預(yù)制雙柱墩設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)抗震性能的影響分析

王 健，閆 暢，劉 釗，張建東,4

(1. 江蘇省南京市公路事業(yè)發(fā)展中心公路科學(xué)研究所，南京 210039；2. 蘇交科集團(tuán)股份有限公司，南京 211112；3. 東南大學(xué)，南京 210096；4. 南京工業(yè)大學(xué)，南京 211816)

混凝土橋梁的預(yù)制裝配化技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)工廠化預(yù)制，加快施工速度，減輕工程對(duì)環(huán)境的影響，易于保證工程質(zhì)量，且能降低橋梁生命周期成本，工程界正逐步發(fā)覺并認(rèn)同該技術(shù)的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)[1-2]。近幾年，預(yù)制裝配式橋墩在我國(guó)逐漸推廣運(yùn)用，許多跨海大橋和城市高架都用到這種新型結(jié)構(gòu)橋墩。而預(yù)制裝配式橋墩的抗震性能直接影響結(jié)構(gòu)的受力性能，對(duì)預(yù)制裝配式橋墩的發(fā)展至關(guān)重要。

現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外對(duì)預(yù)制裝配式橋墩的研究，大都集中在獨(dú)柱墩上[3-5]，而對(duì)預(yù)制裝配式雙柱墩的研究十分缺乏，這主要是因?yàn)閱沃帐芰珊?jiǎn)化為單自由度計(jì)算模型，力學(xué)圖示較為簡(jiǎn)單，而雙柱墩為超靜定結(jié)構(gòu)，在側(cè)向力作用下墩柱上下端均可產(chǎn)生塑性鉸，其力學(xué)計(jì)算模型較為復(fù)雜，動(dòng)力響應(yīng)及滯回特性與獨(dú)柱墩有明顯區(qū)別[6]。Kwan等[7]利用DIANA有限元分析軟件建立了框架式預(yù)制裝配式橋墩模型，分析了無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力橋墩的抗震性能。Hieber等[8]總結(jié)了預(yù)制混凝土橋墩的關(guān)鍵問題，從施工角度提出了兩類節(jié)段拼裝框架墩方案。Cheng[9]通過(guò)變化試驗(yàn)參數(shù)開展了58次拼裝框架墩的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，研究了其動(dòng)力特性與抗震性能，并推導(dǎo)了試驗(yàn)墩阻尼系數(shù)的計(jì)算方法。展丙來(lái)[10]在縱向和橫向地震作用下，對(duì)比分析節(jié)段拼裝雙柱墩與現(xiàn)澆雙柱墩的地震響應(yīng)情況，研究了在不同工況下減隔震措施的減震應(yīng)用效果、減隔震支座設(shè)置和參數(shù)選擇原則。本文根據(jù)以往雙柱墩在低周往復(fù)荷載下的試驗(yàn)資料，通過(guò)改變一部分設(shè)計(jì)參數(shù)，分析這些設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)預(yù)制裝配式雙柱墩的抗震性能的影響，為今后的橋墩設(shè)計(jì)提供合理化參數(shù)建議。

1 計(jì)算模型

本文針對(duì)普通鋼筋混凝土墩(RC墩)和預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土墩(PC墩)這兩類預(yù)制裝配式橋墩，通過(guò)對(duì)其施加循環(huán)往復(fù)荷載進(jìn)行有限元分析，研究其抗震性能。以某預(yù)制裝配式雙柱墩工程為原型建立有限元模型，墩柱分兩節(jié)段預(yù)制，節(jié)段之間通過(guò)“干接縫+無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋+接縫面縱向耗能鋼筋”的形式連接，試件構(gòu)造形式如圖1所示。墩柱高為 750 cm，中心間距為710 cm，圓形墩柱截面直徑為100 cm。研究設(shè)計(jì)參數(shù)包括恒載軸力比、預(yù)加力軸力比和接縫面縱向鋼筋配筋率。根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)的不同取值設(shè)計(jì)了10種雙柱墩結(jié)構(gòu)，預(yù)制裝配式雙柱墩相關(guān)參數(shù)如表1所示。

(a) RC試件 (b) PC試件

表1 預(yù)制裝配式雙柱墩相關(guān)參數(shù)

(續(xù)表)

2 有限元計(jì)算

本次預(yù)制裝配式雙柱墩的抗震性能分析運(yùn)用實(shí)體有限單元法，通過(guò)有限元軟件ABAQUS進(jìn)行模擬[11]。混凝土單元采用縮減積分八節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元(C3D8R)，鋼筋采用T3D2桁架單元；混凝土本構(gòu)模型采用塑性損傷模型(CDP模型)，其損傷因子變化曲線如圖2所示；鋼筋本構(gòu)模型采用雙折線模型；預(yù)應(yīng)力鋼束采用降溫法施加預(yù)應(yīng)力；材料參數(shù)如表2所示。

(a) 受壓損傷因子變化曲線

接縫面采用HARD CONTACT接觸，切向摩擦系數(shù)為0.5；將基礎(chǔ)在底部進(jìn)行固結(jié)處理并假定其為剛性結(jié)構(gòu)。為驗(yàn)證有限元模型參數(shù)取值的正確性，以臺(tái)灣地震研究中心開展的裝配式橋墩擬靜力試驗(yàn)[3]中C8C試件研究為背景，該試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎谩邦A(yù)應(yīng)力筋+耗能鋼筋”的連接形式，建立如圖3所示的預(yù)制橋墩有限元模型。計(jì)算所得的接縫面張開量對(duì)比如圖4所示。由圖4可知，數(shù)值模擬得到的接縫張開量與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，最大不超過(guò)7.9%。模擬結(jié)果滿足精度要求，該有限元模型參數(shù)可以用于模擬裝配式橋墩及其接縫局部受力行為。

表2 材料參數(shù) (MPa)

圖3 預(yù)制橋墩有限元模型

圖4 接縫面張開量對(duì)比

3 計(jì)算結(jié)果

對(duì)兩類橋墩(RC/PC墩)開展計(jì)算機(jī)有限元分析，分析得到往復(fù)力作用下預(yù)制橋墩的應(yīng)力分布如圖5所示。

本文針對(duì)預(yù)制裝配式雙柱墩在不同設(shè)計(jì)參數(shù)下進(jìn)行抗震性能分析，比較恒載軸力比、預(yù)加力軸力比和接縫面縱向鋼筋配筋率這3個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)滯回曲線、骨架曲線、殘余變形、接縫面張開量及剪切滑移量的影響，綜合研究預(yù)制裝配式雙柱墩的滯回特性與自復(fù)位能力。

(a) RC試件的豎向應(yīng)力分布

3.1 滯回曲線

滯回曲線是結(jié)構(gòu)在循環(huán)往復(fù)荷載加載時(shí)得到的荷載-位移的關(guān)系曲線，它能夠反映出結(jié)構(gòu)的承載能力、耗能性能、結(jié)構(gòu)抗力、剛度以及延性等方面的性能[12-13]，是抗震分析的基礎(chǔ)。

圖6為不同預(yù)制裝配式雙柱墩的荷載-位移滯回曲線。通過(guò)觀察可知，當(dāng)試件在較低偏轉(zhuǎn)率階段工作時(shí)，荷載-位移滯回環(huán)表現(xiàn)為集中和重疊現(xiàn)象，橋墩結(jié)構(gòu)基本處于彈性階段。隨著側(cè)向往復(fù)荷載的增大，接縫面開始張開，隨后縱向鋼筋開始屈服，滯回曲線逐漸拉開，滯回曲線所包圍的面積越來(lái)越大，結(jié)構(gòu)的耗能能力逐漸變強(qiáng)。由于受一定的滑移影響，滯回曲線存在一定的捏攏現(xiàn)象，整體呈現(xiàn)出弓形。由圖6(a)可知，RC墩與PC墩受力差異較大，增加耗能鋼筋與預(yù)應(yīng)力筋的橋墩滯回曲線更飽滿，耗能能力顯著提高。由圖6(b)和圖6(c)可知，墩柱接縫面縱向鋼筋配筋率的增加能夠有效提高結(jié)構(gòu)峰值承載力及耗能能力，縱向鋼筋的配筋率越大，滯回曲線越飽滿，包圍的面積越大，耗能性能越好。由圖6(d)和圖6(e)可知，恒載及預(yù)加力軸力比的增加并不能明顯提高預(yù)制裝配式橋墩的側(cè)向承載力，結(jié)構(gòu)滯回曲線的飽滿程度基本上沒有變化。

(a) 有無(wú)預(yù)應(yīng)力

3.2 骨架曲線

骨架曲線是指墩頂力-位移滯回曲線每次循環(huán)的最大值點(diǎn)所組成的包絡(luò)曲線，它是研究結(jié)構(gòu)抗震性能的重要指標(biāo)參數(shù)，能夠反映預(yù)制橋墩結(jié)構(gòu)的初始剛度、屈服荷載、極限荷載、屈后剛度及結(jié)構(gòu)延性等抗震性能指標(biāo)[14]。

根據(jù)計(jì)算機(jī)有限元分析，預(yù)制裝配式雙柱墩骨架曲線如圖7所示。

由圖7(a)和圖7(b)可知，墩柱接縫面縱向普通鋼筋配筋率的增加能夠有效提高結(jié)構(gòu)峰值承載力，每提高0.5%的截面配筋率，RC墩的承載力將提高25%左右，PC墩的承載力提高1倍左右。由圖7(c)和圖7(d)可知，墩柱恒載軸力比的增加能夠有效提高預(yù)制裝配式橋墩側(cè)向承載力，相對(duì)于RC2墩(軸力比為0.15)結(jié)構(gòu)，RC5墩(軸力比為0.25)的承載力提高了20%左右，相對(duì)于PC3墩(軸力比為0.05)，PC4墩(軸力比為0.15)的承載力提升了10%～20%。由圖7(e)可知，預(yù)加力軸力比不同而恒載軸力比相同的預(yù)制橋墩(PC2墩和PC3墩)，結(jié)構(gòu)的初始剛度和峰值抗力基本一致，所以預(yù)應(yīng)力對(duì)峰值抗力的貢獻(xiàn)是有限的。

(a) RC墩耗能鋼筋配筋率

3.3 殘余變形

殘余變形是指構(gòu)件從加載變形，再卸載至0后，不可恢復(fù)的塑性變形。結(jié)構(gòu)的殘余變形主要表征結(jié)構(gòu)的自復(fù)位能力，對(duì)于裝配式雙柱墩來(lái)說(shuō)，主要表現(xiàn)在墩頂?shù)奈灰萍八苄糟q區(qū)的轉(zhuǎn)角。

根據(jù)計(jì)算機(jī)有限元分析，預(yù)制裝配式雙柱墩殘余變形曲線如圖8所示。由圖8(a)可知，隨著縱向鋼筋配筋率的增加，RC墩結(jié)構(gòu)的殘余變形呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，配筋率為1.5%時(shí)殘余變形最小。由圖8(b)可知，PC墩的殘余應(yīng)變隨縱向鋼筋配筋的變大增長(zhǎng)較快，這是由于預(yù)應(yīng)力筋增加了結(jié)構(gòu)的變形能力。隨著偏移量的增大，結(jié)構(gòu)的殘余變形增長(zhǎng)速率變快。由圖8(c)可知，墩柱恒載軸力比的變化對(duì)RC雙柱墩影響較大，隨著恒載軸力比的增加，結(jié)構(gòu)的殘余變形也增加，較大恒載軸力比下墩柱在大偏轉(zhuǎn)量時(shí)殘余變形增長(zhǎng)較快，不利于裝配式橋墩的抗震。因此，若考慮結(jié)構(gòu)的自復(fù)位能力，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)優(yōu)先選用較低的恒載軸力比。由圖8(d)和圖8(e)可知，恒載和預(yù)加力軸力比對(duì)結(jié)構(gòu)的自復(fù)位能力貢獻(xiàn)有限。

(a) RC墩耗能鋼筋配筋率

3.4 接縫面張開量

在進(jìn)行預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)的有限元分析時(shí)，接縫面采用HARD CONTACT接觸，接觸面法向能夠傳遞豎向受壓荷載，當(dāng)接觸壓力為0或?yàn)樨?fù)值時(shí)，接縫將自動(dòng)張開；接觸面切向之間的作用采用庫(kù)侖摩擦模型，摩擦系數(shù)取0.5，該模型能夠反映預(yù)制裝配式雙柱墩不同塑性鉸區(qū)域(包含墩頂與墩底)的接縫交替開合現(xiàn)象，同時(shí)也能揭示其總體受力特征。

通過(guò)有限元分析結(jié)果可知，預(yù)制裝配式雙柱墩接縫面張開主要集中在墩頂和墩底節(jié)段，中間接縫面的張開量可以忽略不計(jì)。取墩底接縫張開量進(jìn)行分析，有限元分析得出的預(yù)制裝配式雙柱墩接縫張開量如圖9所示?？梢钥闯觯琍C墩的接縫張開量普遍大于RC墩的接縫張開量，這主要是由于RC墩所選用的縱向耗能鋼筋配筋率均大于PC墩中采用的縱向耗能鋼筋配筋率。

因此，耗能鋼筋的配筋率能夠有效減輕接縫面的局部張開現(xiàn)象。針對(duì)PC墩，隨著軸力比的增加，接縫面的張開量將有所降低，預(yù)加力軸力比貢獻(xiàn)更大，提高0.05的預(yù)加力軸力比，接縫面張開量可降低30%左右，能夠有效減輕接縫面的局部張開現(xiàn)象。

(a) RC墩耗能鋼筋配筋率

3.5 剪切滑移量

由有限元仿真分析結(jié)果可知，預(yù)制墩柱的節(jié)段間剪切變形較小，主要發(fā)生在墩身與承臺(tái)的接縫處。研究發(fā)現(xiàn)各試件的剪切變形分布較為接近，RC墩的剪切滑移量普遍小于PC墩的剪切滑移量。隨著偏轉(zhuǎn)率的增大，墩底的剪切變形增長(zhǎng)較快(45 mm以內(nèi))，而墩身的剪切變形增長(zhǎng)較慢(5 mm以內(nèi))。有限元分析得出的預(yù)制裝配式雙柱墩墩底剪切滑移量如圖10所示。

(a) RC墩耗能鋼筋配筋率 (b) PC墩耗能鋼筋配筋率 (c) RC墩恒載軸力比

由圖10(a)和圖10(b)可知，墩底剪切滑移量隨著縱向鋼筋配筋率的增加呈現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，對(duì)比骨架曲線可以發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于PC5墩，PC1墩的抗剪承載力提高了1倍左右，使得接縫面的剪切變形有所增加，因此，縱向耗能鋼筋配筋率的提高將增加接縫面的剪切滑移量。由圖10(c)、圖10(d)和圖10(e)可知，隨著軸力比增加，剪切滑移量將有所降低，以PC2墩和PC3墩為例，兩座橋墩的抗剪承載力相差不大，但較大軸力比可以提高接縫截面處的抗剪剛度，可減少截面處50%以上的剪切滑移量。

4 結(jié)論

本文利用有限元軟件ABAQUS針對(duì)兩類預(yù)制裝配式雙柱墩(RC/PC墩)進(jìn)行了模擬分析，主要研究不同恒載軸力比、預(yù)加力軸力比及接縫面縱向鋼筋配筋率對(duì)結(jié)構(gòu)滯回曲線、骨架曲線、殘余變形、接縫面張開量及剪切滑移量的影響，得到的主要結(jié)論如下。

(1) 由于剪切滑移量的存在，試件滯回曲線均存在一定程度的捏縮效應(yīng)，RC墩的接縫面張開量與剪切滑移量普遍低于PC墩，但是增加縱向耗能鋼筋的PC墩耗能能力優(yōu)于RC墩，極限承載力更大，滯回曲線更飽滿。

(2) 接縫面縱向耗能鋼筋對(duì)耗能能力和抗剪承載力影響較大，鋼筋配筋率越大，結(jié)構(gòu)耗能能力越大，抗剪承載力越高，但是剪切滑移量會(huì)增加，推薦配筋率采用1.5%，此時(shí)結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)變較小，自復(fù)位能力較好。

(3) 軸力比主要影響接縫面張開量和剪切滑移量，但對(duì)結(jié)構(gòu)的自復(fù)位能力貢獻(xiàn)不大。隨著軸力比增加，接縫面張開量和剪切滑移量將有所降低，能夠抵抗接縫面的局部張開現(xiàn)象。