新型装配式桥墩墩底连接性能分析

申彦利，范栋鑫

(1.河北工程大学土木工程学院，邯郸 056038；2.河北省装配式结构工程技术研究中心，邯郸 056000)

随着中国经济和社会的发展，装配式桥墩在交通运输中起着越来越重要的作用，近年来，桥墩的预制施工方式[1]因其方便操作、施工简便、保护环境而广泛应用[2]。装配式桥梁中构件的连接尤其是墩底与承台之间，因为其直接影响结构的稳定性而成为了当前研究的热点。

如今灌浆套筒技术大行其道，作为一种新型的连接钢筋方式，在20世纪60年代首次被提出，章一萍等[3]研究了采用灌浆套筒连接的钢筋混凝土柱在各种水平接缝连接形式下的力学性能，表明套筒连接是一种比较可靠的钢筋连接方式；YEE[4]等较好解决了装配式桥墩中墩柱纵筋与承台纵筋的连接问题，并且提出了这种结构能够实现与现浇等同的思想；张臻[5]通过对灌浆套筒连接拼装柱进行试验研究，得出了轴压比、灌浆料强度对这种拼装柱抗震性能的影响规律；黄国斌等[6-7]通过将这种灌浆套筒连接桥墩与传统现浇桥墩的施工方法对比，研究表明：这种灌浆套筒连接桥墩施工快速，能够有效降低对原有环境的干扰。灌浆套筒接头的位置也是当前研究的主要方向，魏红一等[8]对灌浆套筒在不同位置进行了研究，结果得出：预埋套筒位置不同，构件的破坏形式也有所不同，但总体抗震性能相近。虽然近年来灌浆套筒技术已经在桥墩连接方面得到了很好的发展，但研究成果主要为在预应力钢筋的自复位作用下灌浆套筒连接的装配式桥墩的力学性能，并没有研究结构在不同连接组件下对桥墩墩底连接性能的影响，本研究将对桥墩墩底连接方式对结构性能的影响加以分析。

为了更好地研究装配式桥墩墩-底的连接性能，在已有成果基础上提出三种新型的墩底连接方式，即在灌浆套筒连接桥墩的基础上，在墩底与承台间加两块相互叠合的钢板，并采用低周往复荷载的方法，对桥墩抗震性能进行评价。

1 墩底连接节点构造

图1 三种槽口模型图Fig.1 Three groove model diagrams

研究设计了三种不同桥墩墩底连接方式的灌浆套筒连接桥墩模型；为了增强结构的延性及墩底抗剪能力，添加了形式为直槽、斜槽(倾斜角100°)、圆弧槽的叠合钢板，分用Q-1、Q-2、Q-3表示，具体形式由图1所示。因为城市桥梁大多数位于较为繁华的地段，因此，采用这种灌浆套筒连接桥墩与承台，并且在墩底加组合钢板方法的最大优点在于：灌浆套筒、预应力与咬合钢板间的组合作用，预应力筋为结构提供自复位能力，灌浆套筒对传统的塑性铰区有约束增强的作用，尤其是钢板的组合作用，可以较好地提高结构的延性和抗剪性。以期在地震作用下结构的残余位移更小，减轻地震灾害的目的[9]。

2 桥墩数值试验研究方案

本研究所设计的桥墩模型以葛继平所研究的某在建地铁高架桥立柱[9-10]以及《桥梁相关抗震设计细则》为研究对象。该模型采用灌浆套筒将墩柱与承台连接，将所依据的参考桥墩模型用Q-4表示，上述三种新型桥墩结构尺寸与该模型尺寸一致。利用有限元软件对桥墩模型进行了数值模拟分析，并且验证了模型的合理性。参考桥墩结构主要设计如图2所示，主要参数设计如表1、表2所示。

图2 参考模型Fig.2 Reference model diagram

2.1 桥墩模型建立

2.1.1 模型材料性能确定

为了与参考模型进行对比，根据相似性原理，保证所用的混凝土材料属性与参考模型一致，立柱、承台采用的混凝土都为C40混凝土；灌浆套筒的材料为钢套筒，其弹模为370 MPa，筒内采用的混凝土等级为C80，采用高等级混凝土是因为可以达到稳定连接钢筋的目的；采用HRB400的钢筋,这种钢筋的弹模为200 GPa。各部件泊松比均为0.3。通过降温法施加合力为总计877 kN的初始预应力，通过计算可以得到需要降温190.3 ℃，从能够达到初始应力为447 MPa的要求。

表1 试件主要设计参数Table 1 Main design parameters of specimens

表2 预应力筋主要设计参数Table 2 Main design parameters of prestressing tendons

2.1.2 模型单元确定

研究设计的模型为装配式结构。对于混凝土部件选用C3D8R六面体实体单元建模，对于箍筋和纵筋选用线单元分别单独建模，然后将其合成钢筋网整体划分网格，选用T3D2桁架单元，并嵌入到混凝土立柱当中；对套筒筒壁进行切割，从而达到网格均匀划分的目的。

2.1.3 相互作用及边界条件

对于参考桥墩，承台和立柱间选用相互作用连接，在实际施工中常用涂抹坐浆料的方法将其整体连接。对于装配式桥墩结构，承台与桥墩底部采用面面接触。并且设定法线方向和切线方向的接触特性，切向方向用摩擦接触表示，摩擦系数为0.5，法向方向用硬接触表示。根据刚度较大原理选择主表面为钢板、从表面为混凝土。

2.1.4 加载制度

对参考模型与三种墩底连接方式的桥墩进行有限元进行数值分析时，采用低周循环往复荷载，根据参考桥墩中数据，计算得到在柱顶需要施加1 080 kN的合力。水平方向采用位移控制，根据上述制定了适合桥墩受力的方案。

工况一：施加桥梁的上部结构对下部产生的荷载以及自重，为了更好地与原文契合，计算出所需要施加的荷载为1 080 kN。

工况二：在工况一施加上部结构产生的荷载和自重的基础上，在立柱顶部施加水平往复的位移，加载历程和加载示意图如图3所示。

图3 加载历程和加载示意图Fig.3 Loading history and loading schematic

2.1.5 数值模拟的正确性验证

对已经建立的参考模型进行低周往复加载分析，可以得到结构在上述工况作用下的对比结果，如表3、表4所示。可以看出，通过有限元模拟得到的数据与参考桥墩数据大致相同，从表3中数据得出，通过计算得出的屈服荷载为430 kN，与参考试验中得到的结果393 kN基本相同，采用模拟得出的屈服位移为42.3 mm与试验数据43.2 mm基本吻合，两种结果的误差率分别为18.8%、2.12%，都在一定误差范围内。从表4中数据得出，参考模型的最大荷载为475 kN与试验结果大致相同，参考模型的最大位移为178 mm与试验结果207 mm大致吻合，表明试验结果与模拟结果大致相同，从而很好地验证了模型的合理性。

表3 屈服荷载与屈服位移对比Table 3 Comparison of yield load and yield displacement

表4 极限荷载与极限位移对比Table 4 Comparison of ultimate load and ultimate displacement

3 不同连接方式下试验结果分析

3.1 力-位移滞回曲线

图4 直槽桥墩模型Fig.4 Straight channel pier model

上述加载方法下，可以得到三种模型的滞回曲线，如图4所示，三种桥墩模型的滞回曲线以梭形的形状呈现，说明结构有较好的耗能能力。从图4中看出圆弧槽连接桥墩和斜槽连接桥墩的滞回环形状比较相似。另外三种结构均具有明显的捏缩现象，饱和程度相较于参考桥墩大大提高，主要因为三种叠合钢板可以提高结构的抗震性能和耗能能力，与斜槽桥墩模型和圆弧槽桥墩模型相比，直槽桥墩的耗能能力最好，造成此差异的主要原因为直槽连接桥墩墩柱和承台的牢固程度要高于另外两种结构，因此其耗能能力最好。

3.2 力-位移骨架曲线

通过三种结构的滞回曲线可以得到模型的骨架曲线，如图5所示。可知模型的骨架曲线形状接近，主要表现为首先为线性上升，大致呈直线状态，接着进入塑性阶段，最后突然下降三个过程。采用能量法可以确定结构的屈服荷载与屈服点的位置，曲线中的峰值点为结构的极限荷载，下降段极限荷载的85%对应点为结构的极限位移。计算结果如表5、表6所示。

图5 骨架曲线对比Fig.5 Skeleton curve comparison

表5 四种桥墩模型强度特征数值Table 5 Strength characteristic values of four pier models

通过计算得到了三种结构的强度和变形特征值，通过比较表5、表6中的数据发现，三种模型强度和变形值在正向和负向的数值较为接近，各项参数最大误差仅为8.89%，说明三种结构在正负向没有明显的滑移现象。以斜槽叠合连接桥墩正向为例，其屈服荷载和极限荷载相较于直槽连接桥墩对应参数分别降低了17.4%、19.6%。其原因是直槽的墩底固定程度要比斜槽连接桥墩要强，所以有更高的承载能力。比较表5、表6中数据发现，采用圆弧槽桥墩和采用斜槽桥墩的各项参数比较接近，说明如果通过精心的设计，这两种结构能够具有相近的力学性能。比较三种结构的延性系数发现，这三种结构延性系数随着墩底咬合程度的降低而降低，因为墩底连接越不稳固，在低周往复荷载作用下的左右晃动也就越大，与直槽模型相比，斜槽模型和圆弧槽模型延性系数分别增加了34.2%、28.6%，三种结构延性系数大致在3.04～4.85，基本能够满足结构抗震的要求。

表6 四种桥墩模型变形特征数值Table 6 Deformation characteristic values of four pier models

3.3 刚度退化分析

刚度退化是在循环往复荷载作用下，峰值点位移在保持相同峰值荷载时随循环次数的增多而上升的现象，取同一级变形下的割线刚度表示刚度退化，由文献[11]割线刚度定义为

(1)

图6 刚度退化曲线Fig.6 Stiffness degradation curve

3.4 强度退化分析

在往复荷载作用下，由于桥墩墩底混凝土容易受损，因此强度退化也是当前学者研究的主要方向，强度退化是在保持最大位移不变时，与之对应的节点荷载随着循环次数的增多而减小的现象。文中桥墩墩底连接处强度也在不断退化，如何将强度退化控制到一定范围内，成为研究的目的，如果强度退化较大，对结构的抗震性能来讲极为不利，根据文献[11]可得结构承载力降低系数，其计算式为

(2)

图7 强度退化曲线Fig.7 Strength degradation curve

3.5 耗能能力分析

为了使得结构在震后可以正常使用，自复位结构的耗能能力也成为研究的重点，自复位结构是在地震作用下，通过降低自身的强度和刚度来阻止地震作用带来的破坏。为了更直观地分析三种结构的耗能能力，对滞回曲线中每个滞回环的面积进行求和，由图8可得结构的累计耗能数值曲线。由图8中可以较为直观地看到三种结构的累计耗能，不同的连接组件对结构的耗能有着不同的影响，不同的连接方式的耗能情况也各不相同，其中直槽桥墩模型累计耗能数值为344.91 kN·m，斜槽桥墩模型累积耗能数值185.69 kN·m，圆弧槽桥墩模型累积耗能数值199.81 kN·m参考桥墩模型累积耗能数值为59.96 kN·m，由数据可知三种模型的耗能性能远大于参考模型。并由图8得出斜槽模型、圆弧槽模型累积耗能接近。直槽模型比斜槽模型、圆弧槽模型的耗能累积分别提高185%、172%，这是因为墩底连接方式影响结构的耗能能力，墩底连接越牢固，结构耗能能力越强，所以可以适当提高墩底连接的牢固程度，能够有利于耗能能力的提高。

图8 累积耗能曲线Fig.8 Cumulative energy dissipation curve

3.6 等效黏滞阻尼系数

等效黏滞阻尼系数可以很好地衡量结构的耗能能力，因此选用等效黏滞阻尼系数h作为衡量标准。等效耗能系数越大，说明该连接方式耗能能力越强。这种等效黏滞阻尼系数计算方法的示意图由图9所示，其计算表达式为

(3)

图9 节点滞回曲线包络图Fig.9 Node hysteretic curve envelope

图10 等效黏滞阻尼系数Fig.10 Equivalent viscous damping coefficient

由图10可得不同墩底连接方式桥墩的等效黏滞阻尼系数变化图。图中可知Q-1直槽模型的黏滞阻尼系数要略高于Q-2斜槽模型、Q-3圆弧槽模型，随着加载的进行，等效黏滞阻尼系数呈缓慢上升趋势，说明结构的耗能随着位移的加大而增加。三种构件耗能基本相同，图像较为接近。初始阻尼比大致为0.058，最大阻尼比为0.23。造成等效黏滞阻尼系数不断上升的原因是随着荷载的不断加大，连接处混凝土开裂，耗能钢筋和叠合钢板的耗能在不断加大所致。

3.7 残余位移

图11 残余位移曲线Fig.11 Residual displacement curve

该新型墩底连接桥墩模型的残余位移曲线如图11所示，三种试件在位移控制下，都具有较好的自复位能力，三种结构在加载位移为60 mm时，结构残余位移出现了较大的偏差，最大残余位移达到了36 mm，但在量级上与加载位移较为接近，变化趋势大致相同。相较于直槽模型，斜槽模型和圆弧槽模型的最大残余位移分别增加了12.2%、30.1%，说明直槽模型的自复位能力更好。总体表明：有灌浆套筒连接的桥墩模型在无粘结预应力筋和耗能钢板的作用下具有较好的自复位能力，三种结构具有相似的自复位能力。采用圆弧槽桥墩模型和斜槽桥墩模型自复位能力略逊于直槽桥墩模型，这是因为采用直槽连接的桥墩模型墩底连接稳固程度要大于斜槽模型和圆弧槽模型，因此直槽模型的残余位移更小。

4 结论

基于已有的灌浆套筒连接承台与墩柱的基础上，提出了三种新型墩底连接方式，通过建模并分析比较三种模型的各项力学参数，可以得到如下结论。

(1)这种新型连接构件在无粘结预应力、灌浆套筒和叠合钢板的作用下，可以提高桥墩抵抗地震的能力，由于结构的残余位移较小因此展现出的自复位能力较好。

(2)三种桥墩模型相较与参考桥墩的滞回曲线较为捏拢，并且更加饱满，因此结构耗能能力更强，基本可以达到预期设计的要求。结构出现了一定的残余位移，原因是在建模过程中没有考虑钢筋在混凝土中滑移的影响所致。

(3)三种新型桥墩在荷载位移加载初期，其耗能能力、等效黏滞阻尼比、残余位移数值基本一致，表明在荷载位移较小时，墩底不同连接方式对结构性能没有影响，加大荷载位移的情况下，相较于直槽桥墩模型，通过计算结构的屈服位移、屈服荷载、极限位移、极限荷载，得出直槽模型有更好的耗能能力、承载能力与自复位能力，因此直槽桥墩模型的承载能力和抗震性能最佳。