组合承插口连接装配式桥墩抗震性能分析

■朱祖科

（福建省公路事业发展中心，福州 350001）

现代桥梁建设对环保、快速、安全和交通影响等要求越来越高，全装配化桥梁是现代桥梁建设的发展趋势[1]。 装配式上部结构已经得到了大量应用，装配式墩是实现全装配式桥梁建设的关键，目前主要应用于海上和城市桥梁中。 其中，海上装配式混凝土墩主要采用普通混凝土或UHPC 湿接缝和预应力筋连接[2-4]，城市桥梁装配式混凝土桥墩常用连接方式中的灌浆波纹管连接、预应力连接接缝等都是平缝连接[5]，接缝处无箍筋约束，整体性较弱。 传统的承插式连接纵向钢筋不连续且对承台的削弱较大[6-7]，适用于厚承台。 UHPC 湿接头则会导致装配式墩塑性铰上移， 引起其延性降低和破坏模式改变[8]。 可见，采用常用连接方式的装配式混凝土墩适用于中低烈度区的规则桥梁[9-10]，无法满足高烈度区桥梁的受力需求。 为提高桥梁整体性能，本文尝试研究一种承插口和灌浆套筒组合连接的装配式桥墩， 并从受压性能和抗震性能等方面分析其可行性。

1 工程概况

福州市长乐区会堂南路道路工程，起点桩号为0-100，其中道路新建部分长约1427 m，现状会堂南路改造长1 m。新建路段截面形式为四幅路[11]，设计车速为40 m/h[12]。

莲柄港桥位于会堂南路，现状莲柄港河道改线至道路桩号K0+110 处，新建2～18 m 预应力钢筋混凝土空心板梁，河道水流方向与桥梁轴线夹角15°，桥梁横断面总长度42.25 m，布置如下：两边0.25 m的栏杆及0.5 m 的防撞护栏、两条4.0 m 的人行道，车行道分别宽15.25 m 和17 m，以及0.5 m 的中央分隔带。

桥墩采用桩柱式实心墩， 桥墩截面为圆形，高5.4 m，直径2.6 m。桩基直径1.5 m，桩基桩长55 m，场地土动力m 系数为7000 kN/m4，支座与垫石总高度为0.3 m，桥墩处设置GYX d250×52 mm 型支座。上部结构C50，立柱C40，承台C35，桩基础C30。 其中桥墩中的立柱采用预制拼装连接。 连接细部如图1 所示，其中预制拼装采用灌浆套筒+承插口的连接方式，承插口空隙采用超高性能混凝土（UHPC）填筑。灌浆套筒和UHPC 材料的材料性能：选用4 mm厚的灌浆套筒，钢材为Q345、并且测得它的屈服强度是359 MPa，极限强度是547 MPa；所选混凝土测得其抗压强度是131.5 MPa、弹性模量为41200 MPa、抗拉强度为7.8 MPa 的UHPC。

图1 灌浆套筒+承插口+UHPC 连接构造细部图

2 抗震设计验算

2.1 E1 地震作用分析

E1 地震作用下进行验算，应考虑以下条件：抗震等级为A 类；在验算桥墩的强度时，恒定荷载、轴力和弯矩的组合都进行考虑； 墩底是最不利截面，则应对纵向和横向地震作用下墩底的组合合力都进行分析。

2.1.1 纵向地震作用分析

墩底组合轴力为：Nz=ND+NE=(2696+190+338）+0=3224 kN； 墩底组合弯矩为：Mz=MD+ME=0+80.46×(5.4+0.3）=459 kN·m； 采用XTRACT 程序计算得墩底纵截面抗弯强度为4046.96 kN·m，大于墩底组合弯矩，强度满足要求。 其中材料强度采用设计值。式中，Nz、ND和NE分别为墩底、恒载、地震作用下的轴力；Mz、MD和ME分别为墩底、恒载、地震作用下的弯矩。

2.1.2 横向地震作用分析

墩底组合轴力为：Nz=ND+NE=3224 kN；墩底组合弯矩为：Mz=MD+ME=0+323.18×(5.4+0.3)=1842.12 kN·m；墩底横向抗弯弯矩为4199.17 kN·m，大于墩底组合弯矩，强度满足要求。 其中材料强度采用设计值。式中，Nz、ND和NE分别为墩底、恒载、地震作用下的轴力；Mz、MD和ME分别为墩底、恒载、地震作用下的弯矩。

2.2 E2 地震作用分析

为了简化计算，E2 地震作用下进行验算不考虑刚度折减，即假定此桥墩处于弹性状态，所以只需要在纵向和横向2 种地震作用下，依次计算各自的地震反应即可。

2.2.1 纵向地震作用分析

可见，桥墩的位移变形能力远远大于地震作用下桥墩的位移变形，所以即使不扣除基础变形对桥墩顶部造成的位移变形，也能满足位移变形需求。

2.2.2 横向地震作用分析

根据规范条文第7.3.7，应通过非线性静力计算桥墩的容许横向位移。 若第二次迭代后的地震力轴向力和水平力与第一次计算结果的差值小于5%，则满足精度要求。 所以横向位移为9.7 cm 时，满足要求。

3 采用ABAQUS 实体单元的装配式墩受力有限元模拟计算

3.1 有限元模型

ABAQUS 在工程方面得到了大量的应用[13]，可对结构进行静态分析、动力时程分析等[14]。 在ABAQUS软件建模过程中，钢筋的复合受力可以忽略，主要考虑拉伸作用，因此，采用线性T3D2 来模拟，选用C3D8R 来模拟普通混凝土和UHPC。 然后，根据图纸尺寸输入几何参数建立相关部件， 包括桥墩、系梁、UHPC 后浇带、纵筋、箍筋、灌浆套筒等。 实体限元模型如图2 所示。

图2 桥墩实体有限元模型

3.2 抗震验算

采用E2 地震力进行桥墩纵向加载， 得到混凝土、钢筋、套筒和UHPC 的最大应力（图3）。经计算，对于混凝土，受到的压应力最大为12.4 MPa，受到的拉应力最大为1.5 MPa； 对于钢筋应力， 最大为203.0 MPa。 对于灌浆套筒应力，最大为183.0 MPa；UHPC 后浇带最大应力为3.7 MPa， 纵向最大拉应力为0.46 MPa。可以看出纵向地震作用下桥墩钢筋和套筒的应力均小于屈服应力（400 MPa）。 立柱的钢筋和混凝土受力较大， 与现浇墩的受力特征一致，套筒也具有很好的传力性能，装配式墩具有很好的整体受力能力。

图3 纵向地震力作用下装配式墩的受力分析

同时进行E2 地震作用下装配式墩横向抗震验算。根据实桥图纸建立实体排架墩有限模型，如图4所示。

图4 排架墩实体单元模型

在E2 作用下获得的横向水平地震力基础上开展分析，结果如图5 所示。 对于混凝土，受到的压应力最大为6.86 MPa，受到的拉应力最大为1.3 MPa；对于钢筋应力，最大为221.3 MPa。对于灌浆套筒应力， 最大为110.7 MPa；UHPC 后浇带最大应力为0.44 MPa，最大拉应力为0.4 1 MPa。 可以看出在横向地震作用下，桥墩钢筋应力、灌浆套筒应力与屈服应力三者相比，屈服应力最大。 在受力方面，钢筋和混凝土受到了较大的力。 与现浇墩的受力特征一致，套筒也具有很好的传力性能，装配式墩具有很好的整体受力能力。

图5 横向地震力作用下装配式墩的受力分析

4 结论

为提升装配式混凝土的整体受力性能，本文设计了一种灌浆波纹管和承插口组合的装配式墩，根据现有规范对其抗震性能进行验算，并采用实体有限元模型对接头受力进行了分析， 主要结论如下：（1）在E1 和E2 地震作用下，墩底的弯矩小于截面屈服强度；在E2 地震作用下，墩顶位移小于容许变形，满足设计要求，所以采用灌浆波纹管和承插口组合连接的装配式桥墩设计合理。 （2）采用有限元软件ABAQUS 对圆形实体桥墩进行建模分析。新型预制拼装桥墩在E2 地震作用下与现浇墩受力特征一致，套筒传力良好，承台受力减小，混凝土应力小于标准抗压和抗拉强度，钢筋应力小于设计屈服应力，接头连接可靠，满足抗震要求。