CFRP 加固的承插式橋墩抗震性能分析

李謙，呂文舒

（1.中交第二公路勘察設計研究院有限公司，湖北 武漢 430050；2.中交水運規(guī)劃設計院有限公司，北京市 100020）

0 引言

隨著中國基礎建設的飛速發(fā)展，新型建筑工業(yè)化已成為中國建筑業(yè)的必然發(fā)展方向，預制拼裝橋梁施工技術是實現(xiàn)橋梁快速施工的重要途徑之一［1-5］。預制拼裝橋墩在推廣應用的同時也遇到了阻礙，與傳統(tǒng)現(xiàn)澆墩在地震作用下的響應并不相同，地震作用下預制拼裝橋墩的塑性鉸區(qū)域可能會由于縱向壓應變導致該區(qū)域保護層混凝土開裂，對橋梁整體安全造成威脅［6-13］。

常用的橋墩加固方法很多，如加大截面法、注漿加固法、粘貼鋼板法、體外預應力加固法、橋面補強層加固法、復合材料加固法等［14-16］。其中，碳纖維增強復合材料（CFRP）加固技術能較大幅度提高舊橋承載能力，加固施工簡單高效、人力投入少、綠色環(huán)保，經(jīng)濟效益明顯，加固過程中可實現(xiàn)不中斷交通和短期限制交通，而且對原橋結構損傷較小，是一種切實可行的加固方法，具有廣闊的發(fā)展前景［17-18］。

歐佳靈等［19］對CFRP 加固下的圓鋼管混凝土短柱進行了承載力分析，并建立了理論公式，結果表明：增加CFRP 層數(shù)與環(huán)向抗拉強度會提高墩柱極限承載力，但對屈服承載力影響較?。籆hang等［20］以現(xiàn)澆混凝土墩為研究對象，采用靜力加載試驗對CFRP 加固后橋墩的累積耗能、延性等進行分析；司炳君等［21］對一已破壞的現(xiàn)澆混凝土橋墩分別采用環(huán)氧樹脂加固、CFRP 布包裹加固、早強混凝土加固方法進行加固，對比了加固后橋墩的破壞形態(tài)及承載力等，并通過有限元建模研究3 種方法加固下的橋墩破壞形態(tài)、承載力等抗震指標。

由上可知，目前對于CFRP 加固法的研究多集中于現(xiàn)澆混凝土墩，而CFRP 加固法對預制拼裝墩的研究較少。研究表明地震作用下，預制拼裝橋墩在墩柱與承臺連接部位最易發(fā)生損壞［22］，因此本文采用CFRP 布包裹該區(qū)域進行加固處理，并與采用增加配箍率與不進行加固兩種方案進行對比，分析CFRP 加固法對承插式橋墩抗震性能的影響。

1 試驗概況和試件設計

為研究CFRP 加固方法對承插式預制拼裝橋墩抗震性能的影響，本文基于江北高速公路東延伸項目離心預制高強管墩與承臺連接力學性能試驗中設計的縮尺比為1∶2的承插式連接試件，利用有限元軟件Abaqus 進行數(shù)值模擬，分析不同加固方法的差異。

試驗加載設備是10 000 kN 電液伺服大型多功能結構試驗系統(tǒng)，最大行程±300 mm。采用分級加載控制試件的破壞進展。選取的試件為未考慮承臺與預制墩柱接觸面上的鋸齒波紋狀結構的對比試件。該試件表現(xiàn)為大偏心受壓破壞，其滯回曲線、骨架曲線、耗能能力等與現(xiàn)澆試件相差不大。但由于其未考慮鋸齒波紋構造，峰值位移和極限位移均有所下降，延性系數(shù)有一定程度降低。

根據(jù)上述試驗中承插式預制拼裝墩試件尺寸建立三維有限元模型，試件均為預制拼裝橋墩與承臺試件（圖1），其構造特點是承臺施工時預埋墩柱預埋段及相關預埋鋼筋，承臺中心預埋波紋管。墩柱外徑700 mm，內(nèi)徑450 mm。

圖1 試件構造圖（單位：cm）

承臺尺寸為210 cm×238 cm×75 cm，承臺底部布置和樁基礎相同數(shù)量和尺寸的鋼筋混凝土圓柱，伸出承臺20 cm。

混凝土管墩采用C70 混凝土，各試件墩身配筋形式相同（圖2），外層布置18 根直徑為20 mm 的HRB400 縱 筋，內(nèi) 層 布 置9 根10 mm 的HRB400 縱筋，螺旋箍筋直徑為6 mm，箍筋間距7.5 cm。

圖2 墩身截面配筋設計（單位：鋼筋直徑為mm，其余為cm）

4 個試件分別為S1～S4。試件S3 為離心預制高強管墩與承臺連接力學性能試驗中的對比試件，試件S4 為不采取任何加固措施的數(shù)值模擬比較基準，試件S2 在S4 的基礎上增加墩柱配箍率，將箍筋間距由7.5 cm 調整為5 cm，以驗證增加節(jié)段配箍率對墩柱抗震性能的影響，試件S1 在墩身與承臺連接部位包裹CFRP 布加固，以驗證CFRP 布對墩柱抗震性能的影響。

2 有限元模型建立

2.1 單元及本構選擇

混凝土單元采用C3D8R 單元，使用塑性損傷本構模型。鋼筋單元采用T3D2 單元，本構選用可考慮滯回曲線捏縮效應及剛度退化的雙折線模型。

CFRP 布采用M3D4R 單元，這種單元不具備平面外抗彎剛度，更適合模擬結構受力與變形特性。CFRP 布為線彈性材料，沿纖維方向抗拉強度較大，而正交方向抗拉強度極小，由于其正交異性的特點，可將其彈性屬性定義為復合材料單層板。CFRP 布材料密度為1.76 g/cm3，抗拉強度為3 765 MPa，彈性模量為240 GPa。

2.2 接縫設置

灌漿料連接方式類似于樁-土相互作用［23］，灌漿料與管墩的約束作用和土與樁的約束作用相似，因此其模擬方式也可借鑒樁-土相互作用的模擬方式。即將受水平荷載的樁視為由水平彈簧組成的豎直梁。

灌漿料與管墩間的約束作用采用水平彈簧模擬，水平彈簧具有水平軸向剛度與豎向剪切剛度兩個參數(shù)，分別用來模擬孔壁的水平約束作用與剪力鍵及摩擦力的豎向約束作用；豎向彈簧僅具有豎向軸向剛度一個參數(shù)以模擬墩柱端部支撐作用。

彈簧剛度數(shù)值大小參考文獻［23］，豎向剛度為豎向彈簧的軸向剛度與水平彈簧的剪切剛度，分別為1.9×102kN/mm 與1.3×102kN/mm，水平軸向剛度為1.5×103kN/mm。

有限元模型如圖3 所示，其中CFRP 布包裹部分即墩柱與承臺連接部分網(wǎng)格做加密處理。

圖3 有限元模型示意

2.3 加載方式

采用壓彎加載方式，在軸壓恒載的基礎上施加水平循環(huán)荷載，其中軸壓力為1 933.5 kN；水平加載共兩個階段，分別為力加載階段和位移加載階段，各階段加載具體描述如下：

（1）力加載階段：鋼筋首次屈服前，按最小水平力65 kN 的倍數(shù)分級循環(huán)加載直至鋼筋首次屈服，同時觀測并記錄開裂荷載和裂縫開展情況，該階段重點研究運營期間正常使用狀態(tài)的特征。

（2）位移加載階段：試件在軸壓和單軸彎曲組合作用循環(huán)加載方式下直至破壞。以0.5 倍、1 倍、1.5 倍，2 倍、3 倍、4 倍、5 倍、6 倍……屈服位移分級加載，每個等級循環(huán)3 次（2 次該等級循環(huán)+1 次前1個荷載等級循環(huán)），直至荷載下降至最大荷載的85%或構件達到指定位移，該階段重點研究地震破壞狀態(tài)下的特征，加載曲線如圖4 所示。

圖4 加載方案

3 有限元結果對比分析

3.1 滯回曲線

4 種試件的水平力-位移滯回曲線見圖5。

圖5 水平力-位移滯回曲線

由圖5 可知：

（1）4 種試件中S1 試件的滯回曲線形狀類似弓形，具有明顯的捏縮效應，表示滯回曲線受到了一定的滑移影響。S3 與S4 試件的滯回曲線擬合良好。雖然加載后期S3 試件剛度退化導致模擬值和試驗值有所偏差，這是由于在試驗加載過程中墩身混凝土會逐漸剝落，而數(shù)值模擬中無法準確模擬由于材料損傷造成的剛度退化，但并不影響試件整體滯回特性的模擬。因此，對于本文中采用承插式的預制墩柱連接，文中的模擬結果較為可靠。

（2）S4 試件作為不做任何加固措施的數(shù)值模擬比較基準，其墩頂水平力峰值為535.4 kN，墩頂水平位移峰值為82.8 mm；增加配箍率后（S2 試件），墩頂水平力峰值與墩頂水平位移峰值分別為530.5 kN 與98.5 mm，增加配箍率后試件的承載能力基本不變，但變形能力略有增大。S1 試件的墩頂水平力峰值為640.9 kN，墩頂水平位移峰值為114.2 mm，試件的變形能力與承載能力都有一定程度增強，且試件的軟化速度變快。

3.2 骨架曲線

骨架曲線為往復加載時各次滯回曲線峰點的連線，即滯回曲線的包絡線。骨架曲線的形狀大致與單調加載得到的荷載-位移曲線相似，主要區(qū)別在于極限荷載略低一些，能較明顯地反映結構或構件的最大荷載、初始剛度、屈后剛度等抗震指標，各試件的骨架曲線如圖6 所示。各試件骨架曲線的特征點如表1 所示。

表1 骨架曲線關鍵指標

圖6 骨架曲線

由圖6 可知：S3 與S4 試件的骨架曲線基本重合，S2 試件相比S4 并無明顯變化，而S1 相比S4，承載力與變形能力均有提升，前者的極限承載能力大約為后者的1.18 倍。

3.3 耗能能力

累計滯回耗能是指結構在循環(huán)荷載作用下從開始加載到破壞滯回耗能的總量，即每個滯回曲線的面積之和。各試件在每一個位移加載等級對應的耗能能力如圖7 所示。

圖7 各試件累積滯回耗能曲線

由圖7 可知：S1 試件的累積耗能能力明顯強于S2、S3 與S4 試件，這是由于S1 試件的變形能力更強，使得耗散能量更多，即最終的耗能水平高于其余試件。同理，在位移加載等級為90 mm 時，S1、S2 和S4 試件的單次加載耗能增量均大于S3，原因在于S3 試件加載至90 mm 只反復一周就已經(jīng)發(fā)生結構破壞，而S1、S2 和S4 試件完整地循環(huán)反復加載3 周。對比可知，在位移等級為72 mm 前，各試件的耗能水平相近，這與滯回曲線基本重合的結論相吻合。然后，由于S1 試件具備更強的變形能力，因此其滯回環(huán)面積和滯回圈數(shù)多于其余試件，即最終耗能水平較高。

3.4 殘余變形

各試件水平殘余變形曲線如圖8 所示。

圖8 各試件殘余變形曲線

由圖8 可知：在位移荷載等級較低的階段，各試件的殘余位移相差無幾，隨著位移荷載等級的增大，各試件的殘余位移開始表現(xiàn)出差異。S1～S4 試件在加載等級為72 mm 時，殘余位移分別為38.8 mm、47.1 mm、55.4 mm、55.5 mm；在加載等級為90 mm 時，殘余位移分別為59.0 mm、66.7 mm、69.9 mm、72.7 mm；橋墩的殘余變形保持在較低水平，不僅有利于橋梁震后繼續(xù)運營，保障救援工作的開展，而且對于震后橋墩的整體修復工作也有重要意義，整體而言，S1 試件相對優(yōu)于其余試件。

4 結論

通過Abaqus 建立預制拼裝橋墩有限元模型，對比分析CFRP 加固法對承插式橋墩抗震性能的影響，得到以下主要結論：

（1）CFRP 布加固使得承插式橋墩墩柱與承臺的連接部分受到環(huán)向約束，地震作用下可有效減少混凝土壓碎破壞。

（2）4 個試件中，使用CFRP 布加固的S1 試件承載能力與變形能力均有較大提升，使用CFRP 布加固后，試件承載力提升約1.18 倍。

（3）S1 試件的殘余變形在位移加載等級較大時明顯低于S2、S3 與S4 試件，不僅有利于橋梁震后的運營，對震后整體修復也有重要意義。

（4）CFRP 布加固對橋墩的承載能力與變形能力提升較大，而增加配箍率對于本文承插式橋墩的抗震性能影響并不顯著。