基于抗氯鹽型灌漿料的承插式預(yù)制橋墩的抗震性能研究

宋林林,趙連地,謝尚志,薛 振

(1.山東交通學(xué)院,濟(jì)南 250300; 2.濟(jì)南城建集團(tuán)有限公司,濟(jì)南 250031)

0 引言

隨著交通基礎(chǔ)設(shè)施工業(yè)化的快速發(fā)展,裝配式結(jié)構(gòu)在越來越多的橋梁工程中得到了應(yīng)用。承插式橋墩作為一種裝配式橋墩結(jié)構(gòu)形式,將預(yù)制墩柱吊裝至承臺(tái)預(yù)留孔內(nèi),用高強(qiáng)砂漿或灌漿料填補(bǔ)墩柱周圍空隙,不通過鋼筋連接令預(yù)制墩柱與承臺(tái)成為整體。與灌漿套筒連接及預(yù)應(yīng)力鋼筋連接等以鋼筋為聯(lián)結(jié)單元的構(gòu)造形式相比,承插式橋墩具有施工簡(jiǎn)單、節(jié)約經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn),但存在灌漿料耐久性差、結(jié)構(gòu)抗震性能差等不足。承插式橋墩灌漿部位為墩柱與承臺(tái)連接的關(guān)鍵構(gòu)造部位,也是薄弱構(gòu)造部位。韓艷等[1]通過擬靜力試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究了承插式裝配橋墩的抗震性能,發(fā)現(xiàn)承插式橋墩的承載能力與墩柱嵌入深度及灌漿料性能密切相關(guān)。徐艷等[2]研究了灌漿料對(duì)承插式橋墩力學(xué)性能的影響,對(duì)應(yīng)用高強(qiáng)灌漿料的承插式橋墩試件與現(xiàn)澆整體式試件的抗震進(jìn)行了對(duì)比分析,結(jié)果表明,灌漿料的彈性模量對(duì)灌漿部位的剛度及穩(wěn)定性具有直接影響。當(dāng)前裝配式橋梁的服役環(huán)境越來越復(fù)雜,傳統(tǒng)的灌漿料在裝配式橋梁結(jié)構(gòu)中暴露的問題越來越多。服役于海域環(huán)境或大量使用除冰鹽地區(qū)的橋梁,氯化物通過灌漿料的毛細(xì)孔道進(jìn)入結(jié)構(gòu)內(nèi)部,使得灌漿部位的鋼筋發(fā)生銹蝕,導(dǎo)致鋼筋與灌漿料黏結(jié)性能退化,對(duì)承插式橋墩結(jié)構(gòu)的整體性、抗震性造成影響[3-4]。而灌漿料性能是影響整體結(jié)構(gòu)安全性的關(guān)鍵因素,故亟需一種能夠應(yīng)用于特殊環(huán)境下的抗氯鹽型灌漿料來彌補(bǔ)傳統(tǒng)灌漿材料在耐久性方面的不足,滿足高氯鹽環(huán)境下裝配式橋梁工程的需求,并根據(jù)該抗氯鹽型灌漿料的性能參數(shù),研究應(yīng)用此灌漿料的承插式預(yù)制橋墩的抗震性能。

基于特殊服役條件下承插式預(yù)制鋼筋混凝土橋墩存在的耐久性問題,配制了一種抗氯鹽型灌漿料,通過灌漿料流動(dòng)度試驗(yàn)、力學(xué)性能試驗(yàn)及耐久性試驗(yàn),確定了其最佳配合比。建立一個(gè)承插式鋼筋混凝土橋墩有限元模型,將配置的灌漿料應(yīng)用其中,通過研究該裝配式橋墩模型在低周往復(fù)荷載下的破壞部位、破壞形態(tài)、滯回曲線及耗能情況,分析此承插式鋼筋混凝土橋墩的抗震性能。

1 高耐久灌漿料配制及性能測(cè)試

1.1 材料及參數(shù)

抗氯鹽型灌漿料采用P.II52.5等級(jí)的普通硅酸鹽水泥(C)作為膠凝材料,采用I級(jí)粉煤灰(FA)、礦粉(SL)、硅灰(SF)作為礦物摻和料,采用標(biāo)準(zhǔn)砂作為細(xì)集料,拌和用水采用自來水。根據(jù)灌漿料對(duì)早強(qiáng)、微膨脹性方面的需求,摻入聚羧酸高效減水劑、早強(qiáng)劑、膨脹劑等外加劑,制備新型灌漿料。

P.II 52.5普通硅酸鹽水泥密度為3.13 g/cm3,比表面積為336 m2/kg。I級(jí)粉煤灰密度為2.30 g/cm3,比表面積為428 m2/kg。礦粉密度為2.79 g/cm3,比表面積為460 m2/kg。硅灰密度為2.28 g/cm3,比表面積為22 194 m2/kg。水泥及礦物摻和料的化學(xué)組分見表1。

表1 膠凝材料及礦物摻和料化學(xué)組分

減水劑添加比例為膠凝材料的1.55%,早強(qiáng)劑添加比例為膠凝材料的1.6%,膨脹劑添加比例為膠凝材料的0.03%。

1.2 灌漿料配比設(shè)計(jì)及性能試驗(yàn)

為了確定新型灌漿料最佳性能指標(biāo)及最優(yōu)配合比,設(shè)計(jì)5組不同配合比的試驗(yàn)組,根據(jù)《水泥基灌漿料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50448-2015)[5]進(jìn)行灌漿料流動(dòng)度試驗(yàn)、強(qiáng)度試驗(yàn)及氯離子滲透試驗(yàn)。不同試驗(yàn)組配合比見表2。

表2 不同試驗(yàn)組配合比設(shè)計(jì)

將水泥、礦物摻和料、標(biāo)準(zhǔn)砂、水及外加劑加入到攪拌機(jī)中進(jìn)行充分拌和,測(cè)試新型灌漿料初始及30 min流動(dòng)度。每試驗(yàn)組成型3組40 mm×40 mm×160 mm尺寸的棱柱體灌漿料試件及φ100×50 mm尺寸的圓柱體灌漿料試件。棱柱體試件用于測(cè)試其抗折及抗壓強(qiáng)度,圓柱體試件用于測(cè)試其氯離子遷移系數(shù)。試驗(yàn)過程如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)流程Fig.1 Flow chart of the test

1.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

測(cè)得新型灌漿料初始及30 min流動(dòng)度、抗折及抗壓強(qiáng)度、28 d氯離子遷移系數(shù)如表3所示。

表3 不同配比新型灌漿料試驗(yàn)結(jié)果

由表3可知,第1組、第5組灌漿料初始流動(dòng)度小于300 mm,流動(dòng)性較差,不能滿足灌漿料對(duì)于流動(dòng)度的要求。第2組、第3組灌漿料流動(dòng)度較好,但力學(xué)性能較差,其3 d抗壓強(qiáng)度均小于40 MPa,不能滿足規(guī)范要求。第4組灌漿料流動(dòng)度較大且力學(xué)性能優(yōu)異,均滿足規(guī)范要求。

對(duì)于灌漿料達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求的原因,主要是礦物摻和料的添加比例及水灰比不合理。第1組、第5組灌漿料加入了兩類礦物摻和料,只添加粉煤灰、礦粉或硅灰,礦物的微觀效應(yīng)、活性效應(yīng)不明顯,且水灰比較小,故導(dǎo)致灌漿料流動(dòng)性較差。第2組、第3組灌漿料水灰比較大,分別為0.30、0.32,其28 d抗壓強(qiáng)度與3 d抗壓度相比,分別增長(zhǎng)了16%、18%。第4組灌漿料水灰比適中,為0.27,其28 d抗壓強(qiáng)度與3 d抗壓度相比,增長(zhǎng)了約35%。由此說明,水灰比越大,強(qiáng)度越低。

礦物摻和料的添加比例也會(huì)影響灌漿料氯離子的遷移系數(shù)。礦物摻和料添加比例少,導(dǎo)致灌漿料內(nèi)部孔隙率較大,進(jìn)一步加快了氯離子向灌漿料內(nèi)部的遷移速率,使得灌漿料內(nèi)部的鋼筋發(fā)生銹蝕。而第4組灌漿料添加了顆粒大小不同的三類礦物摻和料,能夠?qū)⒐酀{料內(nèi)部孔隙填充緊密,故其28 d氯離子遷移系數(shù)較小,僅為2.04×10-12m2/s,滿足高氯鹽環(huán)境對(duì)于高耐久性的需求。

綜上所述,第4組灌漿料綜合性能最佳,其配合比為水泥∶粉煤灰∶礦粉∶硅灰∶砂∶水=1∶0.16∶0.15∶0.15∶1.00∶0.28。

2 橋墩有限元模擬

承插式鋼筋混凝土橋墩模型主要包括圓形墩柱、承臺(tái)及蓋梁,均采用C40混凝土。橋墩總高度為2.2 mm,承臺(tái)尺寸為0.6 m×1.5 m×0.6 m。將蓋梁簡(jiǎn)化為柱頂端塊,尺寸為0.45 m×0.45 m×0.3 m。墩柱高1.2 m,截面直徑為0.4 m,墩柱外設(shè)置一層高耐久灌漿料填補(bǔ)承插空隙。

墩柱、承臺(tái)及蓋梁縱向鋼筋均設(shè)置為直徑16 mm的HRB335級(jí)熱軋帶肋鋼筋,墩柱縱筋為8根,承臺(tái)、蓋梁縱筋為12根。墩柱、承臺(tái)箍筋均采用直徑為10 mm的HRB300級(jí)光圓鋼筋,蓋梁箍筋采用直徑為8 mm的HRB300級(jí)光圓鋼筋。承臺(tái)及蓋梁箍筋間距為80 mm,墩柱箍筋非加密區(qū)間距為100 mm,柱底承插部位600 mm的范圍設(shè)計(jì)為箍筋加密區(qū),箍筋間距為60 mm。墩柱、承臺(tái)及蓋梁混凝土保護(hù)層均為20 mm。在承臺(tái)頂面中心位置處預(yù)留墩柱承插孔,孔洞直徑500 mm,深度為300 mm,灌漿料厚度為10 mm。為防止柱頂混凝土受壓破壞,在柱頂布置一層直徑10 mm的HRB300的鋼筋網(wǎng)片。模型整體及配筋圖如圖2所示。

圖2 模型概況(單位:mm)Fig.2 Overview of the model (mm)

采用Abaqus有限元軟件建立承插式鋼筋混凝土橋墩,橋墩模型按照上述幾何尺寸進(jìn)行建模,普通混凝土、灌漿料采用實(shí)體單元中的C3R8D六面體單元,鋼筋材料選取桁架單元中的T3D2單元。為了縮短模型運(yùn)算分析時(shí)間,混凝土與灌漿料、混凝土與鋼筋、灌漿料與鋼筋之間接觸類型設(shè)置為不考慮黏結(jié)滑移的剛性接觸。

為模擬橋墩真實(shí)的服役狀態(tài),將承臺(tái)底部設(shè)置為完全固結(jié),將上部端塊的頂面與側(cè)面分別耦合于一點(diǎn),在耦合點(diǎn)處添加荷載。端塊頂面耦合點(diǎn)施加結(jié)構(gòu)自重大小的豎向集中荷載,側(cè)面耦合點(diǎn)施加低周往復(fù)荷載,荷載采用位移控制。

模型中普通混凝土塑性損傷本構(gòu)模型按照GB50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]中的相關(guān)參數(shù)選取,C40混凝土抗壓強(qiáng)度取實(shí)測(cè)值43.2 MPa,抗拉強(qiáng)度取標(biāo)準(zhǔn)值2.39 MPa,彈性模量取值為3.25×104MPa。目前,灌漿料并沒有相對(duì)成熟的本構(gòu)模型,多采用與普通混凝土相似的軸向受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線,整個(gè)曲線由上升段與下降段兩部分組成[7],采用灌漿料的抗壓強(qiáng)度實(shí)測(cè)值為65.3 MPa,抗拉強(qiáng)度為7.2 MPa,彈性模量為3.45×104MPa,泊松比為0.2。鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線采用雙折線模型,鋼筋達(dá)到屈服后,應(yīng)變隨應(yīng)力增大而增大。

3 橋墩抗震性能分析

3.1 破壞部位及破壞形態(tài)

ABAQUS中的應(yīng)力云圖可以反映灌漿料與混凝土在低周往復(fù)荷載作用下的受壓破壞及受拉開裂情況,橋墩的破壞形態(tài)如圖3所示。

圖3 灌漿料與混凝土破壞形態(tài)Fig.3 Grouting material and concrete damage pattern

由圖3可知,承插式橋墩在地震中受到損壞最嚴(yán)重的部位為預(yù)制構(gòu)件連接處,當(dāng)加載完畢時(shí),DAMAGEC圖表明橋墩立柱混凝土受壓破壞的區(qū)域?yàn)榱⒅邢虏?部分混凝土達(dá)到極限壓應(yīng)變被壓碎,但由于灌漿料強(qiáng)度較高,未產(chǎn)生破壞。DAMAGET圖表明加載結(jié)束后,橋墩立柱混凝土在中下部出現(xiàn)較大裂縫,灌漿部位發(fā)生輕微損壞,但并未造成鋼筋黏脫破壞。當(dāng)高氯鹽環(huán)境中橋梁遭遇震害時(shí),應(yīng)用此抗氯鹽型灌漿料裝配式橋墩在構(gòu)件連接處內(nèi)部產(chǎn)生破壞較小,說明該灌漿料具有良好的工作性能。

3.2 滯回曲線與骨架曲線

該承插式橋墩的滯回曲線與骨架曲線如圖4所示。

圖4 滯回曲線和骨架曲線Fig.4 Hysteresis curve and skeleton curve

由圖4可知,當(dāng)荷載較小時(shí),橋墩未發(fā)生屈服,此時(shí)橋墩處于理想的彈性工作階段,基本未產(chǎn)生殘余位移,在滯回曲線中表現(xiàn)為集中與重疊于一條傾斜的直線,此直線的斜率即為橋墩的初始剛度,滯回環(huán)的面積較小,基本不存在耗能能力。隨著低周往復(fù)荷載幅值的增加,橋墩混凝土逐漸開裂,鋼筋慢慢屈服,截面剛度也逐漸下降,此時(shí)滯回環(huán)以梭形為主,曲線比較飽滿,滯回環(huán)面積相應(yīng)擴(kuò)大,表現(xiàn)出較好的耗能能力。荷載繼續(xù)增大,可以觀察到滯回曲線受到鋼筋-混凝土滑移的影響,捏攏效應(yīng)愈發(fā)明顯,表明耗能能力穩(wěn)定。通過骨架曲線可知,該承插式橋墩峰值荷載在300 kN左右,能夠反映出該橋墩在低周往復(fù)荷載作用下的承載能力、剛度等指標(biāo)滿足承插式橋墩抗震要求,具有較好的抵抗地震破壞的能力。

4 結(jié)論

基于特殊服役條件下承插式預(yù)制鋼筋混凝土橋墩存在的耐久性問題,配制了一種抗氯鹽型灌漿料,在承插式鋼筋混凝土橋墩中應(yīng)用此灌漿料,針對(duì)橋墩整體抗震性能進(jìn)行有限元建模分析,得出如下結(jié)論:通過灌漿料材料性能試驗(yàn),測(cè)得其基本力學(xué)指標(biāo)及氯離子遷移系數(shù)能夠滿足規(guī)范要求,確定了最優(yōu)配合比。數(shù)值模擬結(jié)果表明,承插式橋墩受震破壞較嚴(yán)重部位在各預(yù)制構(gòu)件連接處,應(yīng)用此灌漿料的裝配式橋墩經(jīng)加載模擬后,混凝土材料產(chǎn)生嚴(yán)重破壞,但灌漿料連接處發(fā)生破壞并不顯著。根據(jù)滯回曲線圖、骨架曲線圖及位移延性系數(shù)可知,應(yīng)用此抗氯鹽型灌漿料的承插式橋墩在地震作用下耗能穩(wěn)定,具有穩(wěn)定的抗震性能。高氯鹽環(huán)境中裝配式橋墩應(yīng)用此抗氯鹽型灌漿料,抵抗氯離子滲透的能力突出,抗震性能能夠滿足要求,可延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的服役壽命。