節(jié)段拼裝橋墩抗震安全性研究與試驗(yàn)

節(jié)段拼裝橋墩抗震安全性研究與試驗(yàn)

1節(jié)段拼裝施工技術(shù)與橋梁結(jié)構(gòu)的關(guān)系由于地震和人為災(zāi)害，橋梁結(jié)構(gòu)的安全問(wèn)題一直受到關(guān)注。相關(guān)的防災(zāi)和民防研究在國(guó)內(nèi)外都是一個(gè)熱門課題。伴隨著更多大型跨江跨海橋梁建設(shè),引用新材料、新工藝、新橋型,對(duì)結(jié)構(gòu)行為進(jìn)行更精確的數(shù)值分析,采用更精確的結(jié)構(gòu)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證,使橋梁結(jié)構(gòu)的“性價(jià)比”不斷提高,已成為時(shí)代的需要。節(jié)段拼裝施工技術(shù)一直用于橋梁上部結(jié)構(gòu)中,近十幾年才適當(dāng)用于下部橋墩結(jié)構(gòu)。美國(guó)在非地震區(qū)使用該施工方法建設(shè)了大量橋梁,我國(guó)東海大橋、杭州灣跨海大橋、港珠澳大橋等多個(gè)工程實(shí)踐均采用了節(jié)段拼裝橋墩,如圖1～3所示。但值得注意的是,我國(guó)建設(shè)的前2座大橋均位于地震裂度6度區(qū),抗震設(shè)防要求較低,而港珠澳大橋位于地震裂度8度區(qū),屬于高烈度區(qū)橋梁。眾所周知,節(jié)段拼裝結(jié)構(gòu)在高強(qiáng)度地震作用下或近場(chǎng)地震作用下的結(jié)構(gòu)性能研究尚未成熟,即使在歐美國(guó)家,這種優(yōu)良結(jié)構(gòu)形式的大量應(yīng)用還僅限于非抗震設(shè)防區(qū)域或低抗震設(shè)防區(qū)域,因此其地震安全性研究與試驗(yàn)亟需開展。2節(jié)段拼裝橋墩結(jié)構(gòu)體系的研究對(duì)于強(qiáng)震等災(zāi)害荷載作用,設(shè)計(jì)者更多關(guān)心的是橋梁下部結(jié)構(gòu)。節(jié)段拼裝橋墩的接頭通常采用承插、鋼筋錨固(焊接)、扣環(huán)、法蘭盤、后張預(yù)應(yīng)力等方式。通過(guò)后張預(yù)應(yīng)力進(jìn)行節(jié)段拼裝的橋墩中,因接縫處采用不同填料,可細(xì)分為干接縫與膠接縫,橋墩受彎時(shí)墩底及接縫處會(huì)出現(xiàn)不同程度的張開裂縫,橋墩為搖擺橋墩體系;通過(guò)現(xiàn)澆混凝土進(jìn)行連接的接縫屬于濕接縫,滿足接縫的強(qiáng)度高于節(jié)段自身強(qiáng)度的要求,破壞時(shí)與整體現(xiàn)澆的墩性能相當(dāng)。在節(jié)段拼裝橋墩抗震性能方面,國(guó)外已有不少學(xué)者開展了研究,包括理論研究和試驗(yàn)研究。理論方法方面主要可總結(jié)為4類,即解析法、集中塑性鉸法、纖維模型法、鋼筋混凝土實(shí)體有限元模型。解析法可直接用于確定設(shè)計(jì)公式,Hews曾對(duì)干接縫節(jié)段拼裝單柱墩墩頂荷載位移骨架曲線做過(guò)推導(dǎo),確定了其曲線發(fā)展的3個(gè)特征狀態(tài),即墩底受拉側(cè)承受預(yù)應(yīng)力的纖維首次出現(xiàn)零應(yīng)力狀態(tài)、墩底裂縫擴(kuò)展到截面高度一半、預(yù)應(yīng)力筋首次屈服。集中塑性鉸模型、纖維單元模型與鋼筋混凝土實(shí)體模型均為有限元分析所采用的模型,目前多使用Opensees、Abaqus、Drain-2DX等軟件進(jìn)行纖維模型分析,實(shí)體模型則很多通用軟件均可以完成。已有研究成果表明,縱筋在節(jié)段拼裝位置斷開的拼裝橋墩,在采用無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋后,具有良好的中心回復(fù)能力。此外,建筑結(jié)構(gòu)中采用的預(yù)制混凝土剪力墻在體系上與干接縫拼裝墩類似,以剪力墻為主要抗震結(jié)構(gòu)的研究也開展得較多,且研究結(jié)果指出,采用無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋連接的預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)耗能能力低,需埋置耗能裝置。Mander等研究了搖擺式橋墩在橋梁隔震中的作用,對(duì)混凝土內(nèi)置鋼管柱式橋墩,采用無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力方式連接,測(cè)試了墩柱的擺動(dòng)響應(yīng),并使用能力需求譜分析法進(jìn)行了計(jì)算分析,但對(duì)預(yù)應(yīng)力筋內(nèi)力隨墩柱繞基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動(dòng)而增加的現(xiàn)象,他卻沒(méi)能點(diǎn)明。Hews和Priestley對(duì)預(yù)應(yīng)力連接的節(jié)段拼裝橋墩進(jìn)行了橫向地震力試驗(yàn)和理論研究。采用大比例尺的無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力拼裝橋墩試驗(yàn)?zāi)Ｐ?研究了往復(fù)水平地震荷載作用下橋墩的強(qiáng)度-變形響應(yīng)關(guān)系和性能。這是節(jié)段拼裝橋墩抗震性能開展較早的研究之一,為后來(lái)的相關(guān)試驗(yàn)和理論研究奠定了基礎(chǔ)。該試驗(yàn)研究參數(shù)為:預(yù)應(yīng)力筋截面面積和初始預(yù)應(yīng)力大小、塑性鉸區(qū)域套筒壁厚、柱的剪跨比等。試驗(yàn)橋墩節(jié)段為圓形單柱,最底下的節(jié)段采用鋼套筒約束素混凝土的形式,其他節(jié)段采用箍筋約束混凝土的方案。試驗(yàn)結(jié)果表明,柱整體損傷小,主要是柱基礎(chǔ)附近混凝土發(fā)生輕微開裂;采用無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋節(jié)段拼裝柱的殘余位移很小,試件的滯回耗能能力相對(duì)較小,隨著側(cè)向偏移率的增大略有增加;薄壁套筒約束節(jié)段試件的滯回性能增加較厚壁試件更快;節(jié)段之間接縫處沒(méi)有專門的剪力傳遞構(gòu)造,試驗(yàn)過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生節(jié)段的相對(duì)錯(cuò)動(dòng),剪力靠摩擦有效傳遞;僅采用箍筋加密的方式雖可提高其延性性能,但不可避免地造成節(jié)段混凝土保護(hù)層的大量開裂,較好的方式是采用套筒約束方案。由于節(jié)段拼裝橋墩滯回耗能能力和水平強(qiáng)度較同尺寸的傳統(tǒng)橋墩差很多,因此,很多學(xué)者在怎樣提高耗能的問(wèn)題上做了深入試驗(yàn)研究。臺(tái)灣交通大學(xué)的周中哲等改進(jìn)了Hews的試驗(yàn),進(jìn)行了2個(gè)采用干接縫連接的預(yù)制鋼管約束素混凝土節(jié)段橋墩的擬靜力試驗(yàn)。試驗(yàn)方面的改進(jìn)主要是將所有節(jié)段都采用鋼管約束混凝土方案,其中塑性鉸區(qū)域套筒壁厚加厚,這樣避免了Hewes試驗(yàn)中出現(xiàn)的鋼筋混凝土節(jié)段外保護(hù)層混凝土的壓碎,同時(shí)對(duì)一根試件附加了耗能裝置。試驗(yàn)結(jié)果表明,這2個(gè)試件在最大設(shè)計(jì)位移時(shí),具有很強(qiáng)的抗彎能力,即使偏移達(dá)到6%時(shí),強(qiáng)度退化小,殘余位移小;能量耗散裝置能增強(qiáng)耗能能力;預(yù)制的鋼管混凝土柱節(jié)段不僅可以繞基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動(dòng),也能繞最下面節(jié)段的上接縫轉(zhuǎn)動(dòng),在此基礎(chǔ)上建立了具有2個(gè)塑性鉸墩柱的位移計(jì)算方法。Chang等制作了4個(gè)大比例尺預(yù)應(yīng)力節(jié)段拼裝橋墩模型,針對(duì)提高滯回耗能方案進(jìn)行了試驗(yàn)研究。結(jié)果表明,隨著穿過(guò)節(jié)段接縫的縱向低碳鋼筋數(shù)量的增多,滯回耗能顯著增大,即便一些節(jié)段接縫已經(jīng)出現(xiàn)開口,依然能夠增加耗能。Y.-C.Ou將低碳鋼束穿過(guò)節(jié)段拼裝接縫,在空心墩中空部位張拉無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋。試驗(yàn)結(jié)果表明,在水平往復(fù)荷載作用下,橋墩延性能力表現(xiàn)優(yōu)異,滯回耗能增大,橋墩水平強(qiáng)度也得到了提高。Billington建議通過(guò)無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋連接各個(gè)節(jié)段,節(jié)段間沒(méi)有普通鋼筋,塑性鉸區(qū)域的節(jié)段采用延性纖維加勁的水泥復(fù)合材料。擬靜力試驗(yàn)結(jié)果表明,橋墩延性好,耗能強(qiáng),殘余位移小;塑性鉸區(qū)域出現(xiàn)分散的細(xì)裂縫,極限荷載提高,長(zhǎng)細(xì)比越大,分散的裂縫出現(xiàn)越多;橋墩在沒(méi)有箍筋時(shí)也能保持整體性。但該試驗(yàn)采用小比例尺試件(1/6),尺寸效應(yīng)等因素不能忽視。HyungILJeong等進(jìn)行了1∶4的大比例尺預(yù)應(yīng)力張拉橋墩振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究,采用2個(gè)鋼筋混凝土墩柱,在墩頂架設(shè)鋼梁加配重模擬上部結(jié)構(gòu)自重,討論了采用中心無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力的不同細(xì)部設(shè)計(jì)墩柱的抗震性能,研究其中心回復(fù)能力。在國(guó)內(nèi),王志強(qiáng)等進(jìn)行了東海大橋引橋預(yù)制拼裝橋墩的抗震特性數(shù)值研究,討論了預(yù)應(yīng)力存在方式對(duì)墩身剛度的影響、預(yù)應(yīng)力布置位置對(duì)橋墩抗震性能的影響,提出在箱形墩的截面中心布置無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線可滿足運(yùn)營(yíng)要求,又可提高抗震性能,但未對(duì)預(yù)應(yīng)力施加水平、預(yù)應(yīng)力筋含量等參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的取值研究。王豐等進(jìn)行了8根現(xiàn)澆、承插和節(jié)段拼裝預(yù)應(yīng)力混凝土實(shí)心橋墩在定軸力和水平力作用下的低周反復(fù)加載試驗(yàn),比較在不同試驗(yàn)參數(shù)情況下,試件滯回環(huán)形狀、骨架曲線、延性、耗能能力、剛度和殘余變形的變化。采用纖維單元對(duì)5個(gè)現(xiàn)澆和承插試件進(jìn)行了數(shù)值模擬,比較了試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬的差別,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了軸壓比、縱筋配筋率、預(yù)應(yīng)力筋配筋率、預(yù)應(yīng)力筋位置和預(yù)應(yīng)力大小等的參數(shù)分析。結(jié)果指出,節(jié)段拼裝橋墩破壞集中在接縫處,尤其發(fā)生在與承臺(tái)接縫處,墩柱本身無(wú)破壞,縱筋與箍筋無(wú)破壞或拉出現(xiàn)象,骨架曲線沒(méi)有強(qiáng)度穩(wěn)定段,滯回環(huán)表現(xiàn)為狹窄的三折線長(zhǎng)條形,沒(méi)有拉開,預(yù)應(yīng)力布置在邊緣比布置在中心抗力要好,節(jié)段數(shù)目對(duì)抗力影響不大。葛繼平等進(jìn)行了預(yù)制拼裝橋墩擬靜力試驗(yàn)和振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn),比較了3種干接縫節(jié)段拼裝橋墩、普通鋼混橋墩和無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土橋墩,詳細(xì)描述了節(jié)段拼裝橋墩的擬靜力破壞發(fā)展過(guò)程和需要注意的問(wèn)題,帶耗能鋼筋的試驗(yàn)墩很好地驗(yàn)證了國(guó)外學(xué)者關(guān)于可提高橋墩延性能力的結(jié)論,同時(shí)根據(jù)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比了各類型墩的破壞發(fā)展特征,再一次驗(yàn)證了耗能鋼筋可提高橋墩耗能,但得到的滯回曲線較擬靜力試驗(yàn)結(jié)果要凌亂一些。此外,采用纖維模型和集中塑性鉸模型2種分析模型對(duì)試驗(yàn)橋墩進(jìn)行比較,結(jié)果表明,2種方法各有優(yōu)缺點(diǎn),后者得到的墩頂荷載位移滯回曲線更接近擬靜力試驗(yàn)曲線,前者則可很好地把握擬靜力性能中達(dá)到最大荷載前的荷載位移滯回性能、曲率分布規(guī)律、非線性時(shí)程分析中的最大位移響應(yīng)等結(jié)果,但它們不能準(zhǔn)確反映不同工況間的損傷累積、荷載位移滯回曲線的最大荷載后的下降段,因此分析得到的滯回曲線與試驗(yàn)曲線相差較大。3自虛實(shí)混凝土施工節(jié)段拼裝橋墩接縫處受力復(fù)雜,更易破壞和劣化,尋找高性能混凝土來(lái)提高墩身的抗沖擊、抗裂及抗震性能一直受到關(guān)注。鋼纖維混凝土具有較好的抗彎、剪和抗沖擊性能,目前被廣泛應(yīng)用于橋面鋪裝層抗裂、錨下及伸縮縫位置混凝土抗裂等工程中。鋼纖維自密實(shí)混凝土是在普通混凝土中摻入亂向分布的短鋼纖維,并采用自密實(shí)澆筑技術(shù)所形成的一種新型多相復(fù)合材料,這些亂向分布的鋼纖維能夠有效地阻礙混凝土內(nèi)部微裂縫的擴(kuò)展及宏觀裂縫的形成。自密實(shí)混凝土在跨江跨海、惡劣高原氣候條件下,可更好地縮短工期,降低勞務(wù)成本,且鋼纖維自密實(shí)混凝土可顯著改善鋼筋混凝土墩柱的承載能力和延性抗震性能,已日益成為國(guó)內(nèi)外研究的新方向。大連理工大學(xué)丁一寧開展了系列材料試驗(yàn),研究了鋼纖維混凝土在彎曲、剪切、沖擊荷載下的性能,并指出,添加鋼纖維能有效提高混凝土的抗沖擊能力,降低混凝土的脆性,延緩沖擊裂縫的形成和開展。對(duì)梁構(gòu)件的研究則表明,添加鋼纖維能明顯提高自密實(shí)混凝土的彎曲韌性和剪切韌性,可以改善梁的破壞形態(tài)。Foster等通過(guò)對(duì)21根鋼纖維增強(qiáng)的高強(qiáng)混凝土柱體的加載試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),摻加鋼纖維可以明顯提高混凝土柱體的承載能力和延性性能。同濟(jì)大學(xué)朱釗等研究了將鋼纖維混凝土局部用于大型橋梁墩柱塑性鉸區(qū)對(duì)墩柱抗震性能的影響,短柱試驗(yàn)結(jié)果也支持了前述結(jié)論,并指出橋梁墩柱使用該材料后可大幅提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。但鋼纖維混凝土用于房建結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的較多,用于橋梁墩柱設(shè)計(jì)的研究還很少,各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)研究尚未開展。許金余等利用爆破荷載對(duì)鋼纖維混凝土板進(jìn)行了局部和整體破壞試驗(yàn),局部破壞試驗(yàn)表明,由于鋼纖維材料抗拉強(qiáng)度較普通混凝土的提高較多,在同等抗震塌要求時(shí),加入鋼纖維后,試件厚度可取為原來(lái)的3/4。此外,試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),隨纖維含量增加,爆破形成的漏斗坑周圍裂縫變得細(xì)而密,且發(fā)展范圍較小,因此,鋼纖維可有效提高混凝土的裂后延性。整體破壞試驗(yàn)表明,纖維可增大梁構(gòu)件的剛度使同等荷載作用下振動(dòng)周期減小,但隨著纖維含量的增加,周期減小的程度變化并不大;鋼纖維混凝土的塑形變形能力較強(qiáng),受爆炸沖擊荷載作用后,梁體產(chǎn)生多而細(xì)的裂縫,發(fā)展較短,荷載作用結(jié)束后,仍具備相當(dāng)大的承載力。美國(guó)GeorgeLee近年來(lái)在鋼纖維自密實(shí)混凝土橋墩設(shè)計(jì)應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)進(jìn)行了一些材料本構(gòu)關(guān)系、配合比設(shè)計(jì)等的試驗(yàn)研究。研究指出,鋼纖維自密實(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度較普通混凝土最大可提高30%左右,但抗拉強(qiáng)度的提高卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于該數(shù)字,在抗震性能數(shù)值分析中,應(yīng)注意外包混凝土由于抗拉強(qiáng)度提高會(huì)延遲開裂,從而使構(gòu)件抗震性能有所提高,而核心混凝土的本構(gòu)關(guān)系可近似取為與普通混凝土相同。美國(guó)布法羅大學(xué)地震工程研究中心與中國(guó)橋梁工程結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室之間正在合作的項(xiàng)目中,將開展節(jié)段拼裝橋墩抗震性能地震臺(tái)試驗(yàn),對(duì)國(guó)內(nèi)采用較多的空心薄壁濕接頭節(jié)段拼裝墩、自密實(shí)鋼纖維混凝土節(jié)段拼裝墩抗震性能進(jìn)行研究,該國(guó)際合作項(xiàng)目會(huì)在這2個(gè)研究領(lǐng)域內(nèi)取得一些建設(shè)性的研究成果,并供國(guó)內(nèi)外相關(guān)工程應(yīng)用和研究參考。4節(jié)段拼裝橋墩工程的抗震性能研究從目前的應(yīng)用與研究成果看,不同的節(jié)段連接方式和構(gòu)造細(xì)節(jié),會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的響應(yīng)和滯回耗能不同,國(guó)際上多采用無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力帶耗能鋼筋的預(yù)制橋墩;試驗(yàn)可以彌補(bǔ)建模分析方法的不足,更為準(zhǔn)確地描述結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng);高性能材料可以提高結(jié)構(gòu)的抗震性能,這些均是國(guó)際上近些年研究的熱點(diǎn)?？偟膩?lái)說(shuō),節(jié)段拼裝橋墩的抗震性能研究還處于探索階段,正常使用和地震極限狀態(tài)的破壞標(biāo)準(zhǔn)還沒(méi)有建立,其他極端荷載作用下節(jié)段拼裝橋梁的響應(yīng)特性和分析設(shè)計(jì)、健康監(jiān)控和預(yù)警系統(tǒng)等也需要開展研究。應(yīng)注意,上述研究成果多采用擬靜力試驗(yàn)方式,主要針對(duì)無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力節(jié)段拼裝方式,我國(guó)實(shí)際跨海大橋工程建