外包鋼套管預(yù)制拼裝榫頭承插式橋墩力學(xué)性能研究*

米家禾 亓興軍 王天佳 王珊珊

1.山東建筑大學(xué)交通工程學(xué)院 濟南250101

2.浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院 杭州310058

3.山東高速集團有限公司 濟南250098

引言

橋梁作為重要的“城市生命線”，在地震作用下需要達到“小震不壞，中震可修，大震不倒”的設(shè)防目標，為搶險救災(zāi)提供條件。鑒于此，通過優(yōu)化橋墩抗震性能以提高震后橋梁功能的可恢復(fù)性、可修復(fù)性甚至易修復(fù)性研究得到學(xué)者的廣泛關(guān)注［1］，發(fā)展基于性能的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，成為未來橋梁抗震的必然趨勢［2］。海內(nèi)外學(xué)者通過研究橋梁新材料［3-8］、新構(gòu)件［9-12］以及新型結(jié)構(gòu)體系來發(fā)展結(jié)構(gòu)抗震韌性。鋼套管加固法在保證施工便利的同時具有良好的加固效果。國內(nèi)外很多學(xué)者對此進行研究，盧亦焱等［13］對比圓鋼管自密實混凝土加固和增大截面加固，發(fā)現(xiàn)在用鋼量基本相同的情況下，圓鋼管自密實混凝土加固柱的抗震性能優(yōu)于增大截面法加固柱的抗震性能；何岸等［14］對鋼套管再生混凝土加固柱進行橫向循環(huán)荷載研究其抗震性能，發(fā)現(xiàn)鋼套管加固后水平承載力及側(cè)向剛度有顯著提高；吳德寬［15］采用自密實混凝土和局部柱體鋼套管加固法研究對柱體抗震性能的影響，發(fā)現(xiàn)該方法大幅提高框架柱軸壓承載力，并顯著改善構(gòu)件延性及受力性能；侯欣蕾［16］改善傳統(tǒng)鋼套管加固，采用局部鋼圍套加固法優(yōu)化墩柱，發(fā)現(xiàn)該方法加固效果顯著，墩柱剛度顯著提高。

本文針對承插裝配式橋墩震后柱體損傷嚴重不易修復(fù)等問題，提出一種外包鋼套管預(yù)制拼裝榫頭承插式橋墩，具有施工速度快、承載力和抗側(cè)力性能強的特點。通過對該橋墩進行靜力和擬靜力數(shù)值模擬，對比現(xiàn)澆橋墩和外包鋼套管的榫頭承插式橋墩的承載能力、破壞形式、抗震性能，探討外包預(yù)制拼裝榫頭承插式橋墩的力學(xué)性能。

1 外包鋼套管預(yù)制拼裝榫頭承插式橋墩構(gòu)造

由于現(xiàn)澆橋墩和常規(guī)的裝配式橋墩均通過自身滯回變形耗散地震能量，墩身容易發(fā)生嚴重的損傷或破壞。為此，本研究提出一種預(yù)制拼裝榫頭承插式橋墩，在墩柱潛在塑性鉸區(qū)域外包鋼套管，以盡可能減小震后橋墩的塑性損傷。圖1 為本文所優(yōu)化的榫頭承插式橋墩構(gòu)造示意圖，其中墩柱和承臺伸出的預(yù)埋鋼筋通過UHPC（超高性能混凝土）搭接連接，將預(yù)制墩柱和承臺構(gòu)件連成整體結(jié)構(gòu)，預(yù)埋鋼筋搭接長度為十倍的縱筋直徑。對于外包鋼套管的榫頭承插式橋墩，在橋墩受到地震影響時，鋼套管作為第一道抗震防線，可以有效地消耗地震能量，保護墩身，減小對柱體的損傷破壞。

圖1 榫頭承插式橋墩構(gòu)造Fig.1 Structural drawing of pier

2 橋墩參數(shù)

2.1 模型參數(shù)

本文橋墩模型參考文獻［7］中的模型參數(shù)。為研究預(yù)制拼裝榫頭承插式橋墩在潛在塑性鉸區(qū)外包鋼套管加固后的力學(xué)性能，建立現(xiàn)澆橋墩及加固前榫頭承插式橋墩模型進行對照。圖2 為橋墩尺寸圖，其中現(xiàn)澆橋墩墩柱直徑為800mm，相較于現(xiàn)澆橋墩墩身，榫頭承插式橋墩墩身下部伸出一段長為300mm，截面直徑為600mm的“縮進段”作為墩柱承插入承臺凹槽的榫頭，承臺凹槽是直徑為1000mm，深度為300mm 的圓形凹槽；鋼套管加固榫頭承插式橋墩中，圓形鋼套管由Q235 鋼材制成，設(shè)置在承臺與墩身接縫處上方區(qū)域，高度為1 倍的墩柱直徑，厚度為3mm。三種類型橋墩均采用鋼筋規(guī)格為HRB400，現(xiàn)澆橋墩墩身縱向配置13 根公稱直徑為25mm 的鋼筋及42 根間距80mm 的箍筋；預(yù)制拼裝榫頭承插式橋墩縱向配置13 根公稱直徑為25mm 的鋼筋及44 根間距80mm 的箍筋。為保證承臺及墩身鋼筋搭接穩(wěn)定，灌漿料選用R120 的超高性能混凝土將上下部結(jié)構(gòu)連接成整體。

圖2 橋墩尺寸（單位： mm）Fig.2 Pier dimension drawing（unit：mm）

2.2 材料本構(gòu)與單元類型

墩柱混凝土材料采用塑性損傷模型，依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB 50010—2010）［17］中相關(guān)規(guī)定確定應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，結(jié)合損傷因子d設(shè)置混凝土結(jié)構(gòu)塑性損傷模型；鋼材的應(yīng)力-應(yīng)變曲線采用雙折線模型；UHPC 灌漿料選用塑性損傷模型，UHPC 受壓應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系，選用楊劍等［18］提出的UHPC 單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系；UHPC 受拉階段時的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，選用張哲、邵旭東等［19］提出的雙折線模型。

模型中墩身、承臺、UHPC 灌漿料、耗能軟鋼均采用三維實體單元建模，選用八節(jié)點六面體線性減縮積分單元（C3D8R）模擬；墩柱模型中縱筋、箍筋均采用線性桁架單元（T3D2）。

2.3 接觸定義和網(wǎng)格劃分

在ABAQUS中定義接觸和劃分網(wǎng)格會直接影響計算結(jié)果的收斂性和計算精度。普通現(xiàn)澆橋墩整體性好，故將墩身和承臺直接采用綁定約束（Tie）；榫頭裝配式橋墩是采用UHPC 將墩身和承臺連成整體，因此應(yīng)當考慮UHPC 與普通混凝土的接觸問題，縮進段墩身與UHPC 灌漿料的接觸部分切向采用“罰”函數(shù)摩擦模型，摩擦系數(shù)取0.5，法向采用“硬”接觸約束模型；外包圓形鋼套管與混凝土柱體滑移較小可忽略，所以選用綁定約束（Tie）。

2.4 加載工況

擬靜力往復(fù)加載試驗采用位移控制加載，如圖3 所示。在墩頂施加0.3 軸壓比的豎向力，按墩頂水平位移進行加載。加載位移逐級增加10mm，總共分為10 級加載。

圖3 加載制度Fig.3 Loading system

3 豎向承載力比較

對三組橋墩的豎向承載力進行模擬比較。首先對橋墩承臺底部進行固結(jié)，并添加重力荷載，隨后通過對墩頂控制位移加載的方式，逐步施加向下50mm 的豎向荷載，以此得到豎向位移-荷載曲線，對比三種類型橋墩的豎向承載力。橋墩整個受壓過程的荷載-變形曲線如圖4所示，外包鋼套管預(yù)制拼裝榫頭承插式橋墩的豎向承載力相較于現(xiàn)澆橋墩略有提高，在達到最大承載力后外包鋼套管預(yù)制拼裝榫頭承插式橋墩承載力下降段更為平緩。根據(jù)圖5 對比墩身豎向受壓破壞位置可以發(fā)現(xiàn)：對榫頭承插式橋墩的潛在塑性鉸區(qū)域使用外包鋼套管加固后，不僅提升了榫頭承插式橋墩的豎向承載力，還有效地減小墩柱受壓破壞的區(qū)域，塑性鉸上移至鋼套管上接縫處。

圖4 豎向承載力比較Fig.4 Comparison of vertical bearing capacity

圖5 受壓破壞對比（損傷因子）Fig.5 Compression failure comparison（damage factor）

4 水平向承載力比較

橋墩墩身是鋼筋混凝土柱體結(jié)構(gòu)，在水平荷載作用下，隨著墩頂位移的增大，墩身依次經(jīng)歷彈性段，彈塑性段及下降段。當荷載位移曲線到達屈服點時，代表著由彈性段過渡到彈塑性段；到達破壞點時，代表著從彈塑性段進入下降段。本文采用通用屈服彎矩法確定屈服點，破壞點的確定是以構(gòu)件的承載力下降到最大承載力的85%作為構(gòu)件破壞的依據(jù)。表1 為三種類型橋墩的在水平向荷載作用下的力學(xué)參數(shù)對比。

表1 力學(xué)參數(shù)Tab.1 Mechanical parameters

圖6 是三種類型橋墩在0.3 軸壓比下的水平承載力對比圖，其中外包鋼套管榫頭承插式橋墩有著更大的水平承載力，比現(xiàn)澆橋墩的峰值承載力大7.65%。水平荷載作用下橋墩墩身的塑性發(fā)展過程如圖7 所示，其中外包鋼套管在一定程度上減小了在墩身塑性損傷的范圍；現(xiàn)澆橋墩在水平單向荷載作用下受壓側(cè)和受拉側(cè)均出現(xiàn)較嚴重的塑性損傷，而外包鋼管可以有效保護承臺以上的受拉側(cè)墩身，對墩柱榫頭部分的保護效果不明顯；外包鋼套管榫頭承插式橋墩在水平單向荷載作用下，僅在榫頭頂部出現(xiàn)小范圍較嚴重的塑性損傷。

圖6 水平承載力比較Fig.6 Comparison of horizontal bearing capacity

圖7 橋墩墩身塑性發(fā)展過程Fig.7 Plastic development process of pier body

5 抗震性能比較

5.1 滯回曲線和骨架曲線對比

在墩頂施加0.3 倍軸壓比的豎向力，根據(jù)三組橋墩擬靜力往復(fù)加載過程中墩頂?shù)暮奢d位移曲線得到如圖8 的滯回曲線，提取每個加載等級的荷載峰值點得到如圖9 的骨架曲線。由圖8 可看出：三種類型橋墩模型的滯回曲線總體一致，呈較明顯的梭形滯回曲線形態(tài)，曲線飽滿體現(xiàn)出三種類型橋墩都具有較好的耗能能力，滯回環(huán)出現(xiàn)一定捏攏現(xiàn)象，是由于鋼筋的屈服導(dǎo)致耗能能力有所降低。

圖8 滯回曲線對比Fig.8 Hysteresis curve comparison

骨架曲線可以反映試件初始剛度、極限荷載、屈服后剛度和延性等抗震性能指標。表2 為三種類型橋墩在往復(fù)加載下所得骨架曲線的力學(xué)特征點。根據(jù)表2 和圖9 可看出：三種類型橋墩模型的骨架曲線趨勢基本相同，外包鋼管的預(yù)制拼裝榫頭承插式橋墩在水平往復(fù)作用力下的承載能力比現(xiàn)澆橋墩大8.98%；但是外包鋼管的榫頭承插式橋墩延性相較于現(xiàn)澆橋墩和未加固的榫頭承插式橋墩較差，這是由于在外包鋼套管約束潛在塑性鉸區(qū)域混凝土的同時，阻止了混凝土柱體裂縫的充分展開，以致于外包鋼套管頂部形成塑性鉸之后承載力迅速退化。因此外包鋼套管加固在增強抗側(cè)向力的同時損失了一定的延性。外包鋼管預(yù)制拼裝榫頭承插式橋墩的延性系數(shù)大于4，滿足橋墩抗震的要求。

表2 骨架曲線特征點Tab.2 Mechanical characteristic points of skeleton curve

圖9 骨架曲線對比Fig.9 Skeleton curve comparison

5.2 水平等效剛度對比

在周期往復(fù)荷載作用下，橋墩受拉區(qū)混凝土率先開裂，轉(zhuǎn)由鋼筋受拉，受壓區(qū)混凝土開始出現(xiàn)塑性變形，橋墩水平剛度出現(xiàn)下降；隨著荷載增大，縱筋逐漸屈服，裂縫增大，直至受壓區(qū)混凝土被壓碎，構(gòu)件破壞。三種類型橋墩的水平等效剛度退化曲線對比如圖10 所示，其中水平等效剛度隨施加水平位移加大而下降，在達到峰值荷載之前剛度下降幅度較大，而在峰值荷載之后剛度下降幅度較為平緩。在加載初期現(xiàn)澆橋墩的水平等效剛度略大于外包鋼套管榫頭承插式橋墩，在屈服荷載后外包鋼套管榫頭承插式橋墩的水平等效剛度大于現(xiàn)澆橋墩。

圖10 橋墩水平等效剛度對比Fig.10 Comparison of horizontal equivalent stiffness

5.3 耗能性能對比

耗能能力是體現(xiàn)構(gòu)件耗散外界輸入能量的能力。在往復(fù)荷載作用下，構(gòu)件通過自身塑性變形消耗能量。耗能能力由能量耗散系數(shù)E 表示，E越大，表示構(gòu)件在往復(fù)荷載中能量耗散能力越強。圖11 為每級水平荷載下的兩種橋墩的耗散系數(shù)對比，其中榫頭承插式橋墩在局部外包鋼套管后耗能能力得到一定提升，并基本等同于現(xiàn)澆橋墩。

圖11 能量耗散系數(shù)對比Fig.11 Comparison of energy dissipation coefficient

5.4 殘余位移對比

殘余位移是指構(gòu)件在加載變形后，卸載至墩頂水平力為零時所產(chǎn)生的不可恢復(fù)的塑性變形。圖12 為三種橋墩在經(jīng)過往復(fù)荷載作用后的殘余位移對比，其中三種橋墩的最大殘余位移均在50mm左右；墩頂水平位移在4 級荷載以前時，三種橋墩殘余位移差別不大；當墩頂水平位移在4 級荷載之后，相同的滯回位移下外包鋼套管榫頭承插式橋墩的殘余位移比現(xiàn)澆橋墩略大，自復(fù)位能力相較現(xiàn)澆橋墩略有不足。

圖12 殘余位移對比Fig.12 Residual displacement comparison

6 結(jié)論

本文旨在提高榫頭承插式橋墩抗震性能，為此提出了一種局部外包鋼套管的榫頭承插式橋墩，并基于ABAQUS有限元分析軟件建模，通過數(shù)值模擬對比分析三種橋墩的豎向承載力、水平承載力及抗震性能，主要結(jié)論如下：

1.在豎向荷載作用下，預(yù)制拼裝榫頭承插式橋墩在鋼套管的加固下，塑性鉸上移至鋼套管上接縫處，墩身的損傷相對其他兩種橋墩較小，且豎向承載力大于現(xiàn)澆橋墩。

2.在水平荷載作用下，外包圓形鋼套管的預(yù)制拼裝榫頭承插式橋墩相較其他兩種橋墩水平承載力更大，達到峰值荷載后，承載力下降慢且在加載結(jié)束后墩身塑性損傷范圍較小。

3.在水平往復(fù)荷載作用下，局部外包鋼套管預(yù)制拼裝榫頭承插式橋墩具有更強的抗側(cè)向力能力，同時擁有更大的剛度。

4.預(yù)制拼裝榫頭承插式橋墩在潛在塑性鉸區(qū)外包鋼套管后具有良好的抗震性能，整體基本等同現(xiàn)澆橋墩，但自復(fù)位能力相較現(xiàn)澆橋墩略有不足。