通過預應力筋連接的節(jié)段預制拼裝式鐵路橋墩抗震性能研究

張帥，蘇偉，牟兆祥

（中國鐵路設計集團有限公司 土建工程設計研究院，天津 300308）

0 引言

節(jié)段預制拼裝式橋墩在國內(nèi)外公路、市政及海域等工程中有所應用，近年來已在一些城市橋梁中大規(guī)模推廣。鐵路領(lǐng)域最早應用于20世紀50年代，近幾十年應用較少，為提升鐵路智能建造技術(shù)水平，需要開展系統(tǒng)研究。

預制節(jié)段間的連接是結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位，常用連接形式包括灌漿套筒、波紋管、預應力連接、承插式等，各種連接形式特點不一［1-4］，其中預應力連接作為主要的連接方式應用廣泛，國內(nèi)外開展了一些理論和試驗研究［5-8］，并應用于多個工程，大多位于非震區(qū)或采取特殊措施降低抗震需求，如成昆鐵路，當時的設計理念未進行專門的抗震設計。美國Victory Bridge位于非震區(qū)；臺灣地區(qū)臺中生活圈四號線設置了減隔震支座或局部現(xiàn)澆；港珠澳大橋設置減隔震支座；成都羊犀立交橋等采用預應力筋和套筒相互配合的混合連接形式。

1 預應力筋連接拼裝墩主要受力特點

1.1 拼裝墩整體受力特點

拼裝墩由若干預制節(jié)段通過拼接縫拼裝而成，拼接縫的存在導致其受力模式與現(xiàn)澆橋墩不同?，F(xiàn)澆橋墩采用整體澆筑或設置施工縫，其受彎破壞模式一般為隨著荷載增大，墩底及施工縫區(qū)域出現(xiàn)開裂且裂縫不斷擴展，直至構(gòu)件破壞，其受剪破壞模式為斜截面抗剪破壞；拼裝式橋墩受彎破壞模式一般表現(xiàn)為拼接縫區(qū)域的張開，預制節(jié)段除自身彎曲變形外，還沿拼接縫出現(xiàn)一定的轉(zhuǎn)動，其受剪破壞除與現(xiàn)澆墩類似的斜截面抗剪破壞外，節(jié)段可能沿拼接縫錯動和滑移，出現(xiàn)直剪破壞（見圖1、圖2）。

圖1 現(xiàn)澆墩破壞模式

圖2 拼裝墩破壞模式

1.2 預應力筋連接形式受力特點

拼裝墩節(jié)段間通過預應力筋進行連接，一方面預應力筋產(chǎn)生預壓力且自身提供抗力；另一方面當拼裝墩受彎時發(fā)生水平變形，預應力筋隨之被張拉，形成彈性回復力有利于使拼裝墩回到初始狀態(tài)，提高自復位能力，減小地震后的殘余變形［9-10］，同時，預應力筋提供的預壓力增強了拼接縫處的抗剪能力。

預應力筋連接分為完全預應力筋連接和預應力筋混合連接。完全預應力筋連接節(jié)段間僅通過預應力筋進行連接，普通鋼筋不連續(xù)，實際工程應用較多，主要在非震區(qū)，其與現(xiàn)澆橋墩相比，受力性能上屬于“非等同現(xiàn)澆”體系［11］，連接強度較現(xiàn)澆墩弱，耗能差、延性低，難以適用高烈度震區(qū)抗震需求。預應力筋混合連接節(jié)段間不僅通過預應力筋進行連接，還設置耗能構(gòu)造，如增加連續(xù)的普通鋼筋、外置耗能裝置［12］等，在發(fā)揮預應力筋優(yōu)勢的同時又提高耗能能力，增強抗震性能，近年來通過很多理論和試驗研究，表明該種連接應用于高震區(qū)的可靠性［13-15］。

2 拼裝墩數(shù)值分析模型

拼裝墩計算方法包括理論解析法［7］、纖維模型法、實體單元法等，其中纖維模型法能精細模擬結(jié)構(gòu)全過程受力，且與試驗結(jié)果吻合度高，在數(shù)值分析上具備可行性和準確性。

常用鐵路橋墩與市政或公路橋墩相比，截面尺寸較大，特別是橫橋向尺寸大、剪跨比小，多為重力式橋墩。以空心墩為例，采用纖維模型法，通過非線性時程分析方法進行彈塑性分析。所選橋墩采用矩形截面，墩身縱橫向尺寸為2 m×5 m，壁厚0.4 m，頂帽實體段2.5 m，墩高9 m，分3節(jié)段預制拼裝，設置墩身與基礎(chǔ)間拼接縫1、墩身間拼接縫2、墩身與頂帽間拼接縫3（見圖3）。橋墩采用C40混凝土，主筋采用HRB400，預應力筋采用7?5鋼絞線。

圖3 拼裝墩結(jié)構(gòu)及節(jié)段劃分

預制節(jié)段采用梁單元模擬，對拼接縫部位進行精細化建模（見圖4），地震波選取常用的EI-centro波，上部結(jié)構(gòu)采用鐵路標準32 m簡支梁。

圖4 拼接縫區(qū)域精細化模擬

3 拼裝墩抗震性能分析

針對預制拼裝橋墩的抗震性能，國內(nèi)外學者開展了諸多理論研究和試驗工作［1-12］，歸納如下：

（1）拼裝墩因接縫的存在，理論上其抗震性能與現(xiàn)澆墩有所區(qū)別，抗震能力是影響拼裝墩應用和連接方式選擇的最主要因素；

（2）拼裝墩接縫形式對其抗震性能影響較大，總體上可分為“等同現(xiàn)澆”和“非等同現(xiàn)澆”，前者在強度、抗震能力方面與一般的現(xiàn)澆橋墩差異不大，后者連接強度稍弱；

（3）針對“等同現(xiàn)澆”連接，在構(gòu)造滿足要求的情況下，理論分析時多采用現(xiàn)澆墩的抗震方法；針對“非等同現(xiàn)澆”連接，特別是預應力作用，多采用數(shù)值模擬的方式進行仿真分析；

（4）在地震作用時，為減小震后殘余變形和增強可修復性，國外對預制拼裝墩中預應力自復位能力開展了較多理論和試驗研究。

在此重點對鐵路預制拼裝墩抗震性能進行數(shù)值計算和對比分析。

3.1 預應力筋完全連接

按上節(jié)所述模型，采用完全預應力筋連接，即預應力筋通過拼接縫，主筋和分布鋼筋不通過拼接縫，共配置10根7-7?5鋼絞線（見圖5）。

圖5 有限元模型及預應力筋布置

對于水平線剛度和位移，在自重和預應力筋預壓力共同作用下，拼接縫不開裂，水平線剛度和位移與現(xiàn)澆墩相差不大，僅考慮拼接縫的存在對整體性的影響而進行適當折減。

在主力及主+附狀態(tài)下，預制節(jié)段和拼接縫截面處于受壓狀態(tài)，混凝土壓應力滿足要求。

在多遇地震作用下，當預應力筋張拉力為1 200 MPa時，拼接縫2、縫3不發(fā)生開裂，拼裝墩處于彈性狀態(tài)。因此，通過設置預應力筋可使拼接縫不開裂或減小拼接縫開裂程度，滿足“小震不壞”的性能要求。

在罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)若保持彈性狀態(tài)則設計困難或不夠經(jīng)濟，一般允許進入彈塑性狀態(tài)。拼裝墩在罕遇地震作用下需要發(fā)生較大的水平變形，導致預應力筋受力較大容易屈服或斷裂，需要配置較多的預應力筋，而過大的預壓力又導致混凝土更易壓潰、延性差，且預應力筋數(shù)量多、成本高，難以滿足工程實際要求。因此，與國內(nèi)外研究和工程實踐類似，采用完全預應力筋連接的鐵路拼裝墩各項指標滿足正常使用和多遇地震作用下要求，可適用于非震區(qū)或低震區(qū)。

3.2 預應力筋混合連接

采用預應力筋混合連接，即預應力筋通過拼接縫，部分主筋通過拼接縫，并與現(xiàn)澆墩、不設置預應力筋的拼裝墩進行比較，各方案水平線剛度和位移在主力及主+附狀態(tài)下均滿足要求，主要考察地震作用下（Ag=0.2g）的地震響應差異。

3.2.1 有限元模型

（1）RC-1現(xiàn)澆墩，墩身配置180根直徑16 mm主筋，箍筋直徑為12 mm，間距15 cm，不配置預應力筋。

（2）RC-2拼裝墩，采用大直徑、大間距鋼筋的布置形式，墩身配置46根直徑32 mm主筋，配筋率與RC-1相當，在RC-1模型基礎(chǔ)上增加3道拼接縫。

（3）PRC拼裝墩，在RC-2模型基礎(chǔ)上將主筋根數(shù)由46根減少至32根，同時增加預應力筋，經(jīng)反復試算，共配置6根16-7φ5鋼絞線，初始張拉控制應力930 MPa。

RC-1、RC-2、PRC截面纖維模型示意見圖6。

圖6 RC-1、RC-2、PRC截面纖維模型示意圖

3.2.2 地震響應

（1）抗裂性。在多遇地震作用下，RC-1模型墩身底部出現(xiàn)開裂，RC-2模型拼接縫1、縫2開裂，拼接縫3未開裂，開裂截面鋼筋和混凝土應力滿足要求；PRC模型拼接縫1—3未開裂。PRC模型通過施加預應力，增強結(jié)構(gòu)的抗裂能力。

（2）延性。在罕遇地震作用下，橋墩不可避免要進入彈塑性狀態(tài)，要滿足“大震不倒”的抗震設防需求，結(jié)構(gòu)需要具備一定延性，通過延性系數(shù)表征。

根據(jù)時程分析結(jié)果，各模型在罕遇地震作用下縱橋向、橫橋向地震響應如下：

RC-1：縱向、橫向地震作用下墩底截面開裂，普通鋼筋屈服，混凝土保持彈性。

RC-2：縱向、橫向地震作用下拼接縫1開裂，普通鋼筋屈服，混凝土保持彈性。

PRC：縱向、橫向地震作用下拼接縫1開裂，普通鋼筋屈服，預應力筋保持彈性，混凝土保持彈性。

各模型在縱向、橫向地震作用下均進入彈塑性狀態(tài)，墩頂位移延性系數(shù)滿足鐵路及相關(guān)規(guī)范要求（見圖7）。

圖7 墩頂位移延性系數(shù)

根據(jù)各模型地震響應和延性系數(shù)可以看出：

（1）RC-1、RC-2模型墩頂位移延性系數(shù)相差不大，兩者延性能力基本相當，說明配筋率相當條件下，拼裝墩與現(xiàn)澆墩延性能力相當。

（2）與RC-2模型相比，PRC模型盡管普通鋼筋根數(shù)減少，但增加預應力筋后，普通鋼筋和預應力筋共同作用下能達到相近的抗震性能。

（3）RC-1、RC-2、PRC模型的墩頂位移縱向延性系數(shù)相差不大，說明3個模型縱向延性能力基本相當；PRC模型預應力筋的預壓力增大了混凝土的壓應力，橫向延性系數(shù)有所降低；3個模型均滿足抗震要求。

（3）普通鋼筋和預應力筋的應力-應變曲線見圖8。RC-1、RC-2、PRC在罕遇地震作用下滿足“大震不倒”的抗震需求，結(jié)構(gòu)進入彈塑性階段，部分普通鋼筋出現(xiàn)屈服，而PRC模型的預應力筋未發(fā)生屈服，預應力筋始終保持彈性狀態(tài)，預壓應力未失效。

圖8 PRC截面邊緣普通鋼筋和預應力筋應力-應變曲線

（4）荷載-位移滯回曲線反映了結(jié)構(gòu)的變形特征、剛度退化及能量消耗，以縱向地震為例，RC-1、RC-2、PRC在罕遇地震作用下的墩頂荷載-位移滯回曲線見圖9。

圖9 RC-1、RC-2、PRC墩頂縱向荷載-位移滯回曲線

根據(jù)各模型在地震反復作用下墩頂縱向荷載-位移曲線可以看出：

（1）RC-1和RC-2模型最大承載能力和最大位移基本相當，說明配筋率相當情況下，盡管RC-2模型中普通鋼筋采用較大間距，但鐵路橋墩因尺寸較大導致接縫處的位移量值較小，對結(jié)構(gòu)的極限承載能力和變形影響不大；PRC模型因預應力筋的作用最大承載能力有所提高。

（2）隨著結(jié)構(gòu)的開裂和屈服，RC-1、RC-2、PRC側(cè)向剛度均出現(xiàn)下降和退化；RC-2的初始剛度比RC-1略小，說明拼接縫對結(jié)構(gòu)剛度影響不大；PRC較RC-1、RC-2的初始剛度大，說明配置預應力筋提高了結(jié)構(gòu)的抗裂能力。

（3）各模型位移較小時，結(jié)構(gòu)基本處于彈性階段，荷載-位移滯回環(huán)表現(xiàn)為集中和重疊現(xiàn)象。隨著結(jié)構(gòu)開裂、鋼筋的屈服、拼接縫張開且持續(xù)發(fā)展等現(xiàn)象的產(chǎn)生，滯回環(huán)逐漸拉開，結(jié)構(gòu)的耗能能力增強。通過滯回曲線可以看出，RC-1、RC-2模型耗能能力相當，PRC模型通過耗能鋼筋的作用，避免了完全預應力筋連接耗能不足的問題，拼裝墩與現(xiàn)澆墩總體上耗能能力相近。

（4）各模型殘余變形相當，PRC模型的殘余變形略有減小，說明預應力筋有一定的自復位效應但不明顯，主要因為采用了有黏結(jié)預應力。

（5）拼接縫處的抗剪能力主要包括豎向力產(chǎn)生的摩擦力、接縫材料黏結(jié)力、剪力鍵、鋼筋銷栓力等。RC-2、PRC模型抗剪能力均滿足要求，其中PRC模型因預應力筋提供的預壓應力產(chǎn)生了摩擦力，較RC-2抗剪性能有所提高。

3.3 預應力筋參數(shù)分析

針對上述PRC模型，對其中預應力筋的相關(guān)參數(shù)進行分析，探討其對抗震性能的影響。

（1）配筋率。在上述PRC模型基礎(chǔ)上改變配筋率得到PRC-1模型，即將預應力筋規(guī)格由6根增加為10根，總初張力保持不變，荷載-位移滯回曲線見圖10。通過比較可知，在總初張力即橋墩軸壓比保持不變的情況下，隨預應力筋配筋率的增加，結(jié)構(gòu)抗彎能力有所增加，屈服強度提高，但其他抗震指標變化并不明顯。

圖10 PRC/PRC-1墩頂縱向荷載-位移滯回曲線

（2）預應力度。在上述PRC模型基礎(chǔ)上改變預應力度得到PRC-2模型，即預應力筋規(guī)格不變，將預應力筋的預應力度即總初張力降低一半，荷載-位移滯回曲線見圖11。通過比較可知，在預應力筋布置不變的情況下，調(diào)整預應力筋的預應力度，采用較低預應力度的PRC-2模型的初始抗裂能力和屈服強度有所減小，最大承載能力相當，預應力度對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響不明顯。

圖11 PRC/PRC-2墩頂縱向荷載-位移滯回曲線

（3）初張力。在PRC模型基礎(chǔ)上改變初張力得到PRC-3模型，即將單根預應力筋的張拉力由930 MPa增加為1 240 MPa，經(jīng)試算，預應力筋可由6根16-7φ5鋼絞線修改為6根12-7φ5鋼絞線。通過PRC和PRC-3模型比較可知，在罕遇地震作用下，PRC模型中預應力筋最大應力1 600 MPa，預應力筋保持彈性且預壓應力不損失，PRC-3模型中預應力筋最大應力為1 947 MPa，大于其抗拉強度1 860 MPa，預應力筋已屈服且有斷裂風險，可認為預壓應力全部損失。說明在保證相同預壓力情況下，配置較高規(guī)格的預應力筋且初張力較小時可滿足抗震需求，配置較低規(guī)格的預應力筋時初張拉力較高，容易導致預應力筋應力達到其屈服應力甚至抗拉強度，導致預應力失效，因此需要合理確定初張力的上限。

（4）無黏結(jié)和有黏結(jié)預應力。當預應力筋采用有黏結(jié)時，在結(jié)構(gòu)變形過程中預應力筋的伸縮受結(jié)構(gòu)約束大，不利于發(fā)揮預應力筋的回復力，壓漿料的防護使得預應力筋的耐久性更好，目前工程應用上以有黏結(jié)預應力為主。但無黏結(jié)預應力筋應力集中小，能更大限度地發(fā)揮預應力筋的作用，自復位能力強，為今后工程應用重要方向。

4 結(jié)論及展望

針對鐵路預制拼裝橋墩進行數(shù)值計算和對比分析，得出如下結(jié)論：

（1）采用完全預應力筋連接的鐵路拼裝墩各項指標滿足正常使用和多遇地震作用下要求，可適用于非震區(qū)或低震區(qū)。

（2）在罕遇地震作用下，采用預應力筋混合連接的拼裝墩抗裂能力有所提高，預應力筋可保證拼接縫在多遇地震作用下不開裂，極限承載能力和變形與現(xiàn)澆墩相差不大；延性性能、耗能能力等滿足“大震不倒”的抗震需求，通過耗能鋼筋的作用，避免了完全預應力筋連接耗能不足的問題；預應力筋的預壓力提高了拼接縫的抗剪能力。

（3）在一定條件下預應力筋配筋率、預應力度對拼裝墩抗震性能影響不大，初張力對預應力筋狀態(tài)影響較為明顯，配置較高規(guī)格的預應力筋且初張力較小時，預應力筋保持彈性且預壓應力不損失；配置較低規(guī)格的預應力筋時初張拉力較高，易導致預應力筋屈服甚至斷裂，導致預應力失效，需要合理確定初張力的上限。

（4）目前針對鐵路預制拼裝墩抗震性能研究較少，鑒于其抗震理論的復雜性，在數(shù)值模擬分析基礎(chǔ)上引入抗震模型試驗將是進一步的研究方向。