預(yù)制拼裝預(yù)應(yīng)力混凝土橋墩力學(xué)性能研究

王占飛，劉國東，趙同峰

（1.沈陽建筑大學(xué)交通與測繪工程學(xué)院，沈陽 110168；2.遼寧省交通高等?？茖W(xué)校道路與橋梁工程系，沈陽 110122）

1 引言

隨著我國交通運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展， 橋梁已成為主要交通樞干之一。 由于地震對于橋梁的破壞作用嚴(yán)重，經(jīng)濟(jì)損失較大，因此，在地震作用下如何使橋梁的承載力與變形符合基本的抗震要求是當(dāng)今社會(huì)的熱點(diǎn)問題[1]。傳統(tǒng)橋墩在地震作用下?lián)p傷較大，橋墩底部容易出現(xiàn)塑性鉸，產(chǎn)生不可恢復(fù)的變形，導(dǎo)致橋梁無法繼續(xù)使用。 因此， 結(jié)合預(yù)制拼裝橋墩的設(shè)計(jì)理念， 在橋墩內(nèi)部設(shè)置無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線使其擁有良好的恢復(fù)作用， 橋墩與承臺(tái)之間通過耗能構(gòu)件連接使其擁有良好的耗能能力，兩者共同作用大大減少了橋墩的損傷。

國內(nèi)外學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)對比探究了鋼筋混凝土橋墩的力學(xué)性能。葛繼平等[2]對循環(huán)荷載作用下預(yù)制拼裝橋墩的抗震性能進(jìn)行了試驗(yàn)分析，結(jié)果表明增加預(yù)應(yīng)力筋的軸壓力，橋墩的強(qiáng)度增加但延性降低。王占飛等[3]對部分填充混凝土自復(fù)位圓形鋼橋墩進(jìn)行了研究， 分析了改變橋墩與基礎(chǔ)的連接形式以及參數(shù)對該類橋墩抗震性能和復(fù)位能力的影響， 結(jié)果表明半剛性連接對橋墩的自復(fù)位性能較好。 Ou 等[4]研究了無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力節(jié)段橋墩的力學(xué)性能， 通過改變橋墩長細(xì)比等參數(shù)提出了一種簡化的自復(fù)位橋墩設(shè)計(jì)方法。

通過上述分析，自復(fù)位橋墩的抗震效果顯著，具有廣泛的工程推廣價(jià)值。 預(yù)制拼裝式預(yù)應(yīng)力混凝土橋墩，具有自復(fù)位功能，但各設(shè)計(jì)參數(shù)與橋墩抗震及自復(fù)位能力之間的關(guān)系如何，尚未明確。 因此，本研究通過改變橋墩長細(xì)比與耗能鋼筋配筋率等參數(shù)，量化分析該橋墩力學(xué)性能，探明對其承載能力、耗能能力和復(fù)位能力的影響，為抗震地區(qū)應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

2 預(yù)制拼裝預(yù)應(yīng)力混凝土自復(fù)位橋墩

該橋墩主要由錨具、混凝土柱、基礎(chǔ)、預(yù)應(yīng)力鋼絞線和耗能鋼筋組成。 并且耗能鋼筋在與基座連接處設(shè)置一段無黏結(jié)區(qū)域，橋墩構(gòu)造示意如圖1 所示。 當(dāng)受到水平地震作用時(shí)，橋墩依靠預(yù)應(yīng)力鋼絞線恢復(fù)變形，依靠耗能鋼筋消耗能量。

圖1 橋墩構(gòu)造示意圖

為了探究橋墩長細(xì)比與耗能鋼筋配筋率等參數(shù)對該類橋墩力學(xué)性能的影響，建立了9 個(gè)橋墩有限元模型，進(jìn)行量化分析，橋墩模型幾何尺寸和設(shè)計(jì)參數(shù)如表1 所示。

表1 橋墩幾何尺寸和設(shè)計(jì)參數(shù)

3 有限元模型的建立及有效性驗(yàn)證

3.1 有限元模型的建立

本研究的預(yù)制拼裝預(yù)應(yīng)力混凝土橋墩的有限元模型中混凝土、基礎(chǔ)與錨具采用實(shí)體單元建立，普通鋼筋、耗能鋼筋與預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用桁架單元建立。錨具與橋墩連接處設(shè)置Tie約束，各橋墩節(jié)段之間采用Contact 接觸，法向?yàn)橛步佑|，切向?yàn)槟Σ两佑|，摩擦系數(shù)0.3。 普通鋼筋與耗能鋼筋內(nèi)置在混凝土橋墩中。 鋼絞線與錨具之間采用MPC 約束。

該橋墩模型采用C50 標(biāo)號(hào)的混凝土， 預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用降溫法控制初始張拉應(yīng)力， 預(yù)應(yīng)力鋼絞線初始張拉應(yīng)力為1 100 MPa。 縱筋和箍筋分別采用直徑為25 mm 和20 mm 的HRB400 鋼筋，耗能鋼筋采用直徑為16mm 的HRB400，材料具體參數(shù)如表2 所示。

表2 鋼筋及預(yù)應(yīng)力鋼絞線設(shè)計(jì)參數(shù)

加載方式：在墩頂施加一定的豎向荷載后，再在水平方向上施加0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1%、2%、3%、4%、5%對應(yīng)柱高的位移，每級(jí)位移加載兩次。

3.2 有限元模型有效性驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文模型的有效性，筆者對文獻(xiàn)[5]中的預(yù)制節(jié)段預(yù)應(yīng)力混凝土橋墩采用上述方法進(jìn)行建立有限元模型。 其中模型材料特性采用文獻(xiàn)中的試驗(yàn)結(jié)果， 橋墩高度為5.7 m，豎向荷載為1 456 kN， 預(yù)應(yīng)力鋼絞線初始張應(yīng)力為1 042 MPa，耗能鋼筋配筋率為0.5%。

有限元分析得到的橋墩水平力-位移滯回曲線與試驗(yàn)結(jié)果對比如圖2 所示。 由圖2 可知，有限元分析的水平承載力-位移滯回曲線與試驗(yàn)結(jié)果基本相似，初始剛度吻合較好，極限承載力基本一致，因此，驗(yàn)證了本研究采用的橋墩有限元模型單元類型、材料設(shè)置和邊界條件是合理和有效的。

圖2 試驗(yàn)與有限元驗(yàn)證對比

4 有限元分析結(jié)果

4.1 長細(xì)比對該類橋墩力學(xué)性能的影響

為了探明長細(xì)比對該類橋墩力學(xué)性能的影響， 將其他設(shè)計(jì)參數(shù)保持不變，不同長細(xì)比的3 個(gè)橋墩水平力-水平位移滯回曲線如圖3 所示。 圖3a 為無耗能鋼筋橋墩有限元分析結(jié)果，圖3b 為有耗能鋼筋橋墩有限元分析結(jié)果。 由圖3 可以看出，隨著長細(xì)比的增加，橋墩的承載能力顯著下降，其中模型W09-122-060、Y09-147-060 的橋墩承載能力較好。添加耗能鋼筋后，橋墩的承載能力增加，但是損傷也隨之增加。

圖3 長細(xì)比對橋墩性能的影響

4.2 耗能鋼筋配筋率對該類橋墩力學(xué)性能的影響

其他參數(shù)不變，改變橋墩耗能鋼筋配筋率情況下，橋墩的力學(xué)性能如圖4 所示。 由圖4 可知，隨著耗能鋼筋配筋率的增加，橋墩的耗能能力與承載能力有所增加，但橋墩的殘余變形也會(huì)增加。

圖4 耗能鋼筋配筋率對橋墩性能的影響

5 結(jié)論

本文通過9 個(gè)預(yù)制拼裝預(yù)應(yīng)力混凝土橋墩有限元分析，研究了長細(xì)比與耗能鋼筋配筋率對該類橋墩力學(xué)性能的影響，得到了主要結(jié)論如下：

1）長細(xì)比影響了橋墩整體的承載能力，在相同水平位移下，長細(xì)比越大，其承載能力越低，橋墩損傷越??；

2）耗能鋼筋配筋率的增加，橋墩承載能力與耗能能力顯著增加，但殘余位移也隨之增加，橋墩出現(xiàn)損傷，復(fù)位效果變差。