外置可更换软钢装配式桥墩力学性能研究*

赵海舰 蒋圣宝 郭冬梅

1.山东省公路桥梁建设集团有限公司 济南250014 2.山东建筑大学交通工程学院 济南250101

引言

地震后造成的桥梁损伤破坏将导致交通中断，直接影响救援和恢复重建工作［1-3］。装配式桥墩因其施工快速、质量可靠等优势被广泛应用于工程，但预制拼装桥墩抗震性能普遍存在不足。因此，具有可快速修复性的装配式结构成为了当前工程抗震领域的研究热点［4-8］。

Mostafa Tazarv等［9，10］分别对UHPC 灌浆套筒及灌浆套筒连接桥墩进行了拉拔试验和拟静力试验。结果显示，UHPC 与钢筋之间的粘结力是普通混凝土材料的8 倍，采用UHPC 灌浆套筒连接的装配式试件的地震性能良好；王景全等［11］介绍了合理应用高性能材料，可有效改善预制桥墩系统的抗震性能：UHPC 高强高延性，适用于制造预制桥墩塑性铰区；UHPC 与钢筋间的高粘结强度，适用于灌浆料；Aaleti等［12］通过弯曲试验对UHPC与普通混凝土结构之间粘结性能进行研究，结果表明弯曲过程中在组合梁发生界面破坏前UHPC和普通混凝土结构没有发生相对滑移；Saleem等［13］测试UHPC 对钢筋的粘结性，结果表明通过合理的设计，使用UHPC 可以在较短的钢筋搭接长度保证预制节段的连接。内置耗能部件可以有效增强抗震性能，但是仍然具有不易更换、不易修复的缺点。对此，一些学者对可更换的外置耗能装置展开了研究。Han 等［14］对三个双柱摇摆桥墩进行拟静力试验，研究表明外部设置可更换的屈曲限制板消散器可以表现出良好的能量耗散能力和更小的墩底损伤，并且易更换；孙治国等［15］提出含角钢和耗能钢筋的摇摆-自复位双柱墩，对比普通双柱桥墩研究发现其抗震能力良好，有较小的残余位移和较好的震后恢复能力；贾俊峰等［16］研究了具有外置可更换耗能器的自复位预制拼装桥墩结构的抗震性能，结果表明：该种结构残余位移较小，具有良好的自复位能力，并且更换耗能部件后，墩柱的水平承载能力和耗能能力与更换前基本一致。

本文针对装配式桥墩抗震性能不足、震后修复困难等问题，提出一种施工速度快、便于修复的外置可更换耗能软钢的榫头承插式桥墩，通过数值模拟对该桥墩进行拟静力试验，对比水平地震作用下的现浇桥墩和外置耗能软钢的榫头承插式桥墩的力学性能。

1 外置可更换耗能软钢的榫头承插式桥墩构造

图1 为外置可更换耗能软钢的榫头承插式桥墩构造，由图可知：耗能软钢一端连接在墩身上，一端连接在承台上，两端都通过高强螺栓与墩身和承台相连，易于拆卸更换。外置可更换耗能软钢由Q235 钢板制成，其结构是由尺寸为420mm × 270mm × 20mm 的角钢和400mm ×250mm×20mm的三角形钢板焊接组成。在桥墩受到纵向地震影响时，耗能软钢是第一道抗震防线，可以有效地消耗地震能量，保护墩身。对于震后损坏的耗能软钢，可以快速替换。

图1 桥墩构造尺寸（单位：mm）Fig.1 Dimensional of pier structure（unit：mm）

2 桥墩参数

2.1 模型参数

本文根据文献［17］建立整体现浇桥墩模型，并建立尺寸相同、采用不同接缝连接方式的装配式桥墩——外置可更换耗能软钢的预制拼装榫头承插式桥墩，具体构件尺寸如图1 所示。两桥墩均采用直径为25mm 的HRB400 钢筋，钢筋布置及尺寸如图2 所示。接缝处采用超高性能混凝土作为灌浆材料，以保证相邻构件连接。

图2 桥墩钢筋尺寸（单位：mm）Fig.2 Dimensional drawing of pier reinforcement（unit：mm）

2.2 材料本构与单元类型

本文普通混凝土及UHPC 均采用塑性损伤模型模拟，依据《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）［18］中相关规定确定应力-应变关系，并引入损伤因子d；钢材的应力-应变曲线采用双折线模型，钢筋屈服强度为445.12MPa，极限强度为616.05MPa，弹性模型为205.46GPa，屈服后模量取为0.001E；UHPC本构关系分别选用杨剑等［19］提出的UHPC 单轴受压本构模型和张哲等［20］提出的单轴受拉本构模型。

模型中混凝土构件、灌浆料及软钢采用C3D8R模拟；钢筋均采用T3D2 建模。

2.3 接触定义和网格划分

现浇桥墩整体性好，结构形式简单，故将墩身和承台直接采用绑定约束（Tie）；榫头承插式桥墩是采用UHPC-搭接钢筋将墩身和承台连为整体，因此应当考虑UHPC灌浆料与普通混凝土构件的接触问题，其接触部分切向采用“罚”函数摩擦模型，摩擦系数取0.5［21］，法向采用“硬”接触约束模型；可更换耗能软钢与承台及墩柱由高强螺栓连接，连接效果良好，相对滑移可忽略，故选用绑定约束（Tie）接触。

网格划分对数值模拟计算精度和速度有较大影响，同时对收敛性也具有一定影响。因此采用结构化网格划分（Structured），保证了网格质量。

2.4 边界条件和荷载工况

在对墩顶进行水平和竖向加载前，对承台底部进行固结约束，对墩顶耦合于一点，基于该点施加竖向及水平荷载。

对比竖向承载力时，向下逐级加载至50mm，每级增加10mm；对比水平承载力时，水平向逐级加载至200mm，每级增加20mm；对比滞回性能时，往复逐级加载至100mm，每级增加10mm。

3 竖向承载力比较

现浇桥墩及外置可更换耗能软钢的预制拼装榫头承插式桥墩受压过程的荷载-变形曲线如图3所示，可以看出：现浇桥墩的极限承载力为28389.64kN，外置可更换耗能软钢的榫头承插式桥墩的极限承载力为31194.54kN，相对提升9.88%。根据图4 对比墩身竖向受压损伤及弯曲部位发现：现浇桥墩墩身底部弯曲变形严重，墩底受压损伤范围较大，榫头承插式桥墩在受压后墩身中下部出现较大面积受压损伤，弯曲变形主要出现于外置耗能软钢的上部。由于榫头承插式桥墩底部有耗能软钢的约束，限制了墩底混凝土的水平向变形，提升了装配式桥墩的竖向承载力。

图3 竖向承载力比较Fig.3 Comparison of vertical bearing capacity

图4 受压破坏对比Fig.4 Comparison of crushed failure

4 水平向承载力比较

本文采用通用弯矩法确定屈服点［22］，以构件的承载力下降到最大承载力的85%作为构件达到极限点的依据。如图5 所示，对比轴压比为0.3 时两组桥墩的水平荷载-位移曲线。

图5 水平承载力比较Fig.5 Comparison of horizontal bearing capacity

由图5 看出，现浇桥墩荷载-位移曲线的屈服点为（18.72mm，502.22kN），峰值荷载点为（38.35mm，598.40kN），极限点为（83.64mm，508.54kN）。随着荷载增大到屈服荷载，现浇桥墩墩身底部出现塑性铰，塑性变形逐渐增大；荷载增至极限荷载时，荷载开始降低位移持续增加，受压破坏区域变大，塑性铰上移；荷载增大到极限荷载时，构件破坏，失去承载能力。外置可更换耗能软钢的预制拼装榫头承插式桥墩荷载-位移曲线的屈服点为（17.35mm，476.56kN），峰值荷载点为（45.43mm，588.48kN），极限点为（110.73mm，498.95kN）。由于榫头承插式桥墩外置耗能软钢具有更好的刚度和刚度保持能力，外置可更换耗能软钢的榫头承插式桥墩在达到峰值荷载后的承载力下降比现浇桥墩更加平缓。桥墩墩身的塑性损伤如图6 所示，可以看出：整体式和装配式桥墩塑性损伤累积部位存在差异，表明二者塑性铰产生位置不同，整体式桥墩塑性变形主要集中于墩底，装配式桥墩塑性铰出现在耗能软钢上侧。

图6 墩身塑性损伤Fig.6 Plastic damage to pier body

5 抗震性能比较

5.1 滞回曲线和骨架曲线

在墩顶以0.3 倍轴压比竖向力模拟上部结构恒载，根据两组桥墩拟静力往复加载过程中墩顶的荷载-位移曲线得到图7 滞回曲线，提取每个加载等级的峰值点得到图8 骨架曲线。

图7 滞回曲线对比Fig.7 Comparison of hysteresis curves

图8 骨架曲线对比Fig.8 Comparison of skeleton curves

由图7 可看出：两种类型桥墩模型的滞回曲线均为梭形，且基本重合，表明两种类型桥墩都具有良好的耗能能力和滞回性能。

根据表1 和图8 所示可看出：两种类型桥墩模型的骨架曲线形状及趋势一致，外置可更换耗能软钢的预制拼装榫头承插式桥墩在往复水平作用力下的承载力基本等同现浇桥墩。墩柱的抗侧承载力在达到峰值点后，承载力退化的较慢，说明两种桥墩都具有较好的延性，延性在抗震设计中是一项重要指标，通常用延性系数表示，其定义为极限位移与屈服位移之比［23］。

表1 骨架曲线特征点Tab.1 Mechanical characteristic points of skeleton curve

5.2 水平等效刚度

墩身混凝土发生开裂后，桥墩水平刚度开始出现下降，随着荷载等级的增大，墩柱损伤逐渐加重，纵筋屈服、裂缝增大、混凝土剥落等现象提高了刚度下降速度，直至构件破坏完全丧失刚度。两种类型桥墩的水平等效刚度退化曲线对比如图9 所示，由图9 可知：在破坏过程中有明显的屈服阶段，最终达到破坏阶段，水平等效刚度随荷载等级增大而下降，在达到峰值荷载之前刚度下降速度较快，而在峰值荷载之后刚度下降幅度较为平缓。

图9 桥墩水平等效刚度对比Fig.9 Comparison of horizontal equivalent stiffness of piers

5.3 耗能性能

耗能能力由能量耗散系数表示，值越大表明能量耗散能力越强。图10 为每级水平荷载下的两种桥墩的耗散系数对比，由图可知：在加载至40mm之前，外置耗能软钢榫头式桥墩的耗能能力优于现浇桥墩，是由于外置耗能软钢在加载初期参与耗能比重较大，在40mm之后，现浇桥墩的能量耗散能力逐渐大于外置装配式式桥墩能量耗散能力，其原因可能是在墩身和软钢出现较大水平向变形后，二者协同耗能能力下降。

图10 能量耗散系数对比Fig.10 Comparison of energy dissipation coefficients

5.4 残余位移

残余位移是衡量墩柱自复位能力和可修复性的重要指标。图11 为两种桥墩在经过往复荷载作用后的残余位移对比，由图可知：在墩顶水平位移达到40mm 前，两种桥墩残余变形较相似，当墩顶水平位移超过40mm后，在相同的滞回位移下现浇桥墩残余位移比外置可更换耗能软钢榫头承插式桥墩略大。

图11 残余位移对比Fig.11 Comparison of residual displacement

6 结论

1.外置耗能软钢的榫头承插式桥墩在竖向荷载作用下的破坏形态与整体现浇桥墩相似；在相同的竖向和水平荷载-位移作用下，由于外置耗能软钢增强了墩底混凝土水平向约束，榫头承插式桥墩表现出良好的竖向及水平承载力。

2.两种桥墩在水平荷载作用下破坏形态有所不同，现浇桥墩从墩底出现塑性铰，并逐渐扩大墩身受压破坏范围；而外置耗能软钢的预制拼装榫头承插式桥墩从耗能软钢上部开始出现塑性损伤，并向上开始扩大损伤范围，在耗能软钢屈曲后破坏区域向下部发展。

3.外置耗能软钢的预制拼装榫头承插式桥墩具有基本等同于现浇桥墩的抗震性能。

4.榫头承插式桥墩采用外置耗能软钢对相邻构件接缝连接提供可靠保护，该技术可为其他预制拼装连接技术性能优化提供参考。