灌漿套筒連接的節(jié)段預(yù)制橋墩抗推滯回性能參數(shù)分析

周芝林 張樂 張勇 胡俊

1.珠海香海大橋有限公司， 廣東 珠海 519000； 2.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 重慶 400074；3.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所， 北京 100081

對于節(jié)段拼裝的裝配式橋墩而言，各預(yù)制構(gòu)件連接的可靠性是影響整體性能的主要因素［1］。灌漿套筒連接是預(yù)制墩柱拼接的主要方式，通過在承臺、墩身及蓋梁中預(yù)埋鋼套筒，預(yù)制構(gòu)件吊裝就位后將構(gòu)件鋼筋與套筒對插，然后灌注高強砂漿將預(yù)制構(gòu)件連成整體。灌漿套筒性能可靠、施工便捷、施工要求較低，在國內(nèi)外預(yù)制拼裝橋墩中已有較多應(yīng)用。

接縫連接墩柱的抗震性能是限制預(yù)制拼裝橋墩進一步發(fā)展及應(yīng)用的主要因素［2-4］。賈俊峰等［5］研究了灌漿波紋管預(yù)制拼裝RC 墩柱抗震性能，結(jié)果表明基于灌漿波紋管錨固連接技術(shù)可應(yīng)用于強震區(qū)預(yù)制墩柱與承臺的拼裝連接。布占宇等［6］研究了軸壓比、預(yù)應(yīng)力度、預(yù)應(yīng)力筋配筋率對橋墩抗震性能的影響，結(jié)果表明：軸壓比為20% ～ 30%時，橋墩具有較高的水平承載力；隨著預(yù)應(yīng)力度的提高，橋墩屈服強度也提高；預(yù)應(yīng)力筋配筋率為0.2% ～ 0.5%時，橋墩具有較高的水平承載力和耗能能力。Yang 等［7］基于OpenSees 有限元分析軟件建立了整體現(xiàn)澆墩、套筒連接裝配式墩和預(yù)應(yīng)力套筒連接裝配式墩連續(xù)梁橋的數(shù)值模型，以墩頂位移、自恢復(fù)能力和滯回耗能為指標，對比分析了三種類型橋梁的抗震性能，結(jié)果表明預(yù)應(yīng)力套筒連接裝配式墩連續(xù)梁橋的整體抗震性能好，殘余位移小，具有一定的自復(fù)位能力；套筒連接裝配式墩連續(xù)梁橋與整體現(xiàn)澆墩連續(xù)梁橋的整體抗震性能相近。Ameli等［8-9］為研究套筒設(shè)置在墩臺不同位置的力學(xué)性能，進行了灌漿套筒連接預(yù)制橋墩的擬靜力試驗，結(jié)果表明灌漿套筒設(shè)置于預(yù)制墩身內(nèi)出現(xiàn)的裂縫相對較少，套筒連接預(yù)制橋墩抵抗變形的能力比現(xiàn)澆橋墩稍低。魏紅一等［10］通過改變預(yù)制墩柱套筒預(yù)埋位置來研究其抗震性能，結(jié)果表明灌漿套筒連接預(yù)制拼裝橋墩受灌漿套筒預(yù)埋位置的影響較小。葛繼平等［11］研究了軌道交通預(yù)制橋墩在預(yù)應(yīng)力筋與灌漿套筒共同作用下的抗震性能，結(jié)果表明預(yù)制橋墩的抗震性能在無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋與灌漿套筒的共同作用下有所提高，達到了規(guī)范要求。

套筒連接是否可靠對下部預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)的抗推性能有很大影響。本文以灌漿套筒內(nèi)連接鋼筋直徑、節(jié)段劃分數(shù)量、灌漿套筒長度、配筋率為變量，設(shè)計不同參數(shù)的灌漿套筒連接節(jié)段預(yù)制橋墩，建立多組實體單元有限元模型，對比分析灌漿套筒連接的不同參數(shù)對預(yù)制橋墩滯回性能及力學(xué)性能指標的影響規(guī)律。

1 有限元模型建立與驗證

根據(jù)橋墩模型的具體尺寸，建立實體單元的墩身模型，墩身與承臺固結(jié)，墩底的套筒樣固結(jié)在底部?；炷?、鋼筋的材料屬性和本構(gòu)關(guān)系按照非線性模型分段輸入，普通鋼筋采用約束形式內(nèi)置在混凝土中。

1.1 灌漿套筒模擬方法

普通鋼筋采用桁架單元的形式內(nèi)置于混凝土中，灌漿套筒模擬方法很多，可以采用鋼筋桁架單元等效、殼單元、實體單元。對比發(fā)現(xiàn)殼單元建立的套筒模型單元數(shù)量多、計算量大且容易出現(xiàn)計算不收斂的問題，實體單元建立套筒形式與實際受力情況有較大差別，所以本文采用等效鋼筋的方法模擬鋼套筒模型。通過設(shè)置與鋼套筒剛度等效的鋼筋來代替鋼套筒的受力，在等效鋼筋上設(shè)置約束條件模擬鋼套筒與縱筋的連接。此外，實際工程中混凝土與鋼筋之間會產(chǎn)生滑移現(xiàn)象，而ABAQUS 有限元軟件模擬該現(xiàn)象較難，所以在建立鋼筋應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系參數(shù)時，利用鋼筋應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系滯回模型間接模擬鋼筋產(chǎn)生的滑移［12］。通過將鋼筋構(gòu)件內(nèi)置于混凝土橋墩中，在橋墩拼裝處安置鋼套筒模型，將墩底固結(jié)于地面，完成灌漿套筒連接的節(jié)段預(yù)制橋墩有限元模型建立。

1.2 加載與求解

在墩頂中心建立參考點與墩頂面耦合，使得墩頂面位移與該點位移保持一致，在參考點施加向下的橋梁上部結(jié)構(gòu)重量和橫橋向的水平位移。劃分荷載步對模型進行水平往復(fù)加載，有限元加載方式見圖1。定義分析步后進行場變量輸出和歷程變量輸出，求解不同荷載步下的響應(yīng)。在后處理部分選擇歷程輸出的數(shù)據(jù)可以得到滯回曲線。

圖1 有限元加載方式

為驗證上述數(shù)值模擬方法的準確性，通過有限元軟件ABAQUS 對文獻［10］的灌漿套筒墩柱試驗（3 號試件）進行分析驗證。橋墩損傷云圖見圖2?？梢姸盏捉涌p處的混凝土損傷較為嚴重。文獻［10］試驗中墩底灌漿套筒連接的接縫全部貫穿，連接鋼筋部分屈服，柱腳混凝土被壓碎。試件和有限元模型在橋墩底部均出現(xiàn)開裂，并一直向上部延伸，具有相同的規(guī)律，驗證了本文數(shù)值模擬方法的準確性。

圖2 橋墩損傷云圖

在擬靜力往復(fù)加載試驗中滯回曲線可以最大程度地反映試件的抗推力性能。通過分析處理每個加載步驟下的位移-荷載數(shù)據(jù)，得到有限元模型的滯回曲線，并與試驗結(jié)果進行對比，見圖3。

圖3 滯回曲線對比

由圖3 可知，兩種滯回曲線在位移為±150、±100、±50 mm 處分別相差5、2、2 kN，位移為0時水平力幾乎相同。說明當(dāng)位移較小時，位移和荷載之間呈線性關(guān)系，處于彈性受力狀態(tài)，滯回環(huán)路徑的模擬結(jié)果與試驗結(jié)果基本重合；荷載進一步增大，材料進入非線性屈服階段，滯回環(huán)面積繼續(xù)增大；受混凝土下降段的影響，荷載不斷減小，殘余位移不斷增大。綜合來看，有限元模擬灌漿套筒連接的預(yù)制拼裝橋墩基本能實現(xiàn)對擬靜力試驗的模擬，驗證了數(shù)值模擬的準確性。

2 模型參數(shù)設(shè)計及參數(shù)分析

以某城市快速路2#標段為對象，建立不同類型灌漿套筒連接預(yù)制拼裝橋墩的有限元模型，研究不同參數(shù)對橋墩抗推性能的影響。橋墩截面尺寸如圖4 所示。橋墩鋼筋全部使用直徑為32 mm 的HRB400 鋼筋，縱筋配筋率為3.98%。箍筋和拉筋的直徑分別為16、12 mm，箍筋體積配筋率為0.5%。

圖4 橋墩構(gòu)造（單位：mm）

結(jié)合現(xiàn)場實際情況，將預(yù)制節(jié)段三等分，每段長300 cm，混凝土采用C40，普通鋼筋采用HRB400，建立標準構(gòu)件D1，見圖5（a）?？v筋直徑為32 mm，灌漿套筒直徑60 mm，長500 mm，壁厚5 mm，套筒模型用等效面積后的鋼筋代替。為防止套筒外鋼筋過早破壞，灌漿套筒的長度須大于臨界長度13d（d為鋼筋直徑）。各連接處套筒沿著橫橋向每隔50 cm 布置1 個，共布置5 個；沿著縱橋向每隔50 cm 布置1 個，共布置5個，見圖5（b）。

圖5 構(gòu)造布置（單位：mm）

2.1 參數(shù)設(shè)計

以灌漿套筒連接的節(jié)段預(yù)制橋墩（D1）為標準試件，通過改變連接鋼筋直徑、節(jié)段劃分數(shù)量、灌漿套筒長度、配筋率等參數(shù)設(shè)計不同的拼裝橋墩試件（D1Z、D1S、D1C、D1G），研究灌漿套筒連接節(jié)段預(yù)制橋墩滯回曲線、耗能能力等受各參數(shù)的影響。試件編號分為D1Z32（標準試件）、D1Z18、D1Z22、D1Z28，代表連接鋼筋直徑32、18、22、28 mm；試件編號分為D1S3（標準試件）、D1S1、D1S2、D1S4，代表節(jié)段劃分數(shù)量3 段、1段、2 段、4 段；試件編號分為D1C5（標準試件）、D1C3、D1C4、D1C6，代表灌漿套筒長度500、300、400、600 mm；試件編號分為D1G4（標準試件）、D1G5、D1G6、D1G7，代表箍筋配筋率0.4%、0.5%、0.6%、0.7%。

對各組有限元模型進行水平加載時，橋墩橫橋向頂部采取往復(fù)推覆加載的形式，貫穿全過程。通過控制位移來加載水平荷載，在往復(fù)加載過程中，位移幅值取 ±0.5、±1、±2、±4、±6、±10、±14 cm，達到 ±14 cm之后增幅取4 cm，增至30 cm 后增幅回歸到1 cm。水平加載方式見圖6。

圖6 橋墩水平加載方式

2.2 參數(shù)分析

2.2.1 鋼筋直徑

連接鋼筋是伸入灌漿套筒內(nèi)使各節(jié)段連接成為整體的豎向鋼筋。理論上預(yù)制橋墩的連接性能與連接鋼筋直徑成正比，但鋼筋數(shù)量增多會增加施工難度。將連接鋼筋直徑作為變量，試件D1Z18、D1Z22、D1Z28、D1Z32 為灌漿套筒連接的3 節(jié)段預(yù)制拼裝橋墩。在墩頂施加往復(fù)位移可以得到橋墩的骨架曲線，見圖7。

圖7 不同鋼筋直徑下橋墩骨架曲線

由圖7 可知，在加載初期，4 個試件的骨架曲線基本重合，鋼筋直徑越大，試件的初始剛度越大，橋墩抗推性能越好，在設(shè)計施工時增大套筒內(nèi)縱向鋼筋的直徑可增大橋墩的抗推性能。

不同鋼筋直徑下試件耗能能力、殘余位移分別見圖8、圖9。

圖8 不同鋼筋直徑下耗能能力

圖9 不同鋼筋直徑下殘余位移

由圖8 可知，橋墩耗能能力隨鋼筋直徑的增加而增大，即連接鋼筋直徑越大，截面配筋率越大，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷所需要的能量也越大，結(jié)構(gòu)剛度和抗推性能隨之增加，其抗推性能足夠約束接縫免遭過早破壞，節(jié)段預(yù)制橋墩的抗推性能隨著骨架鋼筋直徑的增大有明顯提升，但是在實際工程中還要考慮鋼筋最大配筋率的問題，如果配筋率過大會發(fā)生超筋破壞?？傮w來說，在滿足鋼筋最大配筋率要求的前提下，節(jié)段預(yù)制橋墩的抗推性能隨主筋直徑的增大有明顯提升。

由圖9 可知：加載位移小于100 mm 時，橋墩處于彈性受力階段，無殘余位移；隨加載位移的增大，殘余位移呈線性增大趨勢，但連接鋼筋直徑的變化與殘余位移大小基本不相關(guān)。

2.2.2 節(jié)段劃分數(shù)量

根據(jù)現(xiàn)場吊裝和運輸情況，需要對灌漿套筒連接節(jié)段預(yù)制橋墩進行節(jié)段劃分。將預(yù)制橋墩劃分4 段，每個節(jié)段長度等分，在墩頂通過施加往復(fù)位移，可以得到各橋墩的骨架曲線、殘余位移、耗能能力。

根據(jù)有限元分析結(jié)果可知，構(gòu)件骨架曲線受節(jié)段數(shù)量的影響較小。節(jié)段橋墩主要的破壞位置在墩底，這是由于各節(jié)段間接縫連接性能均較好。試件的殘余位移隨著節(jié)段數(shù)量的增加幾乎沒有變化。不同節(jié)段下耗能能力見圖10?？芍?，在橋梁節(jié)段拼裝連接情況良好的情況下，試件的耗能能力會隨著節(jié)段數(shù)量的增加而增大，但增長幅度很小。

圖10 不同節(jié)段下耗能能力

2.2.3 套筒長度

套筒在約束預(yù)制節(jié)段的連接鋼筋中發(fā)揮著十分重要的作用，理論上預(yù)制橋墩的連接性能隨著鋼套筒長度增大而增強，但鋼筋數(shù)量越多，套筒造價越高。

將灌漿套筒長度作為變量，得到各橋墩的骨架曲線、殘余位移、耗能能力。通過有限元計算結(jié)果可知，不同套筒長度下構(gòu)件的骨架曲線總體相近，套筒的長度對抗推性能幾乎沒有影響。對比分析不同套筒長度下橋墩殘余位移可知，在相同荷載作用下的殘余位移基本相同。不同套筒長度下耗能能力見圖11?？芍?，增大套筒長度能略微提高試件的耗能能力，但影響程度有限，在工程實際應(yīng)用中能滿足套筒長度的最小設(shè)置長度即可。結(jié)合殘余位移可知，套筒長度的增加對殘余位移無影響，對耗能能力略有提升。

圖11 不同套筒長度下耗能能力

2.2.4 箍筋配筋率

箍筋是用來滿足斜截面抗剪強度，并聯(lián)結(jié)受力主筋和受壓區(qū)混筋骨架的鋼筋。理論上箍筋配筋率越高，結(jié)構(gòu)的抗剪性能越好，相應(yīng)的抗推性能也會有所增加，但箍筋較多會使結(jié)構(gòu)發(fā)生脆性破壞。

將箍筋配筋率作為變量，在墩頂通過施加往復(fù)位移可以得到各橋墩的骨架曲線、殘余位移、耗能能力。根據(jù)有限元分析結(jié)果可知，4 個橋墩的骨架曲線的形狀基本一致，說明試件的抗推受力方式不受箍筋配筋率的影響。殘余位移隨著荷載的增大而增大，但不同配筋率下試件殘余位移基本沒有變化。耗能能力見圖12。可知：隨著位移的增大，耗能隨之增大，4 個試件的耗能能力在加載初期基本相同；加載后期，試件的配筋率對耗能能力的影響更加明顯，這是由于加載前期位移很小，結(jié)構(gòu)處于線彈性階段，其耗能較低，當(dāng)加載位移較大時，耗能能力隨配筋率的增大而增大；當(dāng)配筋率達到0.5%以后，增大效果已不再明顯。結(jié)合殘余位移可知，橋墩的綜合抗推性能隨配筋率的增加而有所提高，但對殘余位移幾乎無影響。

圖12 不同配筋率下耗能能力

3 結(jié)論

1）各參數(shù)下橋墩的殘余位移在水平往復(fù)荷載作用下大致相近，說明橋墩的殘余位移受灌漿套筒長度、套筒節(jié)段、鋼筋直徑、橋墩配筋率的影響較小。

2）套筒內(nèi)連接鋼筋直徑對橋墩的綜合抗推性能有較大影響，直徑過小會導(dǎo)致橋墩過早破壞，引起構(gòu)件失效。在滿足鋼筋最大配筋率要求的前提下，應(yīng)盡可能增大套筒內(nèi)縱筋直徑。

3）節(jié)段劃分數(shù)量的改變對橋墩的殘余位移、骨架曲線幾乎沒有影響，橋墩的耗能能力隨著節(jié)段數(shù)量的增大而增大，但增幅較小。實際工程中可根據(jù)吊裝及運輸能力對節(jié)段進行劃分。

4）套筒長度對構(gòu)件骨架曲線性能的影響較小，工程實際中能滿足套筒長度的最小設(shè)置長度即可。

5）橋墩綜合抗推性能隨配筋率的增加而有所提高，提高配筋率，更有利于抗震。