采用UHPC材料連接的裝配式橋墩抗震性能研究

趙 卓， 耿佳碩， 王建強(qiáng)

(1.寧波工程學(xué)院 浙江省土木工程工業(yè)化建造工程技術(shù)研究中心， 浙江 寧波 315000； 2.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092； 3.鄭州大學(xué) 土木工程學(xué)院， 河南 鄭州 450001)

0 引言

超高性能混凝土(UHPC)具有高強(qiáng)度、高韌性、高耐久性以及良好的工作性能，特別是具有較高的抗拉性能和延性[1-4]。因此，近年來UHPC在橋面鋪裝、裝配式結(jié)構(gòu)中應(yīng)用廣泛。目前，裝配式施工技術(shù)已在橋梁上部結(jié)構(gòu)施工過程中成熟應(yīng)用。為進(jìn)一步縮短施工工期，下部橋墩也開始逐步采用裝配式施工技術(shù)。該技術(shù)主要有插槽式連接、承插式連接和灌漿套筒連接等連接方式。但這些連接方式施工難度較大，施工速度受到影響。而采用UHPC作為拼接段的灌注材料，可以利用其早期強(qiáng)度高、自密實(shí)性等優(yōu)點(diǎn)提高施工速度，發(fā)揮裝配式的優(yōu)勢(shì)。彭超凡等[5]對(duì)采用UHPC連接的預(yù)制柱進(jìn)行了擬靜力試驗(yàn)，研究了搭接段長(zhǎng)度對(duì)預(yù)制柱抗震性能的影響，結(jié)果表明，搭接長(zhǎng)度為10d的UHPC連接試件與整澆構(gòu)件的抗震性能相當(dāng)。莫金生等[6]對(duì)采用UHPC連接的預(yù)制橋墩進(jìn)行擬靜力試驗(yàn)，結(jié)果表明，預(yù)制橋墩的破壞為中部標(biāo)準(zhǔn)段的彎曲破壞，橋墩底部連接段無明顯破壞。Tazarv等[7-8]對(duì)采用UHPC作為灌漿套筒連接灌漿材料的預(yù)制裝配式橋墩進(jìn)行了擬靜力試驗(yàn)，結(jié)果表明，采用UHPC作為灌漿套筒的灌漿材料可以減小套筒連接長(zhǎng)度，并且采用這種連接方式的裝配式橋墩具有良好的抗震性能。Yang等[9]對(duì)高烈度區(qū)采用UHPC連接的裝配式橋墩進(jìn)行了擬靜力試驗(yàn)，與普通連接方式相比，采用UHPC連接可以有效減小裝配式橋墩的破壞，明顯提高其承載力和剛度。

本文結(jié)合實(shí)際工程，分別對(duì)采用UHPC材料連接的裝配式橋墩和整體現(xiàn)澆橋墩進(jìn)行分析，研究橋墩的抗震性能。

1 工程概況

某高速公路連接線工程中部分橋墩采用UHPC濕接縫連接的裝配式橋墩，橋墩由承臺(tái)、立柱和蓋梁3部分組成。承臺(tái)與立柱、立柱與蓋梁之間的連接部位預(yù)留交錯(cuò)布置的縱向鋼筋并通過后澆UHPC材料連接。選取預(yù)制立柱高度為9 m的裝配式橋墩為研究對(duì)象，同時(shí)選取與該裝配式橋墩高度一致的整體現(xiàn)澆橋墩作為對(duì)比，如圖1所示。

承臺(tái)為現(xiàn)場(chǎng)綁扎鋼筋并澆筑C35混凝土，承臺(tái)尺寸為5 m×5 m×2 m。裝配式橋墩中立柱與蓋梁在工廠提前預(yù)制，混凝土等級(jí)分別為C40與C50，預(yù)制立柱在兩端部連接處分別設(shè)置1個(gè)杯口，連接時(shí)向杯口內(nèi)灌注UHPC，混凝土杯口充當(dāng)UHPC材料的模板，可提高施工效率。UHPC材料在施工現(xiàn)場(chǎng)攪拌并通過注漿管進(jìn)行灌注，要求其抗壓強(qiáng)度不低于120 MPa，抗拉強(qiáng)度不低于9 MPa。連接處的縱向鋼筋的錨固長(zhǎng)度為470 mm，超過了10倍的鋼筋直徑，縱向受力鋼筋設(shè)置如圖2(a)所示，上下連接段鋼筋布置如圖3所示。連接段處承臺(tái)與立柱、立柱與蓋梁的縱向鋼筋交錯(cuò)布置，與套筒連接、焊接連接等方式相比，采用這種連接方式對(duì)施工精度的要求更低，便于施工。

圖1 裝配式橋墩和整體現(xiàn)澆橋墩示意圖(mm)Figure 1 Schematic diagram of prefabricated pier and cast-in-place pier (mm)

整體現(xiàn)澆橋墩的各項(xiàng)參數(shù)與裝配式橋墩基本相同，二者最主要的區(qū)別在于縱向鋼筋的布置。

現(xiàn)澆橋墩的縱向鋼筋如圖2(b)所示，鋼筋伸入蓋梁、承臺(tái)的長(zhǎng)度分別為1.9、1.8 m，與裝配式橋墩相比分別增加了0.9、0.3 m。

2 橋墩有限元建模

2.1 有限元模型

建立橋墩有限元模型時(shí)，承臺(tái)尺寸為5 m×5 m×2 m，立柱高度為9 m，截面尺寸為1.8 m×1.8 m，為簡(jiǎn)化計(jì)算，蓋梁尺寸取為4 m×2.5 m×2 m，模型總高度為13 m。普通混凝土與UHPC材料采用實(shí)體單元中的C3D8R單元，鋼筋材料采用桁架單元中的T3D2單元模擬。預(yù)制立柱的單元尺寸為0.4 m，蓋梁及承臺(tái)混凝土單元的單元尺寸為1 m，鋼筋的單元長(zhǎng)度為1 m。UHPC與普通混凝土之間采用綁定連接，承臺(tái)底部采用固結(jié)處理。由于篇幅限制，該有限元模型的具體建模情況和對(duì)模型有效性的驗(yàn)證詳見文獻(xiàn)[10]。

圖2 裝配式橋墩和整體現(xiàn)澆橋墩縱向鋼筋布置示意圖(mm)Figure 2 Schematic diagram of longitudinal rebar of prefabricated pier and cast-in-place pier (mm)

圖3 裝配式橋墩上下連接段鋼筋布置圖(mm)Figure 3 Layout of rebar in upper and lower connected part of prefabricated pier (mm)

2.2 材料應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

采用ABAQUS分別建立裝配式橋墩和整體現(xiàn)澆橋墩的有限元模型，其中普通混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線按照GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[11]中的相關(guān)參數(shù)選取，普通鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線采用雙折線模型，采用的UHPC材料的抗壓強(qiáng)度為120 MPa，抗拉強(qiáng)度為9.1 MPa，彈性模量為4.55×104MPa。

UHPC受壓階段的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線簡(jiǎn)化為上升段和下降段兩部分[12]，如式(1)所示：

(1)

式中：fc為UHPC受壓階段的抗壓強(qiáng)度；n=Ec/Es，Ec為UHPC受壓階段的初始彈性模量，Es為UHPC受壓階段峰值點(diǎn)處割線模量；ξ=ε/εc0，εc0為UHPC受壓階段峰值點(diǎn)處的壓應(yīng)變。

UHPC受拉階段的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線根據(jù)瑞士規(guī)范[13]中的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行修改，將該曲線簡(jiǎn)化為三折線，如式(2)所示：

(2)

2.3 加載方案

在橋墩蓋梁頂面施加18.56 MPa的豎向面荷載，橋墩對(duì)應(yīng)的軸壓比為0.3。在蓋梁側(cè)面施加水平荷載，水平荷載采用位移控制，共分為12級(jí)進(jìn)行加載，每級(jí)荷載包括正向加載與反向加載，每級(jí)加載循環(huán)1次。當(dāng)構(gòu)件達(dá)到屈服之前每級(jí)加載的水平位移增量為20 mm，達(dá)到屈服后每級(jí)加載的水平位移增量為40 mm。

3 橋墩抗震性能分析

3.1 破壞形態(tài)

為了能夠直觀地反映2種橋墩的破壞形態(tài)，采用ABAQUS中的DAMAGEC圖與DAMAGET圖反映混凝土在往復(fù)荷載作用下的破壞情況，DAMAGEC圖反映混凝土受壓破壞的情況，DAMAGET圖反映混凝土受拉開裂的情況。2種類型橋墩的破壞形態(tài)如圖4所示。

由圖4可以看出：①輕微損傷階段，加載至第4級(jí)荷載(水平位移為80 mm)時(shí)，DAMAGET圖表明橋墩立柱的中下部將產(chǎn)生受拉破壞，出現(xiàn)裂縫，此時(shí)縱向鋼筋已經(jīng)屈服，裝配式橋墩的開裂范圍主要集中在立柱標(biāo)準(zhǔn)段下部與變截面段交接處，現(xiàn)澆橋墩的開裂主要出現(xiàn)在立柱與承臺(tái)交接部位；②中等損傷階段，加載至第7級(jí)荷載(水平位移為200 mm)時(shí)，前期裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展，DAMAGEC圖表明裝配式橋墩混凝土的受壓破壞主要集中在立柱標(biāo)準(zhǔn)段下部與變截面段交接處，現(xiàn)澆橋墩的受壓破壞主要出現(xiàn)在立柱底部；③嚴(yán)重?fù)p傷階段，加載至第10級(jí)荷載(水平位移為320 mm)時(shí)，DAMAGEC圖表明橋墩立柱混凝土受壓破壞的區(qū)域進(jìn)一步增大，部分混凝土達(dá)到極限壓應(yīng)變被壓碎，隨著荷載增大，嚴(yán)重破壞區(qū)域進(jìn)一步增大，普通混凝土的破壞加劇，但由于UHPC強(qiáng)度較高，未產(chǎn)生明顯破壞。在加載過程中，裝配式橋墩中UHPC和普通混凝土交界面處變形一致，未發(fā)生破壞。

圖4 橋墩破壞形態(tài)Figure 4 Failure mode of piers

3.2 滯回曲線與骨架曲線

2種類型橋墩的滯回曲線和骨架曲線如圖5和圖6所示，骨架曲線特征點(diǎn)見表1。從圖5、6和表1可以看出：①2種橋墩的滯回曲線呈梭形，具有穩(wěn)定的耗能性能，但由于鋼筋的屈服，滯回環(huán)出現(xiàn)一定的捏攏現(xiàn)象，耗能性能有所降低；②裝配式橋墩和現(xiàn)澆橋墩的峰值荷載均在2 400 kN左右，二者的承載力基本相同。

圖5 橋墩滯回曲線Figure 5 Hysteresis curves of piers

圖6 橋墩骨架曲線Figure 6 Skeleton curves of piers

3.3 延性性能

采用位移延性系數(shù)衡量橋墩的延性性能，位移延性系數(shù)為結(jié)構(gòu)極限位移與屈服位移的比值。橋墩屈服位移和極限位移的確定采用以下方式：屈服位移為縱向鋼筋屈服時(shí)橋墩的水平位移；極限位移為核心區(qū)混凝土達(dá)到極限壓應(yīng)變時(shí)橋墩的水平位移。裝配式橋墩和現(xiàn)澆橋墩的位移延性系數(shù)基本一致，均大于4，滿足橋墩抗震性能的要求。

表1 骨架曲線特征點(diǎn)Table 1 Characteristic points on skeleton curves

3.4 水平等效剛度

隨著荷載的逐漸增加，橋墩外側(cè)的混凝土?xí)霈F(xiàn)受拉開裂并逐漸退出工作，造成橋墩水平剛度逐漸降低。2種類型橋墩的水平等效剛度退化曲線如圖7所示，裝配式橋墩與現(xiàn)澆橋墩的水平等效剛度的變化趨勢(shì)基本一致，在達(dá)到峰值荷載之前，橋墩水平等效剛度下降幅度較大，之后水平等效剛度的變化較為平緩。

圖7 橋墩水平等效剛度Figure 7 Horizontal equivalent stiffness of piers

3.5 耗能性能

橋墩的耗能能力是研究橋墩抗震性能的關(guān)鍵指標(biāo)，采用等效黏滯阻尼比表征橋墩的耗能能力，如圖8所示，等效黏滯阻尼比為：

(3)

式中：ΔWi為第i級(jí)荷載作用下橋墩的滯回耗能能力；Ee為橋墩的彈性應(yīng)變能力。

由圖8可以看出，在達(dá)到屈服位移之前，2種橋墩的等效阻尼比基本相同，均相對(duì)較小，隨著荷載的增大，整體現(xiàn)澆橋墩的等效阻尼比略大于裝配式橋墩的等效阻尼比，二者的等效阻尼比均達(dá)到0.15左右，具有良好的耗能能力。

圖8 橋墩等效黏滯阻尼比Figure 8 Equivalent viscous damping ratio of piers

3.6 殘余位移

結(jié)構(gòu)的殘余位移是指結(jié)構(gòu)在加載變形并卸載后，所產(chǎn)生的不可恢復(fù)的塑性變形，是評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)抗震性能與損傷程度的一個(gè)重要指標(biāo)。2種橋墩的殘余位移如圖9所示，表明在達(dá)到屈服位移之前，2種橋墩的殘余位移均小于8 mm；隨著荷載的增大，橋墩開裂、破壞，塑性變形增大，殘余位移也逐漸增大，二者的殘余位移基本一致。

圖9 橋墩水平殘余位移Figure 9 Horizontal residual deformation of piers

4 結(jié)論

(1)采用UHPC材料連接的裝配式橋墩與整體現(xiàn)澆橋墩的破壞過程和破壞形態(tài)相近，但裝配式橋墩的破壞主要集中在立柱標(biāo)準(zhǔn)段下部與變截面連接的部位，現(xiàn)澆橋墩的破壞主要集中在立柱底部與承臺(tái)連接的部位，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)加強(qiáng)裝配式橋墩立柱標(biāo)準(zhǔn)段下部與變截面連接部位的抗震性能，可增大變截面處混凝土的強(qiáng)度等級(jí)和截面尺寸、提高其配筋率等。

(2)采用UHPC材料連接的裝配式橋墩的滯回性能、水平等效剛度、耗能性能、殘余位移等與整體現(xiàn)澆橋墩基本一致，裝配式橋墩具有良好的抗震性能，滿足橋墩的抗震要求。