超高強(qiáng)-普通鋼筋混合配筋節(jié)段拼裝橋墩抗震性能分析

蔡忠奎，苑 溦

(1.南京工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京 211816； 2.江蘇開(kāi)放大學(xué) 建筑工程學(xué)院，江蘇 南京 211816)

0 引言

“一帶一路”重大戰(zhàn)略的順利實(shí)施需要加速建設(shè)沿線(xiàn)國(guó)家的交通基礎(chǔ)設(shè)施，國(guó)內(nèi)中長(zhǎng)期高速鐵路和高速公路網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)任務(wù)十分緊迫，同時(shí)，各大中城市為解決空間問(wèn)題也亟需建設(shè)立體交通系統(tǒng)，這些迫切任務(wù)的順利完成要求作為交通樞紐的橋梁結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)高效率、生態(tài)化的建造。然而，傳統(tǒng)現(xiàn)澆施工方式往往導(dǎo)致整個(gè)橋梁建設(shè)工期冗長(zhǎng)、橋位附近生態(tài)和生活環(huán)境劣化[1]。

預(yù)制節(jié)段拼裝橋墩(Precast Segmental Bridge Column，簡(jiǎn)稱(chēng)PSBC)為提高橋梁下部結(jié)構(gòu)建造效率提供了有效思路[2]。如圖1(a)所示，PSBC是將鋼筋混凝土墩身沿縱向劃分為若干節(jié)段進(jìn)行模塊化預(yù)制，再在建造時(shí)將諸預(yù)制節(jié)段進(jìn)行機(jī)械化拼裝成整體。由于預(yù)制節(jié)段體量小、自重輕，便于運(yùn)輸和吊裝，因此PSBC尤其適用于施工條件較為嚴(yán)苛的山區(qū)橋梁和交通密集的城市高架橋梁。圖1(b)為2010年落成的美國(guó)Hoover Dam大橋，該橋中應(yīng)用了高達(dá)92 m的PSBC構(gòu)件[3]。

HEWES等[4]對(duì)早期PSBC的抗震性能開(kāi)展了擬靜力試驗(yàn)研究。研究表明，該類(lèi)橋墩各節(jié)段僅依賴(lài)預(yù)應(yīng)力筋連接，滯回耗能能力較差，震后殘余位移很小、有利于震后快速修復(fù)。為提高PSBC的抗震性能，國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究了多種新型材料的作用效果，包括纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、超高性能混凝土和超高強(qiáng)鋼筋等。此處，強(qiáng)度在700 MPa以上的鋼筋通常被稱(chēng)為“超高強(qiáng)鋼筋”，從而區(qū)別于500 MPa和600 MPa級(jí)高強(qiáng)鋼筋[5-6]。但能夠同時(shí)提高PSBC抗震性能和自復(fù)位性能的有效策略鮮見(jiàn)報(bào)道。

針對(duì)上述問(wèn)題，作者提出“混合配筋PSBC”概念，其構(gòu)造如圖1(c)所示，是在PSBC中同時(shí)配置普通鋼筋和超高強(qiáng)鋼筋，使兩類(lèi)縱筋置于預(yù)制墩身和承臺(tái)預(yù)留孔道內(nèi)并灌漿。超高強(qiáng)鋼筋采用精軋螺紋鋼筋，但不施加預(yù)應(yīng)力。無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋采用鋼絞線(xiàn)制作，置于墩身中心用以連接諸預(yù)制節(jié)段。實(shí)際拼裝時(shí)，混合配筋PSBC的兩類(lèi)縱筋從承臺(tái)內(nèi)伸出，插入到混凝土節(jié)段的預(yù)留孔道內(nèi)；同時(shí)，在預(yù)制節(jié)段的吊起、下放過(guò)程中令預(yù)應(yīng)力筋穿過(guò)各節(jié)段；拼裝時(shí)采用環(huán)氧樹(shù)脂膠接縫，各節(jié)段端面均為水平面；通過(guò)張拉預(yù)應(yīng)力筋使拼接縫密閉貼合，然后進(jìn)行壓力灌漿作業(yè)。施工工藝未盡之處請(qǐng)?jiān)斠?jiàn)作者相關(guān)專(zhuān)利說(shuō)明材料[7]。

圖1 節(jié)段拼裝橋墩示意圖

為檢驗(yàn)該新型PSBC設(shè)計(jì)理念的有效性，對(duì)3個(gè)總高4.2 m、截面尺寸0.6 m×0.4 m的橋墩試件進(jìn)行了擬靜力試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，超高強(qiáng)鋼筋在普通鋼筋屈服后依然保持彈性，有效提高了橋墩的屈服后剛度，可在保持滯回耗能能力基本不變的前提下顯著減小橋墩的殘余位移。得益于金屬波紋管的凹凸外形與內(nèi)部灌漿料的優(yōu)異強(qiáng)度，超高強(qiáng)和普通鋼筋可與墩身混凝土協(xié)同工作，避免縱筋滑移破壞，充分發(fā)揮超高強(qiáng)鋼筋的強(qiáng)度特性。而且，試驗(yàn)結(jié)束后發(fā)現(xiàn)兩類(lèi)縱筋幾乎沒(méi)有受壓屈曲現(xiàn)象，這主要是因?yàn)榛旌峡v筋受到了高強(qiáng)灌漿料、金屬波紋管、鋼箍筋和混凝土的共同約束作用。

在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，本文繼續(xù)針對(duì)混合配置超高強(qiáng)與普通鋼筋的PSBC開(kāi)展數(shù)值研究，建立精細(xì)化有限元模型，開(kāi)展單調(diào)與滯回加載分析，揭示主要設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)此類(lèi)新型PSBC抗震性能的影響規(guī)律，為進(jìn)一步提出基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法奠定基礎(chǔ)。

1 混合配筋PSBC建模方法和驗(yàn)證

1.1 纖維模型建模方法

太平洋地震工程中心開(kāi)發(fā)的OpenSees平臺(tái)在橋梁抗震分析中的高效性已廣為驗(yàn)證[2，8]，故本文基于該平臺(tái)建立混合配筋PSBC纖維模型。PSBC與傳統(tǒng)現(xiàn)澆鋼筋橋墩的主要差異在于前者存在一定數(shù)量的拼接縫。因此，在現(xiàn)有的現(xiàn)澆橋墩的模擬方法上，準(zhǔn)確考慮接縫截面上的材料分布和力學(xué)行為，即可提出PSBC纖維單元模型建立方法。從配筋構(gòu)造上看，如圖1(c)所示，每個(gè)墩身節(jié)段在預(yù)制時(shí)需要配置少量小直徑的架立筋，固定箍筋和金屬波紋管形成骨架，再澆筑混凝土；這些架立筋僅位于節(jié)段內(nèi)部，不存在于接縫處。從傳力特征上看，節(jié)段內(nèi)混凝土可傳遞拉應(yīng)力，接縫可視作混凝土完全受拉開(kāi)裂，因此不能傳遞拉應(yīng)力。從邊界條件上看，PSBC拼接縫處的抗剪承載力主要由貫通鋼筋的銷(xiāo)栓作用和節(jié)段間的靜摩擦力兩部分組成，接縫抗剪承載力大于橋墩構(gòu)件自身的水平承載力，理論上不會(huì)發(fā)生節(jié)段剪切錯(cuò)動(dòng)；國(guó)內(nèi)外多位研究者[4，9-10]與本文作者開(kāi)展的擬靜力試驗(yàn)結(jié)果表明，PSBC的拼接縫(主要是墩底接縫)在水平位移作用下會(huì)發(fā)生張開(kāi)與閉合，但各節(jié)段間基本沒(méi)有剪切錯(cuò)動(dòng)。因此，在纖維模型中應(yīng)考慮接縫上下兩節(jié)段在水平自由度上變形耦合、不發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，而在轉(zhuǎn)動(dòng)自由度上并不耦合、可以有相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。根據(jù)上述分析，建立如圖2所示的纖維模型并詳細(xì)闡述如下。

如圖2所示，每個(gè)預(yù)制鋼筋混凝土節(jié)段均采用一個(gè)非線(xiàn)性梁柱單元(Nonlinear Beam Column)模擬，該單元是基于柔度法建立的梁柱單元。本文沿非線(xiàn)性梁柱單元長(zhǎng)度方向設(shè)置5個(gè)積分點(diǎn)。每個(gè)節(jié)段拼接縫均采用一個(gè)零長(zhǎng)度截面單元(Zero Length Section)模擬。在橋墩每個(gè)拼接縫處存在著相互接觸的兩個(gè)節(jié)段端面，故對(duì)應(yīng)建立兩個(gè)具有相同坐標(biāo)的節(jié)點(diǎn)，同時(shí)如圖2所示，對(duì)這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的水平自由度施加耦合約束，即限制節(jié)段間的剪切錯(cuò)動(dòng)。圖2還示出了賦給每個(gè)節(jié)段單元和每個(gè)接縫單元的纖維截面，其中后者截面上無(wú)架立筋纖維，且混凝土保護(hù)層和約束混凝土纖維的抗拉強(qiáng)度f(wàn)t均為0。本文中PSBC模型的預(yù)應(yīng)力是通過(guò)位于墩身中心的1 860 MPa級(jí)無(wú)黏結(jié)鋼絞線(xiàn)施加的。在纖維模型中，預(yù)應(yīng)力筋采用桁架單元(Corot Truss)模擬，并令單元頂部和底部節(jié)點(diǎn)的自由度分別從屬于基礎(chǔ)和墩頂節(jié)點(diǎn)，以此模擬預(yù)應(yīng)力筋兩端的錨固效果。

圖2 PSBC纖維模型建模方法

纖維模型中各材料的本構(gòu)模型詳述如下。矩形截面橋墩混凝土采用Kent-Scott-Park混凝土本構(gòu)模型(Concrete02)，并考慮了箍筋對(duì)核心混凝土的約束效果。由于Kent-Scott-Park本構(gòu)模型基于體積配箍率來(lái)考慮箍筋對(duì)核心混凝土的約束作用，因此本文未對(duì)箍筋肢數(shù)、彎鉤等構(gòu)造細(xì)節(jié)予以限定。橋墩縱向鋼筋采用Chang-Mander鋼筋本構(gòu)模型(ReinforcingSteel)；無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋采用理想彈塑性本構(gòu)模型(ElasticPP)，并通過(guò)設(shè)置初始應(yīng)力參數(shù)來(lái)施加預(yù)應(yīng)力。墩底接縫由于應(yīng)變滲透效應(yīng)引起的滑移行為采用粘結(jié)滑移本構(gòu)模型(Bond_SP01)。各類(lèi)本構(gòu)模型的關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算方法和文獻(xiàn)依據(jù)匯總于表1。

表1 材料本構(gòu)模型關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算方法Table 1 Calculation methods for key parameters in material stress-strain relationships材料本構(gòu)模型關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算方法參考文獻(xiàn)混凝土Concrete02本構(gòu)模型約束混凝土峰值壓應(yīng)力fcc=(1+ρvfyhfc0)fc0SCOTT等[11]約束混凝土極限壓應(yīng)變?chǔ)與cu=0.004+0.9 ρv(fyh300)SCOTT等[11]混凝土軸心抗拉強(qiáng)度f(wàn)t=0.622 8fcYASSIN[12]鋼筋Reinforcing Steel本構(gòu)模型初始硬化應(yīng)變?chǔ)舠h=3εyCHANG等[13]初始硬化模量Esh=0.01Es粘結(jié)滑移Bond_SP01本構(gòu)模型鋼筋屈服時(shí)的滑移量sy=2.54(db8 4371.8 fyfc)2.5+0.34ZHAO等[14]鋼筋達(dá)峰值強(qiáng)度時(shí)的滑移量su=(30 ～ 40)sy 注: fc0為未約束混凝土軸心抗壓強(qiáng)度;ρv為體積配箍率;fyh為箍筋屈服強(qiáng)度;fy為縱向鋼筋屈服強(qiáng)度;εy為縱向鋼筋屈服應(yīng)變;Es為鋼筋彈性模量;db為縱筋直徑。

1.2 纖維模型驗(yàn)證

根據(jù)上述纖維模型建模方法，對(duì)作者開(kāi)展的擬靜力試驗(yàn)中的3個(gè)PSBC試件進(jìn)行模擬，檢驗(yàn)此建模方法的有效性。PSBC試件為截面尺寸0.6 m ×0.4 m、總高度4.2 m的矩形橋墩，其中，試件ED1N1為傳統(tǒng)的僅配置HRB400級(jí)普通鋼筋的PS-BC橋墩，試件PSB3N1和PSB3N2為采用PSB1080級(jí)超高強(qiáng)鋼筋和HRB400級(jí)普通鋼筋的混合配筋PSBC。其他試件設(shè)計(jì)信息詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)[15]。

圖3所示為纖維模型分析所得滯回曲線(xiàn)與擬靜力試驗(yàn)滯回曲線(xiàn)的對(duì)比情況，由該對(duì)比結(jié)果可知，上述模擬方法在預(yù)測(cè)傳統(tǒng)型和混合配筋PSBC水平力-位移反應(yīng)方面具有較好的準(zhǔn)確性。下面，將采用此建模方法開(kāi)展更為深入的參數(shù)分析。

(a)與傳統(tǒng)PSBC試件對(duì)比

2 工況設(shè)計(jì)

表2所示為所設(shè)計(jì)的13個(gè)PSBC分析工況。所有PSBC工況具有相同的幾何尺寸，為1.2 m×0.8 m的矩形截面，墩身高度為6.4 m，屬于城市高架橋常見(jiàn)墩柱尺寸[16]。沿墩高分為3個(gè)節(jié)段，每個(gè)節(jié)段重約5.1 t，適合采用靈活機(jī)動(dòng)的中小型運(yùn)輸?shù)跹b設(shè)備快速施工。根據(jù)《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(CJJ 166-2011)》，各工況橋墩均采用C45混凝土，則未約束混凝土軸心抗壓強(qiáng)度f(wàn)c=35 MPa；各橋墩軸壓比nG均取為0.1，則橋梁上部結(jié)構(gòu)傳遞給橋墩的軸力N按下式計(jì)算：

N=0.1fcA

(1)

式中：A為墩身全截面面積。另外，各橋墩施加的預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的軸壓比為0.05。所有橋墩工況的箍筋采用HRB400級(jí)熱軋帶肋鋼筋，沿橋墩全高進(jìn)行箍筋加密，體積配箍率為1.0%，滿(mǎn)足《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(CJJ 166-2011)》的規(guī)定，可對(duì)核心混凝土形成有效約束。

本文主要研究?jī)蓚€(gè)變量對(duì)混合配筋PSBC抗震性能的影響規(guī)律，即超高強(qiáng)鋼筋的屈服強(qiáng)度和混配比例。共選擇3種精軋螺紋鋼筋作為超高強(qiáng)鋼筋，即國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《預(yù)應(yīng)力混凝土用螺紋鋼筋》中的PSB785、PSB1080和PSB1200級(jí)筋材，三者的名義屈服強(qiáng)度分別為785、1 080和1 200 MPa，抗拉強(qiáng)度分別為930、1 230和1 330 MPa。第二個(gè)變量“混配比例”即超高強(qiáng)鋼筋面積占全部縱筋面積的比例，共5種取值：0%(表示僅有普通鋼筋)、20%、30%、40%和50%。另外，13個(gè)工況的總配筋率均為1.6%，滿(mǎn)足《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》要求。

在表2所示的13個(gè)工況中，“R1”為傳統(tǒng)的僅配置普通鋼筋的PSBC對(duì)比件；其余12個(gè)工況為混合配筋PSBC?；旌吓浣罟r的名稱(chēng)均由兩部分組成，第一部分的字母“PSB”與其后數(shù)字表示超高強(qiáng)鋼筋類(lèi)型，并根據(jù)超高強(qiáng)鋼筋類(lèi)型而分為3組；第二部分的字母“H”與其后數(shù)字表示混配比例。例如，第一組試件PSB785H40表示采用PSB785級(jí)精軋螺紋鋼筋作超高強(qiáng)鋼筋，且超高強(qiáng)鋼筋占總配筋率的40%。

表2 參數(shù)分析工況Table 2 Design of parameter analysis序號(hào)工況名稱(chēng)超高強(qiáng)鋼筋類(lèi)型混配比例/%超高強(qiáng)鋼筋配筋率/%普通鋼筋配筋率/%總筋率/%1R1無(wú)00 1.61.62PSB785H20PSB785200.321.281.63PSB785H30PSB785300.481.121.64PSB785H40PSB785400.640.961.65PSB785H50PSB785500.800.801.66PSB1080H20PSB1080200.321.281.67PSB1080H30PSB1080300.481.121.68PSB1080H40PSB1080400.640.961.69PSB1080H50PSB1080500.800.801.610PSB1200H20PSB1200200.321.281.611PSB1200H30PSB1200300.481.121.612PSB1200H40PSB1200400.640.961.613PSB1200H50PSB1200500.800.801.6

3 單調(diào)加載分析

所有PSBC工況在墩頂沿弱軸施加水平位移，則橋墩截面高度為0.8 m；單調(diào)加載至8%位移角，即512 mm，得到橋墩水平力-位移單調(diào)加載曲線(xiàn)，如圖4所示。圖4(a)、圖4(b)、圖4(c)分別為采用PSB785、PSB1080和PSB1200級(jí)超高強(qiáng)鋼筋的混合配筋PSBC試件與對(duì)比件R1的單調(diào)加載曲線(xiàn)對(duì)比情況。由此3個(gè)圖可知，將PSBC構(gòu)件中所配置的一部分縱向普通鋼筋替換為超高強(qiáng)鋼筋，有利于橋墩水平承載力的提高，且對(duì)其初始抗側(cè)剛度沒(méi)有影響，即對(duì)橋墩基本自振周期沒(méi)有影響。這是由于兩類(lèi)筋材的彈性模量相同，而超高強(qiáng)鋼筋在普通鋼筋屈服后依然保持彈性，故可促進(jìn)混合配筋PSBC水平承載力的進(jìn)一步提高。圖4(d)所示為混配比例同為40%的3個(gè)混合配筋PSBC與對(duì)比件R1的對(duì)比情況。由該圖可知，增加超高強(qiáng)鋼筋的屈服強(qiáng)度有助于提高混合配筋PSBC的水平承載能力。

(a)采用PSB785級(jí)超高強(qiáng)鋼筋

屈服點(diǎn)可用于表征材料或構(gòu)件開(kāi)始出現(xiàn)不可恢復(fù)的殘余變形，因此，對(duì)于傳統(tǒng)僅配置普通鋼筋的橋墩、以及新型混合配筋橋墩而言，均可將普通鋼筋的首次受拉屈服作為屈服點(diǎn)，這也便于實(shí)現(xiàn)基于性能的抗震設(shè)計(jì)?；旌吓浣頟SBC中縱向普通鋼筋率先屈服，此時(shí)相應(yīng)的水平位移定義為屈服位移Dy，水平力定義為屈服荷載Vy。橋墩屈服之后，超高強(qiáng)鋼筋依然保持彈性，故橋墩水平承載力隨加載位移繼續(xù)增加，表現(xiàn)出明顯的屈服后強(qiáng)化行為，該行為可用下面兩個(gè)性能指標(biāo)來(lái)刻畫(huà)。第一個(gè)指標(biāo)為屈服后剛度比rk，定義為：

(2)

式中：k1是初始剛度，取為單調(diào)加載曲線(xiàn)上屈服點(diǎn)割線(xiàn)剛度；k2是屈服后剛度，即屈服點(diǎn)與峰值點(diǎn)連線(xiàn)的斜率；Vp和Dp分別是峰值力和峰值位移。葉列平[17]等指出，屈服后剛度比的增加有利于減小結(jié)構(gòu)震后殘余位移和地震響應(yīng)離散性。第二個(gè)指標(biāo)為強(qiáng)化段長(zhǎng)度系數(shù)μΔp，定義為：

(3)

由上式可知，強(qiáng)化段長(zhǎng)度系數(shù)表示從屈服位移開(kāi)始強(qiáng)化、直至達(dá)到峰值位移這一過(guò)程的相對(duì)長(zhǎng)度。另外，μΔp本質(zhì)上為采用峰值位移計(jì)算的位移延性系數(shù)。上述各性能參數(shù)的計(jì)算結(jié)果匯總于表3，并將混合配筋對(duì)PSBC屈服后強(qiáng)化能力的影響結(jié)果示于圖5。

由圖5(a)可知，混合配筋可顯著提高PSBC屈服后剛度比rk。例如，第2組采用PSB1080級(jí)超高強(qiáng)鋼筋、且混配比例為30%的試件P1080H30的rk是對(duì)比件R1的1.7倍；第3組工況PSB1200H50的rk是對(duì)比件R1的2.1倍。同時(shí)，提高超高強(qiáng)鋼筋的屈服強(qiáng)度或混配比例，均有利于混合配筋PSBC屈服后剛度比的增加。由圖5(b)可知，混合配筋可使PSBC構(gòu)件屈服后的強(qiáng)化行為更加明顯，具有更長(zhǎng)的強(qiáng)化段，且強(qiáng)化段長(zhǎng)度系數(shù)μΔp隨著超高強(qiáng)鋼筋屈服強(qiáng)度和混配比例的增加而增大。例如，工況PSB1200H50的μΔp約是對(duì)比件R1的2倍。另外，強(qiáng)化段長(zhǎng)度系數(shù)本質(zhì)上為采用峰值位移計(jì)算的位移延性系數(shù)，因此由圖5(b)還可獲悉混合配筋可有效提高PSBC的位移延性。

表3 工況分析結(jié)果Table 3 Parameter analysis results序號(hào)工況名稱(chēng)屈服位移角/%屈服力/kN峰值位移角/%峰值力/kN超強(qiáng)鋼筋屈服角/%rk/%μΔp殘余位移角/%1R10.9504.12.1 565.1—0.09 2.35 2.832P785H200.9506.92.6 636.81.240.13 3.01 2.813P785H300.9512.73.1 675.31.300.13 3.45 2.584P785H400.9513.63.3 715.11.350.15 3.68 2.445P785H500.9513.73.4 754.91.410.17 3.80 2.326P1080H200.9511.32.9 670.51.540.14 3.27 2.657P1080H300.9513.13.3 727.01.670.15 3.73 2.438P1080H400.9514.23.7 785.71.780.17 4.18 2.179P1080H500.9514.43.9 846.51.890.19 4.41 1.9910P1200H200.9511.43.0 682.91.670.14 3.38 2.5811P1200H300.9513.13.5 746.41.820.15 3.95 2.3012P1200H400.9514.33.8 812.71.950.18 4.30 2.0213P1200H500.9514.54.2 884.42.100.19 4.73 1.81

(a)對(duì)屈服后剛度比的影響

4 滯回加載分析

對(duì)所設(shè)計(jì)的13個(gè)工況繼續(xù)開(kāi)展滯回加載分析，研究混合配筋橋墩在往復(fù)水平荷載作用下的響應(yīng)規(guī)律。鑒于橋墩在地震作用下最大位移角反應(yīng)約為3%到4.5%，本文中各工況循環(huán)加載至4.5%位移角。圖6所示為混合配筋工況PSB785H30和PSB1200H30與僅配置普通鋼筋的工況R1的滯回曲線(xiàn)對(duì)比結(jié)果。根據(jù)滯回曲線(xiàn)，可計(jì)算出各工況在各級(jí)加載位移下的殘余位移角和累積滯回耗能，分別如圖7和圖8所示。此處，殘余位移角是指殘余位移與橋墩高度的比值。各工況循環(huán)加載結(jié)束時(shí)的殘余位移角匯總于表3。

(a)工況PSB785H30與對(duì)比件的滯回曲線(xiàn)

圖7揭示了混配比例和超高強(qiáng)鋼筋屈服強(qiáng)度對(duì)混合配筋PSBC自復(fù)位能力的影響規(guī)律。分析圖7(a)可以得出以下兩條重要結(jié)論。第一，采用相同強(qiáng)度的超高強(qiáng)鋼筋時(shí)，增大混配比例可減小混合配筋PSBC的殘余位移，即提高其自復(fù)位能力。由表3可知，工況PSB1200H30和PSB1200H50的殘余位移角分別比對(duì)比工況R1減小19%和36%。第二，PSBC的殘余位移角隨加載位移的增加而迅速增大，可見(jiàn)，控制橋墩震時(shí)最大位移響應(yīng)是減小其震后殘余位移的重要策略。分析圖7(b)可知，采用相同的混配比例時(shí)，提高超高強(qiáng)鋼筋的屈服強(qiáng)度有利于混合配筋殘余位移的減小。

普通鋼筋和超剛強(qiáng)鋼筋的屈服情況對(duì)各工況橋墩的殘余位移角有直接影響。表3示出13個(gè)橋墩模型的普通鋼筋屈服均發(fā)生于0.9%位移角(即橋墩屈服位移角均為0.9%)，而混合配筋橋墩中超高強(qiáng)鋼筋受拉屈服發(fā)生于位移角1.24%至2.10%。因此，混合配筋橋墩中縱筋的分批屈服是此類(lèi)新型橋墩具有較高屈服后剛度比和較小殘余位移的內(nèi)在力學(xué)機(jī)理。另外，由圖7還可看出，在較大位移角時(shí)(超高強(qiáng)鋼筋已屈服)，混合配筋橋墩在減小殘余位移角的優(yōu)勢(shì)有所減弱。例如，加載至2%位移角時(shí)，PSB785H40的殘余位移角比對(duì)比件R1減小了51%；而在4.5%位移角時(shí)，PSB785H40比R1減小了14%。

(a)混配比例的影響

圖8揭示了混配比例和超高強(qiáng)鋼筋屈服強(qiáng)度對(duì)混合配筋PSBC耗能能力的影響規(guī)律。觀(guān)察圖8(a)和圖8(b)可以發(fā)現(xiàn)，各混合配筋PSBC工況的累積滯回耗能曲線(xiàn)與對(duì)比件R1的耗能曲線(xiàn)十分接近。該結(jié)果表明，當(dāng)混合配筋PSBC的超高強(qiáng)鋼筋屈服強(qiáng)度在785 MPa至1 200 MPa之間變化、混配比例在20%至50%之間變化時(shí)，混合配筋PSBC的滯回耗能能力與僅配置普通鋼筋的PSBC相似。據(jù)此可知，混合配筋創(chuàng)新策略在提高橋墩自復(fù)位能力的同時(shí)，可確保耗能能力基本不變。值得一提的是，能夠不犧牲PSBC耗能能力而提高其自復(fù)位能力的有效方案依然少有報(bào)道。

(a)混配比例的影響

5 結(jié)論

a.就本文工況而言，將傳統(tǒng)PSBC中20%～50%的普通熱軋帶肋鋼筋替換為屈服強(qiáng)度為785～1 200 MPa的精軋螺紋鋼筋(作為超高強(qiáng)鋼筋)，可實(shí)現(xiàn)縱筋的分批屈服，從而有效提高PSBC的屈服后剛度比rk和強(qiáng)化段長(zhǎng)度系數(shù)μΔp。本文研究結(jié)果表明，混合配筋PSBC的rk最高可增至傳統(tǒng)PSBC對(duì)比件的2倍左右。

b.提高超高強(qiáng)鋼筋的屈服強(qiáng)度或混配比例，均有利于混合配筋PSBC的自復(fù)位能力的提高。本文研究結(jié)果表明，往復(fù)加載至4.5%位移角時(shí)，與僅配置普通鋼筋的傳統(tǒng)PSBC相比，混合配筋PSBC的殘余位移最多可減小36%。另外，混合配筋創(chuàng)新策略在提高橋墩自復(fù)位能力的同時(shí)可確保耗能能力基本不變，而能實(shí)現(xiàn)此性能目標(biāo)的其他有效方案依然少有報(bào)道。

c.由本文分析結(jié)果可知，經(jīng)過(guò)合理設(shè)計(jì)，超高強(qiáng)鋼筋可增加混合配筋橋墩的屈服后強(qiáng)化能力和自復(fù)位能力，且對(duì)其初始抗側(cè)剛度和基本自振周期沒(méi)有影響。因此，在以提高鐵路橋梁工程的震后功能性和可修復(fù)性為設(shè)計(jì)目標(biāo)時(shí)，可將配置超高強(qiáng)鋼筋-普通鋼筋的混合配筋橋墩作為潛在可行的方案之一。