍的面積逐漸增大，同時發(fā)現(xiàn)在線彈性范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)最大承載也逐漸增加，結(jié)構(gòu)變形能力加大，抗震性能增強。

4.5骨架曲線計算結(jié)果

將計算所得的滯回曲線外包絡(luò)線相連接，就可以得到結(jié)構(gòu)的骨架曲線。曲線與利用pushover得到曲線大致相同。骨架曲線能夠更加直觀的確定結(jié)構(gòu)的極限承載力、屈服位移荷載等相關(guān)內(nèi)容。

從圖4可以看出，三種構(gòu)件在最初的加載均為線彈性結(jié)構(gòu)，隨著位移的增加，當達到結(jié)構(gòu)的最大承載力后，結(jié)構(gòu)承載力出現(xiàn)下滑狀態(tài)。保護層厚度越大，結(jié)構(gòu)的最大承載力越大，但隨后的變化趨勢相同，說明厚度越大，結(jié)構(gòu)延性越好，抗震能力越強。

5.結(jié)語

在增加保護層厚度后，試件的延性提高，承載力也出現(xiàn)了增長。保護層厚度適當時，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)理想的破壞狀態(tài)，保護層首先出現(xiàn)裂縫，形成塑性鉸，隨后發(fā)生破壞。但如果保護層厚度過大，破壞時，混凝土未發(fā)生破壞，整體結(jié)構(gòu)會由于連接部位鋼筋最先發(fā)生屈服而整體斷裂，而不出現(xiàn)塑性鉸區(qū)域，混凝土造成浪費，因此，不能只一味地增加保護層厚度。此外，保護層越厚，結(jié)構(gòu)自重越大，反而對抗震產(chǎn)生不利的影響。

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