节段拼装桥墩抗震安全性研究与试验

节段拼装桥墩抗震安全性研究与试验

1节段拼装施工技术与桥梁结构的关系由于地震和人为灾害，桥梁结构的安全问题一直受到关注。相关的防灾和民防研究在国内外都是一个热门课题。伴随着更多大型跨江跨海桥梁建设,引用新材料、新工艺、新桥型,对结构行为进行更精确的数值分析,采用更精确的结构试验进行验证,使桥梁结构的“性价比”不断提高,已成为时代的需要。节段拼装施工技术一直用于桥梁上部结构中,近十几年才适当用于下部桥墩结构。美国在非地震区使用该施工方法建设了大量桥梁,我国东海大桥、杭州湾跨海大桥、港珠澳大桥等多个工程实践均采用了节段拼装桥墩,如图1～3所示。但值得注意的是,我国建设的前2座大桥均位于地震裂度6度区,抗震设防要求较低,而港珠澳大桥位于地震裂度8度区,属于高烈度区桥梁。众所周知,节段拼装结构在高强度地震作用下或近场地震作用下的结构性能研究尚未成熟,即使在欧美国家,这种优良结构形式的大量应用还仅限于非抗震设防区域或低抗震设防区域,因此其地震安全性研究与试验亟需开展。2节段拼装桥墩结构体系的研究对于强震等灾害荷载作用,设计者更多关心的是桥梁下部结构。节段拼装桥墩的接头通常采用承插、钢筋锚固(焊接)、扣环、法兰盘、后张预应力等方式。通过后张预应力进行节段拼装的桥墩中,因接缝处采用不同填料,可细分为干接缝与胶接缝,桥墩受弯时墩底及接缝处会出现不同程度的张开裂缝,桥墩为摇摆桥墩体系;通过现浇混凝土进行连接的接缝属于湿接缝,满足接缝的强度高于节段自身强度的要求,破坏时与整体现浇的墩性能相当。在节段拼装桥墩抗震性能方面,国外已有不少学者开展了研究,包括理论研究和试验研究。理论方法方面主要可总结为4类,即解析法、集中塑性铰法、纤维模型法、钢筋混凝土实体有限元模型。解析法可直接用于确定设计公式,Hews曾对干接缝节段拼装单柱墩墩顶荷载位移骨架曲线做过推导,确定了其曲线发展的3个特征状态,即墩底受拉侧承受预应力的纤维首次出现零应力状态、墩底裂缝扩展到截面高度一半、预应力筋首次屈服。集中塑性铰模型、纤维单元模型与钢筋混凝土实体模型均为有限元分析所采用的模型,目前多使用Opensees、Abaqus、Drain-2DX等软件进行纤维模型分析,实体模型则很多通用软件均可以完成。已有研究成果表明,纵筋在节段拼装位置断开的拼装桥墩,在采用无粘结预应力筋后,具有良好的中心回复能力。此外,建筑结构中采用的预制混凝土剪力墙在体系上与干接缝拼装墩类似,以剪力墙为主要抗震结构的研究也开展得较多,且研究结果指出,采用无粘结预应力筋连接的预制拼装结构耗能能力低,需埋置耗能装置。Mander等研究了摇摆式桥墩在桥梁隔震中的作用,对混凝土内置钢管柱式桥墩,采用无粘结预应力方式连接,测试了墩柱的摆动响应,并使用能力需求谱分析法进行了计算分析,但对预应力筋内力随墩柱绕基础转动而增加的现象,他却没能点明。Hews和Priestley对预应力连接的节段拼装桥墩进行了横向地震力试验和理论研究。采用大比例尺的无粘结预应力拼装桥墩试验模型,研究了往复水平地震荷载作用下桥墩的强度-变形响应关系和性能。这是节段拼装桥墩抗震性能开展较早的研究之一,为后来的相关试验和理论研究奠定了基础。该试验研究参数为:预应力筋截面面积和初始预应力大小、塑性铰区域套筒壁厚、柱的剪跨比等。试验桥墩节段为圆形单柱,最底下的节段采用钢套筒约束素混凝土的形式,其他节段采用箍筋约束混凝土的方案。试验结果表明,柱整体损伤小,主要是柱基础附近混凝土发生轻微开裂;采用无粘结预应力筋节段拼装柱的残余位移很小,试件的滞回耗能能力相对较小,随着侧向偏移率的增大略有增加;薄壁套筒约束节段试件的滞回性能增加较厚壁试件更快;节段之间接缝处没有专门的剪力传递构造,试验过程中没有发生节段的相对错动,剪力靠摩擦有效传递;仅采用箍筋加密的方式虽可提高其延性性能,但不可避免地造成节段混凝土保护层的大量开裂,较好的方式是采用套筒约束方案。由于节段拼装桥墩滞回耗能能力和水平强度较同尺寸的传统桥墩差很多,因此,很多学者在怎样提高耗能的问题上做了深入试验研究。台湾交通大学的周中哲等改进了Hews的试验,进行了2个采用干接缝连接的预制钢管约束素混凝土节段桥墩的拟静力试验。试验方面的改进主要是将所有节段都采用钢管约束混凝土方案,其中塑性铰区域套筒壁厚加厚,这样避免了Hewes试验中出现的钢筋混凝土节段外保护层混凝土的压碎,同时对一根试件附加了耗能装置。试验结果表明,这2个试件在最大设计位移时,具有很强的抗弯能力,即使偏移达到6%时,强度退化小,残余位移小;能量耗散装置能增强耗能能力;预制的钢管混凝土柱节段不仅可以绕基础转动,也能绕最下面节段的上接缝转动,在此基础上建立了具有2个塑性铰墩柱的位移计算方法。Chang等制作了4个大比例尺预应力节段拼装桥墩模型,针对提高滞回耗能方案进行了试验研究。结果表明,随着穿过节段接缝的纵向低碳钢筋数量的增多,滞回耗能显著增大,即便一些节段接缝已经出现开口,依然能够增加耗能。Y.-C.Ou将低碳钢束穿过节段拼装接缝,在空心墩中空部位张拉无粘结预应力筋。试验结果表明,在水平往复荷载作用下,桥墩延性能力表现优异,滞回耗能增大,桥墩水平强度也得到了提高。Billington建议通过无粘结预应力筋连接各个节段,节段间没有普通钢筋,塑性铰区域的节段采用延性纤维加劲的水泥复合材料。拟静力试验结果表明,桥墩延性好,耗能强,残余位移小;塑性铰区域出现分散的细裂缝,极限荷载提高,长细比越大,分散的裂缝出现越多;桥墩在没有箍筋时也能保持整体性。但该试验采用小比例尺试件(1/6),尺寸效应等因素不能忽视。HyungILJeong等进行了1∶4的大比例尺预应力张拉桥墩振动台试验研究,采用2个钢筋混凝土墩柱,在墩顶架设钢梁加配重模拟上部结构自重,讨论了采用中心无粘结预应力的不同细部设计墩柱的抗震性能,研究其中心回复能力。在国内,王志强等进行了东海大桥引桥预制拼装桥墩的抗震特性数值研究,讨论了预应力存在方式对墩身刚度的影响、预应力布置位置对桥墩抗震性能的影响,提出在箱形墩的截面中心布置无粘结预应力钢绞线可满足运营要求,又可提高抗震性能,但未对预应力施加水平、预应力筋含量等参数进行进一步的取值研究。王丰等进行了8根现浇、承插和节段拼装预应力混凝土实心桥墩在定轴力和水平力作用下的低周反复加载试验,比较在不同试验参数情况下,试件滞回环形状、骨架曲线、延性、耗能能力、刚度和残余变形的变化。采用纤维单元对5个现浇和承插试件进行了数值模拟,比较了试验结果和数值模拟的差别,并在此基础上进行了轴压比、纵筋配筋率、预应力筋配筋率、预应力筋位置和预应力大小等的参数分析。结果指出,节段拼装桥墩破坏集中在接缝处,尤其发生在与承台接缝处,墩柱本身无破坏,纵筋与箍筋无破坏或拉出现象,骨架曲线没有强度稳定段,滞回环表现为狭窄的三折线长条形,没有拉开,预应力布置在边缘比布置在中心抗力要好,节段数目对抗力影响不大。葛继平等进行了预制拼装桥墩拟静力试验和振动台试验,比较了3种干接缝节段拼装桥墩、普通钢混桥墩和无粘结预应力混凝土桥墩,详细描述了节段拼装桥墩的拟静力破坏发展过程和需要注意的问题,带耗能钢筋的试验墩很好地验证了国外学者关于可提高桥墩延性能力的结论,同时根据振动台试验结果对比了各类型墩的破坏发展特征,再一次验证了耗能钢筋可提高桥墩耗能,但得到的滞回曲线较拟静力试验结果要凌乱一些。此外,采用纤维模型和集中塑性铰模型2种分析模型对试验桥墩进行比较,结果表明,2种方法各有优缺点,后者得到的墩顶荷载位移滞回曲线更接近拟静力试验曲线,前者则可很好地把握拟静力性能中达到最大荷载前的荷载位移滞回性能、曲率分布规律、非线性时程分析中的最大位移响应等结果,但它们不能准确反映不同工况间的损伤累积、荷载位移滞回曲线的最大荷载后的下降段,因此分析得到的滞回曲线与试验曲线相差较大。3自虚实混凝土施工节段拼装桥墩接缝处受力复杂,更易破坏和劣化,寻找高性能混凝土来提高墩身的抗冲击、抗裂及抗震性能一直受到关注。钢纤维混凝土具有较好的抗弯、剪和抗冲击性能,目前被广泛应用于桥面铺装层抗裂、锚下及伸缩缝位置混凝土抗裂等工程中。钢纤维自密实混凝土是在普通混凝土中掺入乱向分布的短钢纤维,并采用自密实浇筑技术所形成的一种新型多相复合材料,这些乱向分布的钢纤维能够有效地阻碍混凝土内部微裂缝的扩展及宏观裂缝的形成。自密实混凝土在跨江跨海、恶劣高原气候条件下,可更好地缩短工期,降低劳务成本,且钢纤维自密实混凝土可显著改善钢筋混凝土墩柱的承载能力和延性抗震性能,已日益成为国内外研究的新方向。大连理工大学丁一宁开展了系列材料试验,研究了钢纤维混凝土在弯曲、剪切、冲击荷载下的性能,并指出,添加钢纤维能有效提高混凝土的抗冲击能力,降低混凝土的脆性,延缓冲击裂缝的形成和开展。对梁构件的研究则表明,添加钢纤维能明显提高自密实混凝土的弯曲韧性和剪切韧性,可以改善梁的破坏形态。Foster等通过对21根钢纤维增强的高强混凝土柱体的加载试验发现,掺加钢纤维可以明显提高混凝土柱体的承载能力和延性性能。同济大学朱钊等研究了将钢纤维混凝土局部用于大型桥梁墩柱塑性铰区对墩柱抗震性能的影响,短柱试验结果也支持了前述结论,并指出桥梁墩柱使用该材料后可大幅提高结构的抗震性能。但钢纤维混凝土用于房建结构抗震设计的较多,用于桥梁墩柱设计的研究还很少,各项关键技术研究尚未开展。许金余等利用爆破荷载对钢纤维混凝土板进行了局部和整体破坏试验,局部破坏试验表明,由于钢纤维材料抗拉强度较普通混凝土的提高较多,在同等抗震塌要求时,加入钢纤维后,试件厚度可取为原来的3/4。此外,试验结果发现,随纤维含量增加,爆破形成的漏斗坑周围裂缝变得细而密,且发展范围较小,因此,钢纤维可有效提高混凝土的裂后延性。整体破坏试验表明,纤维可增大梁构件的刚度使同等荷载作用下振动周期减小,但随着纤维含量的增加,周期减小的程度变化并不大;钢纤维混凝土的塑形变形能力较强,受爆炸冲击荷载作用后,梁体产生多而细的裂缝,发展较短,荷载作用结束后,仍具备相当大的承载力。美国GeorgeLee近年来在钢纤维自密实混凝土桥墩设计应用领域内进行了一些材料本构关系、配合比设计等的试验研究。研究指出,钢纤维自密实混凝土抗压强度较普通混凝土最大可提高30%左右,但抗拉强度的提高却远远大于该数字,在抗震性能数值分析中,应注意外包混凝土由于抗拉强度提高会延迟开裂,从而使构件抗震性能有所提高,而核心混凝土的本构关系可近似取为与普通混凝土相同。美国布法罗大学地震工程研究中心与中国桥梁工程结构动力学国家重点实验室之间正在合作的项目中,将开展节段拼装桥墩抗震性能地震台试验,对国内采用较多的空心薄壁湿接头节段拼装墩、自密实钢纤维混凝土节段拼装墩抗震性能进行研究,该国际合作项目会在这2个研究领域内取得一些建设性的研究成果,并供国内外相关工程应用和研究参考。4节段拼装桥墩工程的抗震性能研究从目前的应用与研究成果看,不同的节段连接方式和构造细节,会导致结构的响应和滞回耗能不同,国际上多采用无粘结预应力带耗能钢筋的预制桥墩;试验可以弥补建模分析方法的不足,更为准确地描述结构的地震响应;高性能材料可以提高结构的抗震性能,这些均是国际上近些年研究的热点。总的来说,节段拼装桥墩的抗震性能研究还处于探索阶段,正常使用和地震极限状态的破坏标准还没有建立,其他极端荷载作用下节段拼装桥梁的响应特性和分析设计、健康监控和预警系统等也需要开展研究。应注意,上述研究成果多采用拟静力试验方式,主要针对无粘结预应力节段拼装方式,我国实际跨海大桥工程建