预应力混凝土桥墩抗震性能研究综述

预应力混凝土桥墩抗震性能研究综述

1预应力技术的应用随着我国高速公路网的规划建设和城市化进程的加快，规划建设了许多连接海洋的桥梁、城市高架道路、桥梁和轻轨交通。例如，北京、上海和其他城市的各种环形交叉口项目、东海大桥和杭州湾大桥已完成。在这些桥梁中,由于整体现浇式桥梁已有成熟的设计理论和施工技术,所以桥梁设计者们往往以整体现浇桥梁为主要设计对象。这使得在现代桥梁建筑中,整体现浇桥梁占据了很大比例。但是,为了减小对环境的依赖和影响,在工程实践中,采用预制预应力技术具有很大的优势。在跨海桥梁工程中采用预制预应力技术可以很好地避开有限施工平台和恶劣气候的影响。对于城市桥梁,采用预制预应力技术可以减低对道路交通的影响,减小噪声污染,避免“扬尘”,实现文明施工。此外,预制构件在工厂控制条件下生产,可以满足各种形状尺寸,并确保尺寸精确、质量优良,同时还可节约建筑材料,减轻自重,相应地也减小了地震力,有利于结构及基础的设计。鉴于以上的优点,预应力技术正越来越引起业主和设计人员的重视,这也促进了此项技术的发展。但目前PRC桥墩在国内的应用还很少,对于此类桥墩的抗震性能研究更少。因此,本文拟对国外的研究进行总结,并指出其中的不足和进一步值得研究的问题。2节段拼装桥墩的预制再PRC桥墩的抗震性能由于不同的施工形式和构造形式而不同。从施工角度而言,PRC桥墩可以分为整体现浇桥墩和预制安装桥墩。其中,预制安装桥墩的结构形式又分成两种,即分别以立柱、盖梁作为独立构件进行预制通过拼装组成的桥墩(以下简称整体拼装桥墩)和将立柱在立面上分成若干节段进行预制通过拼装与盖梁或墩帽组成的桥墩(以下简称节段拼装桥墩),如图1所示。在整体拼装桥墩中,立柱与承台的主要连接方式有现浇混凝土、承插式和钢板连接,立柱与盖梁的连接方式多数采用现浇混凝土,立柱中可根据受力情况确定是否布置预应力钢索。在节段拼装桥墩中,立柱节段间的接缝形式有干接缝、胶接缝和湿接缝,立柱与承台、盖梁(或墩帽)主要通过预应力筋连成整体。2.1日本残余位移的主要问题在日本阪神地震(1995)后,导致在损坏不严重的RC桥墩中约1/5需要重建的原因是其震后的残余塑性变形过大而造成修复工作难以开展。鉴于此,日本在震后修订的道路桥梁抗震设计规范规定对残余位移做出了严格的规定。因此,针对高延性和低残余位移的矛盾,日本学者作了大量的试验和理论研究。下面介绍近年来两个典型的试验和基于这些试验的理论研究。2.1.1单柱墩的拟静力试验和配筋率比例对桥墩滞回特性的影响Zatar等在日本预应力混凝土工程协会的资助下,针对单纯预应力混凝土桥墩耗能能力低、延性性能差和单纯普通钢筋混凝土桥墩残余塑性变形大的缺点,提出在桥墩中将普通钢筋和预应力筋混合使用,用竖向预应力筋来减小桥墩残余塑性变形,用普通钢筋来增加延性能力、增强耗能能力和控制墩身裂缝的构想;进行了22根单柱墩的拟动力试验和6根单柱墩的拟静力试验;探讨了墩身截面形状、外荷载轴压比、预应力筋张拉程度、预应力筋的布置长度和位置以及普通钢筋和预应力筋的配筋率比例对桥墩滞回特性、延性能力和残余变形大小的影响。整体而言,从RC试件和PRC试件的拟静力试验结果(图2)来看,对同样的峰值位移,RC试件的滞回环覆盖的面积比PRC试件的大,这意味着RC试件的耗能能力较PRC的强。同时,PRC试件的每个滞回环与位移轴的交点离原点的距离比RC的小,这表明PRC试件的残余变形比RC的小。基于试验,通过分析归纳不同预应力筋和普通钢筋配筋率比率的滞回特性,Zatar等对Takeda的三线性模型进行修改,补充了2个卸载刚度。时程分析的结果表明所提出的恢复力模型与试验结果吻合很好,具有很高的可信度。2.1.2无黏结和“孔隙”的作用Iemura等针对RC桥墩残余变形大的特点,提出了一种无黏结高强钢筋新型桥墩体系。该体系包括普通钢筋混凝土结构和无黏结高强钢筋,并在高强钢筋下锚端锚头与平板之间设置一“空隙”。无黏结和“空隙”的共同作用,保证高强钢筋在小变形下不屈服而提供了大变形下稳定的屈服后刚度。并且,可以方便地通过调整“空隙”宽度和无黏结高强钢筋的参数(面积、长度和位置)来改变屈服后刚度的大小。从拟静力试验和拟动力试验的结果看,无黏结高强钢筋提供了很稳定的屈服后刚度,使得桥墩具有稳定的弹性恢复力和很小的残余位移。“小震不坏,中震可修,大震不倒”的设计思想在这种桥梁体系中得到了很好的体现,普通钢筋混凝土部分可以满足桥墩在多遇地震下对结构性能的要求,而普通钢筋混凝土和无黏结高强钢筋的组合则可以满足在罕见地震下对结构性能的要求。2.2美国节段拼装prc桥墩的研究由于交通量的持续增长以及大量桥梁达到其使用寿命,促使美国需要进行桥梁的修复和新建,而同时由于对快速施工的要求,迫使美国的研究者将目光聚焦到节段拼装PRC桥墩领域。下面从整体拼装和节段拼装两方面进行概括。2.2.1两种结构的对比DavidG.Hieher等在总结此种结构形式在华盛顿地区(地震活动区)的使用情况时,采用了非线性有限元方法,从动、静力学方面对整体拼装双柱普通钢筋混凝土桥墩和普通钢筋预应力钢筋混合混凝土桥墩进行了长细比、配筋率和轴压比等参数的分析,并对两种形式在对应参数下的地震响应作了比较。其中,静力学方面,通过pushover分析得到了力-位移曲线、开裂性能、屈服性能和名义屈服位移;在动力学方面,得到两种结构在超越概率为10%和2%的5组地面运动下的最大位移和残余变形。此外,还对在两种概率水平下两种结构形式的混凝土剥落和钢筋屈曲的可能性进行了评价。pushover分析结果表明,两种形式的侧移比差距为30%,而水平抗力差距为10%。从时程分析的结果来看,最大位移反应随轴压比的增大而增大,随着配筋率的增加而减小;残余变形随着预应力筋的增加而减小。此外,10%概率下的混凝土剥落和钢筋屈服的可能性均小,2%概率下的混凝土剥落可能性大而钢筋屈服的可能性小。DavidG.Hieher等还展示了采用等效横向力和基于位移设计两种方法设计结构的过程,并对两种设计方法进行了评价比较。Mander等建议将预应力墩柱设计成可绕墩底节缝转动的刚体,纵向普通钢筋在节缝处截断以便施工,盖梁、墩柱和基础只通过布置在中心的预应力筋连接,节缝间用钢板连接以防止混凝土压碎。此体系通过重力和预应力筋的预压应力提供节缝抗剪摩阻力和墩柱横向抗力,通过节缝间的碰撞来提供很小的耗能,通过加大墩柱底部截面宽度来防止桥墩倾覆。等比例的试验研究结果表明此体系可以获得很好的强度和变形能力,且墩身几乎没有损伤。但在强震后预应力筋中的预应力大小需要检查、必要时要重张拉预应力筋或更换。此外,Mander还给出了一个抗震设计实例。Mander等将塑性铰区处理成可更换区的预应力墩柱并进行了等比例的循环加载试验和修复试验。此体系的思想是通过弱化塑性铰区可更换钢筋来保证塑性铰先破坏而达到保护其他部位的目的。试验结果表明,此体系的耗能能力好,塑性铰区外的部位损坏很小,且修复以后的桥墩性能与原桥墩相差无几。2.2.2循环加载试验研究Billington等建议在节段拼装PRC桥墩的塑性铰区域使用纤维混凝土复合材料(DRFCC)。该结构体系的底层节段嵌入基础,在地震反应下各个节缝基本不允许张开。为验证该桥墩体系的抗震性能,进行了7个试件的拟静力试验,比较了采用DRFCC的桥墩体系与采用传统混凝土的桥墩体系之间的差别。试件原型是加州SantaMonica高架桥圆桥墩柱1/6缩尺模型。为方便制作,圆墩柱简化为方墩柱。试件主要变化参数有长细比、接缝类型等,但最重要的还是墩柱节段嵌入基础承台中的深度。试验结果表明:①该体系延性好,残余位移小;②塑性铰区域出现分散的细裂缝,峰值荷载提高;③耗能强;④长细比越大,分散的裂缝出现越多;⑤采用DRFCC的桥墩体系,在没有箍筋时也能保持整体性。但是,由于该试验是小比例试验,存在着一些不足,比如各混合物的尺寸效应、没有考虑二阶效应、预应力筋长度有误差等。Hewes等针对塑性铰区域混凝土容易剥落而导致景观较差,建议在塑性铰区采用钢套筒混凝土,并对具有不同长细比、预应力水平和钢套筒厚度的大比例尺寸的无黏结中心预应力拼装桥墩进行循环加载试验研究,研究其强度和变形性能。试验结果表明,残余变形小且耗能少,混凝土剥落损伤轻微且集中在桥墩底部受压区,墩身残余裂缝几乎没有,承台由于墩底节缝的存在,没有造成破坏,钢套筒提高了墩底受压区混凝土的极限压应变,增加了桥墩的延性性能。节段之间接缝处虽然没有专门的剪力传递构造,但是试验过程中没有发生节段的相对滑移。此外,还对该体系的抗震设计方法进行了研究。Chung-CheChou等针对钢管预应力混凝土节段桥墩耗能小的特点,建议在底部节段设置钢条支撑耗能装置,通过试验比较了2个1/6比例尺寸试件在循环试验下的行为,提出了采用2个塑性铰(绕底部节段的上下节缝旋转)计算弯曲位移的方法。试验结果表明:①试件在达到最大设计位移时,仍具有很强的抗弯能力。即使偏移达到6%时,强度退化和残余位移都很小。②能量耗散装置能有限地增强耗能能力。③计算位移方法是合适的,尤其在预应力和轴压比较小而长细比较大的情况下。Kman等通过一系列静、动力有限元分析(平面单元模型),调查了节段拼装无黏结后张PRC桥墩的刚度、强度、延性、极限状态、耗能能力、残余位移和总体滞回能力。分析表明,高预应力水平越高,残余变形越小,耗能越差,极限位移越小。但在分析中,没有考虑节缝及节缝间的剪切滑移等影响。3试验研究不够全面综上所述,当前研究人员仍在继续从施工、抗震性能和经济等角度探讨更加合理的PRC桥墩新体系(包括整体现浇和拼装形式)。整体而言,目前的研究成果表明,预应力技术的采用在减小结构残余位移的同时也降低了结构的耗能能力和延性性能,墩底塑性铰区域采用纤维混凝土或钢套筒减小了结构的损伤,增加了结构的耗能能力和延性。但是,现有的研究尚不够全面,这主要体现在:①在试验研究里面尚未见到有关PRC桥墩的振动台试验研究成果的报道。因此,有必要通过振动台试验来考察PRC桥墩在实际地震下的自复位能力。②导致整体现浇式和拼装式桥墩抗震性能差异的最主要原因是节缝的存在。但现有的针对整体现浇PRC桥墩的研究较多,而考虑无黏结预应力筋、拼装的不同构造措施(干节缝、铰节缝和湿节缝)的分析很少,大多数只是针对底部干节缝这种形式进行分析。③目前无黏结拼装PRC桥墩的横向抗力主要是通过