組合承插口連接裝配式橋墩抗震性能分析

■朱祖科

（福建省公路事業(yè)發(fā)展中心，福州 350001）

現(xiàn)代橋梁建設(shè)對(duì)環(huán)保、快速、安全和交通影響等要求越來(lái)越高，全裝配化橋梁是現(xiàn)代橋梁建設(shè)的發(fā)展趨勢(shì)[1]。 裝配式上部結(jié)構(gòu)已經(jīng)得到了大量應(yīng)用，裝配式墩是實(shí)現(xiàn)全裝配式橋梁建設(shè)的關(guān)鍵，目前主要應(yīng)用于海上和城市橋梁中。 其中，海上裝配式混凝土墩主要采用普通混凝土或UHPC 濕接縫和預(yù)應(yīng)力筋連接[2-4]，城市橋梁裝配式混凝土橋墩常用連接方式中的灌漿波紋管連接、預(yù)應(yīng)力連接接縫等都是平縫連接[5]，接縫處無(wú)箍筋約束，整體性較弱。 傳統(tǒng)的承插式連接縱向鋼筋不連續(xù)且對(duì)承臺(tái)的削弱較大[6-7]，適用于厚承臺(tái)。 UHPC 濕接頭則會(huì)導(dǎo)致裝配式墩塑性鉸上移， 引起其延性降低和破壞模式改變[8]。 可見(jiàn)，采用常用連接方式的裝配式混凝土墩適用于中低烈度區(qū)的規(guī)則橋梁[9-10]，無(wú)法滿足高烈度區(qū)橋梁的受力需求。 為提高橋梁整體性能，本文嘗試研究一種承插口和灌漿套筒組合連接的裝配式橋墩， 并從受壓性能和抗震性能等方面分析其可行性。

1 工程概況

福州市長(zhǎng)樂(lè)區(qū)會(huì)堂南路道路工程，起點(diǎn)樁號(hào)為0-100，其中道路新建部分長(zhǎng)約1427 m，現(xiàn)狀會(huì)堂南路改造長(zhǎng)1 m。新建路段截面形式為四幅路[11]，設(shè)計(jì)車(chē)速為40 m/h[12]。

蓮柄港橋位于會(huì)堂南路，現(xiàn)狀蓮柄港河道改線至道路樁號(hào)K0+110 處，新建2～18 m 預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土空心板梁，河道水流方向與橋梁軸線夾角15°，橋梁橫斷面總長(zhǎng)度42.25 m，布置如下：兩邊0.25 m的欄桿及0.5 m 的防撞護(hù)欄、兩條4.0 m 的人行道，車(chē)行道分別寬15.25 m 和17 m，以及0.5 m 的中央分隔帶。

橋墩采用樁柱式實(shí)心墩， 橋墩截面為圓形，高5.4 m，直徑2.6 m。樁基直徑1.5 m，樁基樁長(zhǎng)55 m，場(chǎng)地土動(dòng)力m 系數(shù)為7000 kN/m4，支座與墊石總高度為0.3 m，橋墩處設(shè)置GYX d250×52 mm 型支座。上部結(jié)構(gòu)C50，立柱C40，承臺(tái)C35，樁基礎(chǔ)C30。 其中橋墩中的立柱采用預(yù)制拼裝連接。 連接細(xì)部如圖1 所示，其中預(yù)制拼裝采用灌漿套筒+承插口的連接方式，承插口空隙采用超高性能混凝土（UHPC）填筑。灌漿套筒和UHPC 材料的材料性能：選用4 mm厚的灌漿套筒，鋼材為Q345、并且測(cè)得它的屈服強(qiáng)度是359 MPa，極限強(qiáng)度是547 MPa；所選混凝土測(cè)得其抗壓強(qiáng)度是131.5 MPa、彈性模量為41200 MPa、抗拉強(qiáng)度為7.8 MPa 的UHPC。

圖1 灌漿套筒+承插口+UHPC 連接構(gòu)造細(xì)部圖

2 抗震設(shè)計(jì)驗(yàn)算

2.1 E1 地震作用分析

E1 地震作用下進(jìn)行驗(yàn)算，應(yīng)考慮以下條件：抗震等級(jí)為A 類(lèi)；在驗(yàn)算橋墩的強(qiáng)度時(shí)，恒定荷載、軸力和彎矩的組合都進(jìn)行考慮； 墩底是最不利截面，則應(yīng)對(duì)縱向和橫向地震作用下墩底的組合合力都進(jìn)行分析。

2.1.1 縱向地震作用分析

墩底組合軸力為：Nz=ND+NE=(2696+190+338）+0=3224 kN； 墩底組合彎矩為：Mz=MD+ME=0+80.46×(5.4+0.3）=459 kN·m； 采用XTRACT 程序計(jì)算得墩底縱截面抗彎強(qiáng)度為4046.96 kN·m，大于墩底組合彎矩，強(qiáng)度滿足要求。 其中材料強(qiáng)度采用設(shè)計(jì)值。式中，Nz、ND和NE分別為墩底、恒載、地震作用下的軸力；Mz、MD和ME分別為墩底、恒載、地震作用下的彎矩。

2.1.2 橫向地震作用分析

墩底組合軸力為：Nz=ND+NE=3224 kN；墩底組合彎矩為：Mz=MD+ME=0+323.18×(5.4+0.3)=1842.12 kN·m；墩底橫向抗彎彎矩為4199.17 kN·m，大于墩底組合彎矩，強(qiáng)度滿足要求。 其中材料強(qiáng)度采用設(shè)計(jì)值。式中，Nz、ND和NE分別為墩底、恒載、地震作用下的軸力；Mz、MD和ME分別為墩底、恒載、地震作用下的彎矩。

2.2 E2 地震作用分析

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，E2 地震作用下進(jìn)行驗(yàn)算不考慮剛度折減，即假定此橋墩處于彈性狀態(tài)，所以只需要在縱向和橫向2 種地震作用下，依次計(jì)算各自的地震反應(yīng)即可。

2.2.1 縱向地震作用分析

可見(jiàn)，橋墩的位移變形能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于地震作用下橋墩的位移變形，所以即使不扣除基礎(chǔ)變形對(duì)橋墩頂部造成的位移變形，也能滿足位移變形需求。

2.2.2 橫向地震作用分析

根據(jù)規(guī)范條文第7.3.7，應(yīng)通過(guò)非線性靜力計(jì)算橋墩的容許橫向位移。 若第二次迭代后的地震力軸向力和水平力與第一次計(jì)算結(jié)果的差值小于5%，則滿足精度要求。 所以橫向位移為9.7 cm 時(shí)，滿足要求。

3 采用ABAQUS 實(shí)體單元的裝配式墩受力有限元模擬計(jì)算

3.1 有限元模型

ABAQUS 在工程方面得到了大量的應(yīng)用[13]，可對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜態(tài)分析、動(dòng)力時(shí)程分析等[14]。 在ABAQUS軟件建模過(guò)程中，鋼筋的復(fù)合受力可以忽略，主要考慮拉伸作用，因此，采用線性T3D2 來(lái)模擬，選用C3D8R 來(lái)模擬普通混凝土和UHPC。 然后，根據(jù)圖紙尺寸輸入幾何參數(shù)建立相關(guān)部件， 包括橋墩、系梁、UHPC 后澆帶、縱筋、箍筋、灌漿套筒等。 實(shí)體限元模型如圖2 所示。

圖2 橋墩實(shí)體有限元模型

3.2 抗震驗(yàn)算

采用E2 地震力進(jìn)行橋墩縱向加載， 得到混凝土、鋼筋、套筒和UHPC 的最大應(yīng)力（圖3）。經(jīng)計(jì)算，對(duì)于混凝土，受到的壓應(yīng)力最大為12.4 MPa，受到的拉應(yīng)力最大為1.5 MPa； 對(duì)于鋼筋應(yīng)力， 最大為203.0 MPa。 對(duì)于灌漿套筒應(yīng)力，最大為183.0 MPa；UHPC 后澆帶最大應(yīng)力為3.7 MPa， 縱向最大拉應(yīng)力為0.46 MPa?？梢钥闯隹v向地震作用下橋墩鋼筋和套筒的應(yīng)力均小于屈服應(yīng)力（400 MPa）。 立柱的鋼筋和混凝土受力較大， 與現(xiàn)澆墩的受力特征一致，套筒也具有很好的傳力性能，裝配式墩具有很好的整體受力能力。

圖3 縱向地震力作用下裝配式墩的受力分析

同時(shí)進(jìn)行E2 地震作用下裝配式墩橫向抗震驗(yàn)算。根據(jù)實(shí)橋圖紙建立實(shí)體排架墩有限模型，如圖4所示。

圖4 排架墩實(shí)體單元模型

在E2 作用下獲得的橫向水平地震力基礎(chǔ)上開(kāi)展分析，結(jié)果如圖5 所示。 對(duì)于混凝土，受到的壓應(yīng)力最大為6.86 MPa，受到的拉應(yīng)力最大為1.3 MPa；對(duì)于鋼筋應(yīng)力，最大為221.3 MPa。對(duì)于灌漿套筒應(yīng)力， 最大為110.7 MPa；UHPC 后澆帶最大應(yīng)力為0.44 MPa，最大拉應(yīng)力為0.4 1 MPa。 可以看出在橫向地震作用下，橋墩鋼筋應(yīng)力、灌漿套筒應(yīng)力與屈服應(yīng)力三者相比，屈服應(yīng)力最大。 在受力方面，鋼筋和混凝土受到了較大的力。 與現(xiàn)澆墩的受力特征一致，套筒也具有很好的傳力性能，裝配式墩具有很好的整體受力能力。

圖5 橫向地震力作用下裝配式墩的受力分析

4 結(jié)論

為提升裝配式混凝土的整體受力性能，本文設(shè)計(jì)了一種灌漿波紋管和承插口組合的裝配式墩，根據(jù)現(xiàn)有規(guī)范對(duì)其抗震性能進(jìn)行驗(yàn)算，并采用實(shí)體有限元模型對(duì)接頭受力進(jìn)行了分析， 主要結(jié)論如下：（1）在E1 和E2 地震作用下，墩底的彎矩小于截面屈服強(qiáng)度；在E2 地震作用下，墩頂位移小于容許變形，滿足設(shè)計(jì)要求，所以采用灌漿波紋管和承插口組合連接的裝配式橋墩設(shè)計(jì)合理。 （2）采用有限元軟件ABAQUS 對(duì)圓形實(shí)體橋墩進(jìn)行建模分析。新型預(yù)制拼裝橋墩在E2 地震作用下與現(xiàn)澆墩受力特征一致，套筒傳力良好，承臺(tái)受力減小，混凝土應(yīng)力小于標(biāo)準(zhǔn)抗壓和抗拉強(qiáng)度，鋼筋應(yīng)力小于設(shè)計(jì)屈服應(yīng)力，接頭連接可靠，滿足抗震要求。