組合型外包鋼板連接預(yù)制拼裝橋墩擬靜力試驗(yàn)

來(lái)猛剛，楊 敏，劉 浩，李 剛，姚曉飛

(中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710075)

0 引言

隨著我國(guó)大中小城市的快速發(fā)展，交通擁堵問題加劇，城市交通由平面交通向立體交通轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致越來(lái)越多的橋梁在城市中建造。橋梁的現(xiàn)澆施工作業(yè)對(duì)城市交通造成了相當(dāng)大的干擾和壓力?，F(xiàn)澆施工需要搭設(shè)大面積支架和模板，現(xiàn)場(chǎng)需要大量勞動(dòng)力，交通干擾嚴(yán)重，施工效率低其施工周期長(zhǎng)，粉塵及噪聲污染大，橋梁現(xiàn)澆施工已不能滿足社會(huì)發(fā)展和行業(yè)進(jìn)步的需要，嚴(yán)重影響橋梁行業(yè)的綠色健康發(fā)展步伐[1-4]。

橋梁走向裝配化可以避免現(xiàn)澆施工所帶來(lái)的問題。目前，上部裝配式橋梁結(jié)構(gòu)技術(shù)已比較成熟，如裝配式(連續(xù))箱梁、裝配式(預(yù)應(yīng)力)空心板、鋼箱梁等，基本可以滿足常規(guī)中小橋梁的建設(shè)要求[5-7]。下部橋梁裝配式結(jié)構(gòu)技術(shù)在國(guó)外應(yīng)用已比較成熟，如灌漿套筒連接、口袋連接、金屬波紋管連接、承插式連接、預(yù)應(yīng)力連接、濕接連接等[8-14]。但在國(guó)內(nèi)仍處于起步階段，主要形式以灌漿套筒連接、灌漿金屬波紋管連接為主[15-18]，且主要應(yīng)用于低地震烈度區(qū)，對(duì)于適合我國(guó)中高烈度區(qū)的預(yù)制拼裝下部結(jié)構(gòu)建造，必須尋找新的連接形式。

基于此，本研究提出一種組合型外包鋼板連接的預(yù)制拼裝橋墩結(jié)構(gòu)形式，由外包鋼板和精軋螺紋鋼筋組成，并成功應(yīng)用于深圳梅觀高速下部結(jié)構(gòu)中。為研究組合型外包鋼板連接橋墩的抗震性能，前期已經(jīng)進(jìn)行了相應(yīng)的數(shù)值模擬，本研究根據(jù)數(shù)值模擬情況，按照縮尺比1∶3.75，開展了3個(gè)試件的擬靜力試驗(yàn)。

1 擬靜力試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 試件設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)制作了3個(gè)擬靜力試驗(yàn)橋墩試件，分別為同尺寸對(duì)比現(xiàn)澆試件(QD-1)、組合型外包鋼板連接非承插式試件(QD-2)以及承插式試件(QD-3)。立柱的尺寸為400 mm×400 mm×2 400 mm，底座的尺寸為1 000 mm×1 400 mm×500 mm，頂部加載點(diǎn)到立柱底部的距離為2 200 mm，剪跨比為5.5。試件構(gòu)造圖如圖1所示。

圖1 試件構(gòu)造圖(單位：mm)Fig.1 Structure of specimen(unit: mm)

3個(gè)試件均采用Q345鋼材，板件焊接成型。承插式和非承插式試件外包鋼板采用6 mm厚，高度分別為515，390 mm ，承插式外包鋼板埋在承臺(tái)內(nèi)高度為115 mm，在墩柱安裝就位后，澆注自密實(shí)混凝土。為了增加外包鋼板與混凝土之間的連接，在外包鋼板內(nèi)部設(shè)置PBL開孔板，開孔板厚度為6 mm，開孔大小為20 mm。在外包鋼板外部設(shè)置了U型加勁鋼板，厚度為4 mm。體外豎向鋼筋采用Φ18PSB830精軋螺紋鋼筋，墩柱安裝就位后，施加32 kN預(yù)緊力，螺母為YGM螺母。

所有試件墩身和承臺(tái)混凝土均為C40，縱筋采用Φ10HRB335鋼筋，箍筋采用φ8HRB335鋼筋。截面配筋布置如圖2所示。

圖2 截面配筋布置(單位：mm)Fig.2 Reinforcing arrangement on section(unit: mm)

1.2 測(cè)點(diǎn)布置

試驗(yàn)主要測(cè)試內(nèi)容有：(1)普通鋼筋及精軋螺紋鋼筋應(yīng)力；(2)墩底最外側(cè)混凝土/鋼板應(yīng)力；(3)水平荷載和豎向壓力；(4)墩頂和墩身關(guān)鍵位置位移；(5)墩身塑性鉸區(qū)段曲率分布；(6)接縫剪切錯(cuò)動(dòng)、開裂位移以及接縫張開深度。

1.3 加載裝置

1.3.1豎向加載裝置

豎向加載通過(guò)固定在加載橫梁上的千斤頂施加，加載能力為2 000 kN，滿足本次試驗(yàn)加載的需求。為了保證墩柱均勻受壓，在豎向千斤頂和橫梁之間設(shè)置了低摩阻滑槽，允許豎向千斤頂可以水平滑動(dòng)而不會(huì)偏轉(zhuǎn)，并放置了萬(wàn)向鉸。根據(jù)力傳感器荷載反饋數(shù)據(jù)，適時(shí)調(diào)整千斤頂豎向力，保證豎向力維持在預(yù)設(shè)值。

1.3.2水平加載裝置

水平往復(fù)荷載由噸位1 000 kN，位移行程為±150 mm的水平作動(dòng)器施加，作動(dòng)器荷載直接由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲取。

1.3.3基礎(chǔ)錨固裝置

為保證基礎(chǔ)與地面連接的可靠性，采用限位扁擔(dān)梁與高強(qiáng)錨桿將承臺(tái)與地槽固結(jié)。同時(shí)采用工型鋼梁與反力墻相連，約束試件水平方向的滑動(dòng)。試件錨固及加載裝置如圖3所示。

圖3 加載裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of loading device

1.4 加載制度

1.4.1豎向荷載

通過(guò)軸壓比模擬上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量，軸壓比η=N/fckAc;其中N為恒載與預(yù)應(yīng)力筋合力;fck為混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值;Ac為毛截面面積。軸壓比根據(jù)上部結(jié)構(gòu)重量換算，按7%控制，豎向荷載按310 kN施加。

1.4.2水平荷載

水平往復(fù)荷載分兩個(gè)階段，加載之初為力控制加載，隨后變?yōu)槲灰瓶刂苾蓚€(gè)階段，水平位移加載歷程如圖4所示。

圖4 水平位移加載歷程Fig.4 Loading history of horizontal displacement

(1)力控制加載階段：按照10， 20，30 kN……，間隔10 kN進(jìn)行加載，每個(gè)等級(jí)循環(huán)2個(gè)周期，直至水平位移達(dá)到0.075%，換位移加載控制。

(2)位移控制加載階段：按水平加載歷程加載，每級(jí)加載循環(huán)3次，等級(jí)分為0.075%，0.125%，0.25%，0.375%，0.5%，1%，1.5%，2%，3%，4%，5%，6%，7%，8%，9%，10%。加載直到某一位移等級(jí)荷載作用下，水平承載能力下降到最大的85%或者試件發(fā)生嚴(yán)重破壞不能繼續(xù)承受荷載，試驗(yàn)停止。

2 破壞過(guò)程和破壞形態(tài)

3個(gè)試件均是延性破壞，先鋼筋屈服，后混凝土壓碎，最終的破壞形態(tài)如圖5～圖7所示。傳統(tǒng)現(xiàn)澆橋墩更早開裂，采用組合型外包鋼板連接可以有效約束混凝土并延緩混凝土的開裂和剝落程度，外包鋼和加勁肋提高了橋墩底部的剛度和強(qiáng)度。

圖5 QD-1試件破壞Fig.5 Damage of specimen QD-1

圖6 QD-2試件破壞Fig.6 Damage of specimen QD-2

圖7 QD-3試件破壞Fig.7 Damage of specimen QD-3

現(xiàn)澆試件在墩底截面形成了較為充分的塑性鉸，而組合型外包鋼板連接的兩個(gè)試件在外包鋼板以上形成較為充分的塑性鉸；相比于傳統(tǒng)現(xiàn)澆橋墩試件采用組合型外包鋼板連接的兩個(gè)橋墩試件塑性鉸區(qū)上移了大概一個(gè)鋼板高度的位置，破壞比現(xiàn)澆橋墩試件要延遲一段時(shí)間。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 滯回曲線

圖8為3個(gè)試件的荷載-位移滯回曲線。在荷載水平較低時(shí)，各個(gè)試件均表現(xiàn)為彈性狀態(tài)，滯回環(huán)表現(xiàn)為集中和重疊。隨著荷載水平的增加，墩柱底部開裂、豎向主筋屈服、拼接縫出現(xiàn)張開等一些非線性現(xiàn)象的產(chǎn)生，滯回環(huán)逐漸飽滿起來(lái)。整體而言，3個(gè)試件滯回曲線都很飽滿，曲線形狀幾乎都為梭形，說(shuō)明耗能能力都很好，組合型外包鋼板連接試件的極限荷載和極限位移均比現(xiàn)澆試件有所提高。

圖8 荷載-位移滯回曲線Fig.8 Load-displacement hysteresis curves

圖9 骨架曲線Fig.9 Skeleton curves

3.2 骨架曲線

試件骨架曲線如圖9所示。根據(jù)骨架曲線可確定試件的最大荷載Pmax，以最大荷載的85%確定試件的極限位移Δu和極限荷載Pu；雙線性化得到屈服位移Δy、屈服荷載Py。各特征點(diǎn)結(jié)果如表1所示。

表1 骨架曲線特征值Tab.1 Characteristic values of skeleton curves

由圖9和表1可見，3個(gè)試件骨架曲線形狀類似，加載初期呈明顯的線性上升關(guān)系；接著進(jìn)入強(qiáng)化段，荷載仍能隨位移的增長(zhǎng)而增加，但增長(zhǎng)速率小于加載初期；隨著裂縫開展，保護(hù)層混凝土剝落等損傷的累積，試件剛度退化，進(jìn)入強(qiáng)度退化階段，隨位移增加，荷載呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。組合型外包連接試件的屈服荷載和峰值荷載均要大于現(xiàn)澆試件，對(duì)應(yīng)的屈服位移和峰值點(diǎn)位移也大于現(xiàn)澆試件。承插式和非承插式的屈服荷載和峰值荷載相差不多，但非承插式試件由于鋼板與承臺(tái)接觸面未完全連接，接縫有一定張開位移，對(duì)應(yīng)的位移要比承插式大很多。

3.3 延性

3個(gè)試件的位移延性系數(shù)如表2所示。由表可見，組合型外包鋼板連接雖然屈服位移和極限位移均比現(xiàn)澆試件要高，但是延性系數(shù)有所降低，延性性能不如現(xiàn)澆試件好，3個(gè)試件延性系數(shù)均大于3，滿足抗震規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)延性的要求。承插式的延性系數(shù)大于非承插式，所以采用承插連接可以在一定程度上提高預(yù)制拼裝橋墩的延性，具有更好的抗震性能。

表2 位移延性系數(shù)Tab.2 Displacement ductility coefficients

3.4 耗能分析

由圖10可以看出，對(duì)于組合型外包鋼板連接預(yù)制拼裝橋墩，隨著位移不斷增大，等效黏滯阻尼系數(shù)-位移曲線出現(xiàn)抖動(dòng)，但總體上仍呈上升趨勢(shì)，而傳統(tǒng)現(xiàn)澆只是在加載初期出現(xiàn)一次較大抖動(dòng)，后期幾乎一直呈上升趨勢(shì)。在25 mm之前非承插連接方案的耗能要好于承插連接方案，但是隨著位移的不斷增大，承插連接方案的等效黏滯阻尼系數(shù)是明顯大于非承插連接方案的，所以總體來(lái)說(shuō)，承插連接方案的耗能性能要好于非承插連接方案。

圖10 等效黏滯阻尼比曲線Fig.10 Equivalent viscous damping ratio curves

3.5 剛度退化

各試件的剛度退化曲線如圖11所示。由圖不難發(fā)現(xiàn)，初始剛度，承插式大于現(xiàn)澆試件，現(xiàn)澆試件大于非承插式。在加載水平較低時(shí)，剛度退化較快；隨著加載水平的增加，剛度退化逐漸減慢，曲線變得比較平緩；呈現(xiàn)反比例函數(shù)的特征。達(dá)到極限狀態(tài)后的破壞剛度，組合型外包鋼板連接試件要略大于傳統(tǒng)現(xiàn)澆試件，能夠保證橋墩在經(jīng)歷地震作用后的承載能力并具備抗倒塌能力。

圖11 剛度退化曲線Fig.11 Stiffness degradation curves

圖12 殘余轉(zhuǎn)角-位移曲線Fig.12 Curves of residual rotation angle vs. displacement

3.6 殘余變形

圖12為各試件的殘余轉(zhuǎn)角-位移曲線。由圖可以看出，各試件的變化規(guī)律相同，在水平位移達(dá)到11.1 mm之前，各試件殘余位移很小，增長(zhǎng)程度也較小，但是位移超過(guò)33.3 mm以后，殘余位移增大趨勢(shì)明顯。在相同位移加載等級(jí)下，組合型外包鋼板連接橋墩的殘余變形小于傳統(tǒng)現(xiàn)澆橋墩，其主要原因是精軋螺紋鋼筋與鋼板未屈服，為構(gòu)件提供了良好的自復(fù)位能力。另外，承插式比非承插式具有更小的殘余位移，較小的殘余變形利于結(jié)構(gòu)經(jīng)歷地震后的修復(fù)，所以承插式方案比非承插式更適合應(yīng)用于強(qiáng)地震烈度區(qū)。

4 結(jié)論

本研究通過(guò)擬靜力試驗(yàn)，研究組合型外包鋼板連接預(yù)制拼裝橋墩抗震性能，得出以下主要結(jié)論：

(1)組合型外包鋼板連接可以增加墩底塑性鉸區(qū)域的剛度，鋼板的套箍效應(yīng)能夠增加塑性鉸區(qū)域混凝土的約束，導(dǎo)致傳統(tǒng)塑性鉸位置上移1個(gè)外包鋼板的高度，在除鋼板區(qū)域以外彎矩最大的地方形成塑性鉸。

(2)組合型外包鋼板連接預(yù)制拼裝橋墩在水平往復(fù)荷載作用下，極限荷載和極限位移均比現(xiàn)澆試件有所提高；滯回曲線比較飽滿，曲線形狀幾乎都為梭形，耗能能力較好；組合型外包鋼板連接雖然屈服位移和極限位移均比現(xiàn)澆試件要高，但是延性系數(shù)有所降低，延性性能不如現(xiàn)澆試件好，3個(gè)試件延性系數(shù)均大于3，滿足抗震規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)延性的要求。

(3)承插式連接方案比非承插連接方案具有更好的抗震性能。后澆段沒有發(fā)生破壞，滯回環(huán)比非承插連接方案更為飽滿，耗能性能更好，延性方面也好于非承插連接方案。

(4)組合型外包鋼板連接預(yù)制拼裝橋墩抗震性能不弱于現(xiàn)澆橋墩，在設(shè)計(jì)合理的情況下，可以滿足預(yù)期抗震性能的要求。