第29卷第4期地 震 工 程 与 工 程 振 动 2009年8月 JOURNAL OF E ARTHQUAKE E NGI N EER I N G AND E NGI N EER I N G V I B RATI O N Vol . 29No . 4 Aug . 2009文章编号:1000-1301(2009) 04-0147-08
节段拼装桥墩抗震性能研究进展
王志强, 葛继平, 魏红一, 刘 丰1211
(1. 同济大学桥梁工程系, 上海200092; 2. 上海应用技术学院土木建筑与安全工程学院, 上海200235)
摘 要:预制拼装桥墩由于其良好的力学性能和施工优势, 在国外曾有不少工程实践和研究。但是
国内针对节段拼装桥墩抗震性能的研究还是空白, 明显滞后于工程实践, 不能满足工程建设的需要。
因此, 本文对节段拼装桥墩的应用、接缝分类及其力学特性、试验研究和理论研究方面的情况进行了
总结, 并指出了存在问题和进一步研究的方向。
关键词:节段拼装; 快速施工; 桥墩; 抗震性能
中图分类号:U443. 22; P315195212 文献标志码:A
Recen t developm en t i n se is m i c of m colu mn s
WANG , E I , 11
(11Depart 200092, China; 21School of Safety and
I nstitute of Technol ogy, Shanghai 200235, China )
Abstract:Precast concrete seg mental bridge p iers have been studied and designed at abr oad f or excellent mechani 2cal characteristics and p ractical advantages in constructi on . W hile fe w works have been done for the seis m ic per 2for mance of the m at home 1The research falls behind the app licati on and could not satisfy the de mands of app lica 2ti on . The main as pects of seis m ic research on seg mental bridge colu mns are revie wed, including the app licati on at home, the kinds of j oints and their mechanical behavi or, and the experi m ental and analytical research . Some rec 2ommendati ons for future research on seis m ic perfor mance of the p recast concrete seg mental syste m are offered . Key words:p recast seg mental; rap id constructi on; bridge column; seis m ic perfor mance
概述
当前城市桥梁结构设计正面临的主要挑战之一就是业主和居民除了要求桥梁结构安全和耐久以外, 还要求通过快速施工来减少对周围交通的干扰、缩短阻塞时间、降低运输车辆和施工中产生的各种噪声等。这些要求的提出促进了工业化的节段拼装施工技术在城市桥梁建造中的应用。此外, 巨大的跨海峡桥梁工程, 有限的海上施工平台空间和海上复杂的气候条件等因素的限制, 也促进节段拼装施工技术的应用。
节段拼装有关技术研究和应用在我国相对较少, 已有的应用和研究主要集中在上部结构[1], 对于下部结构的实际应用工程界在借鉴国外的经验和技术的基础上, 目前正逐渐增多。节段拼装桥墩是将桥墩沿垂直方向、按一定模数分成若干块件, 如承台、柱、盖梁(墩帽) 等, 在桥址周围的预制场地上进行浇筑, 通过运输工具运到施工场地, 现场拼装。节段拼装桥墩技术比较适用于桥梁长度较长, 桥墩数量较多, 桥墩高度相 收稿日期:2007-07-16; 修订日期:2008-01-25
基金项目:国家自然科学基金项目(50508032)
作者简介:王志强(1971-) , 男, 副教授, 主要从事桥梁抗震研究. E 2mail:wangzhiq@t ongji . edu . cn
148地 震 工 程 与 工 程 振 动 第29卷对较高, 现场无混凝土搅拌站和施工场地, 混凝土输送管道设备较难布置的桥梁墩台的施工。节段拼装桥墩的主要特点是:工期短, 可以在预制场预制构件, 受周围外界干扰少, 但相对来说运输、起重机械设备要求较高。施工工序主要为预制构件、安装连接与混凝土填缝。其中拼装接缝是关键工序, 既要牢固、安全, 又要结构简单便于施工。
[2]欧美等国家自20世纪60年代就开始了大量预制拼装下部结构的工程应用, 图1(a ) 和(b ) 分别是为
节段拼装单柱桥墩(Chesapeake and Dela ware Canal B ridge ) 和节段拼装多柱桥墩(Lake Ray Hubbard B ridge ) 施工照片[3]。我国最近完成的较大的下部预制工程为北京积水潭桥试验工程和东海大桥, 正在进行的大型跨海跨江工程———杭州湾大桥和上海长江大桥工程等也都采用节段拼装桥墩的施工方案。其中北京积水潭桥试验工程中的五座桥梁为承插式预制钢筋混凝土柱, 柱顶预留钢筋同现浇后张预应力混凝土帽梁连成整体; 东海大桥海上段20多km 的梁桥, 桥墩墩身采用节段拼装施工(见图1(c ) ) , 上部结构采用大吨位整体吊装技术施工, 这些技术的采用确保了大桥在计划施工工期内顺利完成
。
图1 节段拼装桥梁实例
Fig . 1 Exa mp les of p recast seg mental bridge colu mn
接缝是节段拼装桥梁设计的关键, 主要原因是接缝会承受较大的力, 是更加容易破坏、劣化的部位。随着节段拼装施工技术在高地震危险区域的应用, 一个面临的重要技术问题就是采用这种技术施工的桥墩抗
[5-10][3, 11]震性能如何。这方面研究走在前面的有美国的德克萨斯州和华盛顿州的研究者, 其中美国预制桥
梁协会正在考虑将德州的成果作为预制下部结构构件的标准; 另外台湾地区的交通部门也刚刚批准了“预
[12]制节段桥墩结构耐震行为特性及应用时的相关设计之研究”的研究项目。我国目前这方面的研究还很
少, 为此, 本文从节段拼装桥墩的分类、力学特点、已有的试验研究和理论分析方法等方面进行综述, 并对亟待研究的问题和可能的解决方法进行展望, 以促进该技术在国内的应用。
1 节段拼装桥墩分类及其力学特征
节段拼装桥墩因构造方式不同, 其力学特性和常规现浇桥墩存在差异。按照接缝构造特点分类, 常用的拼装接头形式有:承插式、钢筋锚固、焊接、扣环式、法兰盘、后张预应力等, 其主要特点见表1。在这上述六种连接方式中, 方式2和方式3也称为“湿接缝”, 即这两种方式都需要临时支撑, 钢筋连接部位需通过后浇混凝土方式连接; 方式6与接缝填料有关, 可简称为“干接缝”或“胶接缝”。需要注意的是干接缝和胶接缝的纵筋在接缝处不连续, 与整体现浇的柱相比, 剪切强度会减小。
按照力学特性分类, 接缝类型有两种:(1) 整体接缝, 将预制节段设计成整体结构物, 如图2(a ) 。在设计上必须保证对接缝部分作慎重处理, 分析时可以假设成没有接缝的整体结构来考虑, 但是必须考虑接缝区域钢筋的连接(有时还有预应力筋) 和不同龄期混凝土的存在对结构整体性能的影响。由于有普通钢筋穿过接缝, 因而施工困难, 实现有难度。上述前五种接缝处理方式都属于该种特点的连接方式。我国建成的采用节段拼装桥墩方法施工的东海大桥引桥桥墩就是采用钢筋锚固接头方式的大型桥梁工程, 这也是目前国内外广泛采用的节段拼装桥墩的设计思路。(2) 分段接缝, 利用接缝的特点, 将桥墩设计成摇摆桥墩体系, 如图2(b ) 。该体系节段之间采用干接缝或胶接缝方式处理, 然后采用后张预应力的方式连接成整体。实际
第4期 王志强等:节段拼装桥墩抗震性能研究进展149工程中在抗震设防区采用满足摇摆体系的桥梁就是1981年通车的新西兰South Rangitikei 铁路高架桥, 其余工程基本位于低地震烈度区。
表1 常用的拼装接缝形式
Table 1 Configurati on of j oints
接缝名称承插式
钢筋锚固
焊接
扣环式
法兰盘
后张预应力构造特点将预制构件插入相应的承台预留孔内, 插入长度一般为1. 2～1. 5倍的构件宽度, 底部铺设2c m 砂浆, 四周以半干硬混凝土填充, 常用于立柱与基础的接头连接。构件上预留钢筋形成钢筋骨架, 插入另一构件的预留槽内, 或将钢筋互相焊接, 再灌注半干硬性混凝土, 多用于立柱与墩帽处的连接。将预埋在构件中的钢板与另一构件的预埋钢板用电焊连接, 外部再用混凝土封闭。这种接头易于调整误差, 多用于水平连接构件与立柱的连接。相互连接构件按预定位置预埋环式钢筋, 安装时柱脚先座落在承台的柱芯上, 上下环式钢筋互相错接, 扣环间插入U 形钢筋焊接, 立模浇注外侧接头混凝土。在相连接构件两端安装法兰盘, 连接时用法兰盘连接, 要求法兰盘预埋件位置必须与构件垂直, 接头处可以不用混凝土封闭。采用预应力钢铰线串联成整体, 在构件的拼接段上涂以环氧树脂水泥胶薄层, 在其硬化前合拢使拼接面接触密贴,
提高结构抗剪能力、整体刚度和不透水性。
2 节段拼装桥墩的试验研究, 哪种接缝形式、布筋方式的抗震性能更好, 此外还与哪些因素有
关值得试验研究。地震烈度区。, , , 抗震能力薄弱的
印象。但从目前国外已有的研究成果来看, 只要合理设
计, 节段拼装桥墩是可以具有良好的抗震性能的。如果
利用新材料、新构造思路、新设计理念, 节段拼装桥墩可
以获得比现浇桥墩更优异的抗震性能。下面就对目前
图2 不同构造类型的节段拼装桥墩的柱脚变形特征图这方面的主要试验研究工作进行介绍。
Fig . 2 Expected behavi or of connecti on 1997年,Mander 和Cheng 针对采用干接缝的无黏in different types of configurati on 接预应力桥墩抗震性能及其损坏后的加固性能进行了
[14]试验研究。塑性铰区域采用箍筋加密的方式, 墩与承台之间的界面各自预埋了76mm 厚的钢板。试验工况见表2。试验结果表明:侧向承载力和抗剪能力主要由重力和预应力筋中的预应力决定, 摇摆墩柱试验后[11]无损伤, 残余位移为零, 具有明显的自复位能力; 采用橡胶板的墩柱耗能能力增强, 但是随循环周数的增加, 耗能能力减弱; 采用这种构造方式的桥墩在强震后, 需要检查有效预应力大小, 必要时需补张拉预应力或更换预应力钢绞线。
表2 试验工况 2002年, 在加州交通部的资助下, He wes 和
Table 2 The l oading case of experi m ents Priestley 对4个大比例尺寸、采用胶接缝的节段
拼装混凝土桥墩试件进行了循环加载试验研
[15]究。试验研究参数有:预应力筋面积和初始预
应力大小、塑性铰区域套筒壁厚、柱的剪跨比等。
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工况编号1234
5加 载 特 点施加恒载采用不施加预应力的钢绞线施加恒载, 采用不施加预应力的钢绞线施加恒载, 采用不施加预应力的钢绞线, 墩底与承台交界面上布置橡胶垫层施加恒载, 采用施加一定预应力的钢绞线的方案。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; 采用无黏结预应
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
150地 震 工 程 与 工 程 振 动 第29卷筒约束节段试件的滞回性能增加较厚壁试件更快, 主要原因是薄壁套筒的约束程度小, 柱脚混凝土的压碎程度更高; 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错动, 剪力可以靠摩擦来有效传递。仅仅采用箍筋加密的方式虽可提高其延性性能, 但是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。周中哲等(2006) 改进了He wes 试验、进行了两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[16]。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大, 这样避免了He wes 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:这两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, 而且能绕最下面节段的上接缝转动, 在此基础上建立了具有两个塑性铰的墩柱的位移计算方法。
德克萨斯大学(奥斯汀) 的Fergus on 结构试验室研究人员进行了一项研究, 旨在提高中小跨径桥梁的施工效率、外观、耐久性, 缩短工期。该项研究最重要的研究成果之一是B illingt on 提出了适合在非抗震设防区的中小跨径规则桥梁下部结构的节段拼装体系
的预制拼装桥墩体系[10][7-9]。随后, B illingt on 在2004年建议了一种适合抗震区应用。该桥墩体系是通过无黏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。该复合材料的引入主要是弥补单纯预应力筋连接而导致的低耗能能力, 也使墩身塑性铰区域出现分散的细裂缝, 而不是集中的几条裂缝。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, 比较了采用延性纤维加劲水泥复合材料的桥墩体系与采用一般混凝土桥墩体系的差别。试验参数包括:长细比、接缝类型等, 。试验结果表明:该体系延性好, 耗能强, 残余位移小; , 长细比越大, 分散的裂缝出现越多; , 。但是该试验是小比例试验, 也有一些不足, , 。
。要真正对预制仍需进行大量的试验研究, 特别是我国。这方面的空白主要有:
(1) , 对湿接缝连接区域的纵筋锚固搭接、箍筋间距、预应力筋的布置需要进行试验研究。
(2) 实际工程对于较高单柱墩一般采用空心墩, 主要原因是空心截面可以减小自重, 降低水化热、降低造价、减小收缩徐变、节省成本等。但是空心截面的约束效果不好, 会发生向内破碎; 在截面宽厚比较大时会出现局部屈曲; 震后空心截面内部的损伤不易检查。因而对于节段拼装空心截面桥墩抗震性能需进一步研究, 确认已有成果的适用性和自身地震响应的特殊性。
(3) 振动台试验得到的地震响应特性和震后的残余塑性变形的大小等, 比循环加载试验和拟动力试验更能反映实际。因此, 需要通过振动台试验研究节段拼装预应力桥墩在实际地震下的抗震性能、为修正所建立的理论模型和计算方法提供基准试验数据。
3 节段拼装桥墩的理论研究
钢筋混凝桥墩的理论分析方法有解析方法、纤维模型、钢筋混凝土实体有限元模型三类, 其中解析方法只能从宏观上反映结构在弹性和极限状态时的性能; 纤维模型分析方法也只能从宏观上反映结构的变形发展过程和构件中混凝土的开裂压碎及钢筋的屈服。而实体有限元方法除了具有上述两种方法的功能外, 还可以反映构件细部的受力变形过程, 特别是描述混凝土裂缝的形成和扩展, 适合较复杂的结构的受力分析, 但是该方法目前存在的问题较多, 如计算效率较低, 算法不稳定等, 仍需进一步研究。对于采用干接缝和胶接缝连接的节段拼装墩进行理论分析的难点主要是预应力筋和接缝区域力学特性的模拟。下面就国内外对节段拼装桥墩的理论分析给予评述, 并对存在的不足和进一步研究内容给予说明。
3. 1 解析方法
解析方法是指通过公式推导得到重力和水平地震荷载作用下, 墩顶荷载-位移骨架曲线的方法。该方法突出的优点是可以直接用于设计公式的确定。推导时采用的假设包括:平面变形假设, 预应力筋保持弹性, 不考虑可能产生的钢筋黏结锚固失效等。以He wes 对于干接缝节段拼装单柱桥墩墩顶荷载位移骨架曲线的推导为例(图3) ,
第4期 王志强等:节段拼装桥墩抗震性能研究进展151分析时首先进行受力分析, 确定影响荷载位移骨架曲线的因素有地震力E 、竖向恒载P 、初始预应力F si 、变形过程中的预应力增量ΔF s 、关键截面混凝土的纵向压应变分布和中性轴高度c 。然后确定特征状态点对应的荷载和位移, 采用干接缝连接的节段拼装单柱墩有三个特征状态:(1) 柱脚受拉侧承受预压力的纤维首次出现零应变状态, 此时受拉侧边缘纤维压应变为零, 中性轴高度等于截面高度; (2) 柱脚裂缝扩展到截面高度的一半, 此时中性轴的高度等于截面高度的一半; (3) 预应力筋首次达到屈服状态, 在状态2到状态3之间, 中性轴高度小于截面高度的一半。随着中性轴高度进一步降低, 预应力筋开始伸长, 预应力筋应力慢慢增加, 直至进入屈服, 达到状态3。最后对每个阶段进行弯矩曲率分析, 然后转化为荷载位移曲线。在特征状态2之前, 由于不考虑混凝土受拉对截面弯矩的贡献, 其截面弯矩曲率的确定方法与传统钢筋混凝土理论相同。但状态2之后, 无黏结预应力筋预加力会一直变化, 因而需要通过对混凝土纤维的应变、中性轴高度和预应力三个因素进行反复迭代, 来确定无黏结预应力混
[15]凝土柱关键截面的弯矩曲率关系。
与此相关的情况是, 1990年美国启动了预
制抗震结构体系(PRESSS ) 研究项目, 开展在建
筑结构中采用预制混凝土剪力墙作为主要抗震
[17]结构的研究。该体系与采用干接缝连接的预
制拼装单柱桥墩类似, 采用无黏结预应力筋将预
制墙板连接成整体。为了弥补该体系耗能能力
低的不足, 在各个节段之间存在竖缝处埋置耗能
装置。Feli pe J. Perez 研究了纵向接缝用延性
接头、基础横向接缝用无黏结预应力钢筋连接的
预制混凝土墙板的抗震设计, 得到的预制拼装剪
。同时
, 建立了
该体系剪力墙的抗震设计方法。
表3 预制拼装剪力墙在水平地震荷载递增情况下的极限状态
Table 3 L i m it states of p recast concrete wall under the incremental seis m ic l oading
极限状态
(1) 消压状态
(2) 刚度软化
(3) 预应力筋屈服
(4) 基底最大剪切能力
(5) 预应力损失
(6) 约束混凝土压碎
(7) 预应力筋的断裂[18]图3 预制桥墩在关键状态的响应[15]Fig . 3 Precast colu mn at key stages of res ponse 状态特征受拉侧墙角产生的预压力减少至零, 接缝开始张开。受压混凝土将进入非线性状态, 侧向刚度会出现转折点, 该点以后侧向刚度软化。预应力筋达到屈服应变。该极限状态受墙的抗弯能力控制, 而不是基底剪切滑移控制。在加载过程中, 如果预应力进入屈服阶段, 则再卸载时就会发生预应力损失。混凝土剪力墙的期望的破坏形式就是墙角约束混凝土受压破坏。当混凝土压应变超过极限压应变时, 约束混凝土发生破碎, 墙的竖向和侧向承载能力就会严重损失。预应力筋的应变达到最大拉伸应变, 预应力筋就会断裂, 预应力筋一旦断裂, 墙的侧向承载能力和自回复能力就会丧失。
3. 2 纤维模型法
纤维单元模型早期是基于力法, 现在一般基于位移法的弹塑性纤维梁单元。弹塑性纤维梁单元的基本假定有:小变形假定、平截面假定、同一弹塑性纤维梁单元中截面形状和材料均相同、钢筋与混凝土之间的粘结滑移忽略不计。弹塑性纤维梁单元沿轴向被划分成许多段, 每一段的特性由中间横断面(或切片) 来代表, 而该横截面又进一步被离散成许多纤维。同一截面的不同纤维可以具有不同的材料特性。弹塑性纤维梁单元的刚度是先利用平截面假定和材料的应力-应变关系计算出各截面的弯曲刚度, 再沿单元长度积分得到的。美国加州大学伯克利分校开发的有限元分析软件OpenSees 可较好地实现纤维模型分析方法。
在应用纤维模型分析方法时, 对于有黏结的预应力钢筋混凝土柱, 预应力筋和截面中其他部分保持平截面假定, 因此将有黏结预应力钢筋视为与普通钢筋类似的方式存在于纤维模型中, 预应力筋的初始预应力以初应变的方式施加在预应力筋纤维中; 对于无黏结预应力混凝土柱, 由于无黏结预应力筋的存在, 在模拟时
152地 震 工 程 与 工 程 振 动 第29卷应将其视为一个结构体系, 采用纤维单元模拟截面中除预应力筋外的钢筋混凝土部分, 采用弹簧模拟无黏结预应力钢筋。预应力钢筋沿受力方向按实际尺寸定位, 而沿垂直于受力方向则可以采用合并面积的方式简化。无黏结预应力筋中的预应力大小也采用初应变的方式赋给模拟预应力筋的弹簧单元。
对节段拼装桥墩进行模拟的另一个重要方面是采用合适的方式来代表接缝区域的力学特征。目前主要有两种方式:第一种是修改接缝区域相应钢筋和混凝土的应力应变关系, 使接缝的变形集中在交界面上侧的变形[17][11]; 第二种是忽略没有贯穿接缝的钢筋等参与受力的因素, 将实际接缝的集中变形处理为分散于整个构件受拉。
[3]David G . H ieber 和Jonathan M. W acker 在德克萨斯州研究成果的基础上, 与当地的业主和预制商进行
了详细的讨论, 全面总结了预制混凝土桥墩的关键问题, 在此基础上从施工角度提出了两种节段拼装双柱墩方案。一个是采用普通钢筋连接的预制框架桥墩系统:该系统在预制混凝土节段之间采用普通钢筋连接, 提供柱的弯曲刚度。另一个是混合方式连接的预制框架桥墩系统:该系统在节段间同时采用无黏结预应力筋和普通钢筋连接, 提供必须的抗弯刚度和强度。然后基于OpenSees 的纤维模型进行推倒分析和时程分析研究了这两种体系的反应, 其中时程分析中采用了两种水平的输入:峰值加速度为50年10%的5个地面运动输入和峰值加速度为50年2%的5个地面运动输入。参数分析对象包括36个普通钢筋连接的预制框架桥墩系统和57个混合方式连接的预制框架桥墩系统, 总共进行了930种工况的地震分析。基于截面开裂刚度和基底剪切强度比提出了最大地震位移的实用计算方法。研究表明:混合方式连接系统的残余位移特别低。在相同轴压比和总配筋率时, 两者位移延性能力特别相近。两种系统均具有较好的抗震能力, 但需要进一步研究连接细节。
与此相关的研究情况仍是上述预制拼装剪力墙的研究[], 程序的纤维单元分析参数分析。, 。对于接缝, 。
基于OpenSees , 可以完成推倒分析、拟静力分析、非线性时程分析等一系列分析, 研究表明纤维模型方法可以对拟静力分析下的总体荷载位移滞回曲线包括拟静力残余位移进行准确预测, 可以对非线性时程的总体位移、墩底剪力进行预测, 但目前还不能对动力反应下残余位移以及接缝行为进行较准确的计算。
3. 3 实体单元方法
钢筋混凝土实体有限元发展已有40多年的历史, 理论上该分析方法可充分考虑混凝土的非线性、预应力筋的作用和节缝的力学特征。采用实体有限单元法进行钢筋混凝土结构的分析, 需要对混凝土的应力应变关系和破坏理论以及骨料咬合、钢筋和混凝土之间的黏结滑移关系等作出基本假定。这方面的实验研究多数是考虑单向荷载的情况, 不能直接应用于有限元分析所面临的复杂应力问题, 但据此提出的多种多样的模型和公式, 使材料模式更加符合实际, 从而推动了钢筋混凝土有限单元法的发展和应用。在混凝土变形和强度特性研究方面, 已由平面问题发展到三维空间问题, 由拉压及压压状态发展到三向受压、三向拉压等状态。混凝土本构关系是指混凝土在多种荷载作用下的应力应变关系的某种表达式。对混凝土结构进行有限元分析, 产生的误差主要来源是所选用的混凝土本构模型不能很好地描述材料的本构行为, 因此对混凝土本构关系进行更深入更精确的研究显得很有必要。迄今为止, 凡是在连续介质力学中发展起来的各种理论都已被用作建立混凝土本构模型的理论依据。由于混凝土材料性质的复杂性, 迄今为止, 还没有哪一种理论已被公认为是对混凝土材料本构关系的完美描述。
按照建立模型维数的不同, 有限元分析方法分为平面单元模型和三维实体单元模型。平面单元模型适用于可简化为平面应力问题的结构的分析, 三维实体有限元是通用的有限元方法, 理论上可以用于所有结构的分析。下面以平面应力问题为例, 说明实体单元模型分析结构时对于各个组成部分的处理。在平面问题中, 混凝土可划分为三角形或四边形单元, 钢筋和预应力钢筋可划分为三角形或四边形单元。考虑到钢筋和预应力钢筋是一种细长材料, 通常可以忽略其横向抗剪作用, 这样, 可以将其作为线形单元来处理。如此处理, 可以大大减少单元数目, 并且可以避免因钢筋单元划分过细而在钢筋和混凝土的交界处用很多的过渡单元。在分离式模型中, 钢筋和混凝土之间、有黏结预应力钢筋和灌浆料之间可以插入联结单元来模拟可能产
第4期 王志强等:节段拼装桥墩抗震性能研究进展153生的黏结和滑移; 而对于无黏结钢筋和周围混凝土之间只是考虑横向的约束, 轴向可以自由滑动。这一点是组合式或整体式无法实现的。若钢筋和混凝土之间黏结很好, 不会有相对滑移, 则两者之间可视为刚性联结, 这时也可不用联结单元。对于存在干接缝的情况, 可以采用接触单元模拟, 也可采用可以代表其力学行为的弹簧来代替。
K wan 和B illingt on 在2003年基于D I A NA 有限元方法建立了建议的预制拼装桥墩体系的平面单元模型, 分析了无黏结预应力混凝土桥墩的抗震性能。单调加载分析主要是分析系统的刚度、强度、延性和极限状态; 循环加载分析主要分析体系的耗能能力、残余位移和总体滞回能力。在分析中, 没有考虑节缝及节缝间的剪切滑移等影响, 也没有对节段拼装预应力混凝土桥墩的破坏模式和相应的破坏机理进行研究。研究对象中无黏结预应力筋分散布置, 对于接缝张开前的状态可进行较准确反映, 但无法反映可能发生的接缝开
[5-6]裂对研究对象力学行为的影响。
三维实体单元模型是对结构精细分析采用的方法。但目前这方面的研究在本构关系、裂缝模型上有待突破, 而且计算效率很低, 该方法还在发展过程之中。基于ABAQUS 和ANATECH 公司开发的材料本构模型方面的研究是目前较为成功的典型。San Francisco -Oakland 海湾大桥在设计时, 为了提高对混凝土的约束作用, 采用了异型墩构造形式。1999年, Eric M. H ines 等以它为原型, 并将模型简化成哑铃形, 进行了拟静力试验研究。试件被设计成弯曲试件和剪切试件两组。同时采用三维实体有限元方法进行了模拟分析, 分析时采用的是基于ABAQUS 和ANATECH 公司开发的材料本构模型。计算得到的总体荷载位移滞回曲
[19]线与试验结果吻合良好。目前针对节段拼装桥墩进行三维实体单元分析的研究还未见报道。
下面结合本研究小组采用三维实体单元分析节段拼
[20]装桥墩方面进行初步的分析研究尝试, 介绍对其中的
预应力筋和接缝的处理特点。采用通用有限元软件2
[16]SYS 对周中哲试验较, 。试件中预应力筋为无黏结预
应力筋, 只受拉不能承受压力。采用L ink10来模拟无黏
结预应力筋。初始张拉力用L ink10单元的初应变来模
拟。在各个节段之间的接缝部位存在接触现象, 采用接
触单元模拟。图4 有限元分析与试验得到的滞回曲线比较Fig . 4Comparis on of hysteresis l oop s bet w een finite element analysis and experi m ental results
图4给出了荷载位移滞回曲线的比较, 可以看出两者的荷载位移骨架曲线在较大变形范围内吻合较好, 残余位移和耗能能力的变化趋势也是一致的, 但是接近破坏时的分析与试验差异有所增大, 主要原因估计是混凝土应力应变关系假设导致加卸载路径在接近破坏时与实际情况有差异所致。通过与试验结果的比较, 可知本文分析模型的计算结果从总体上把握了这类构件的主要力学特性。
尽管钢筋混凝土非线性有限元方法在理论方面取得了长足的发展, 但是仍有一些问题尚待深入研究解决, 这主要表现在以下几个方面:(1) 混凝土的材料本构关系, 特别是动力本构关系, 由于在复杂应力状态下的实验数据还不够充分, 加上试验方法不同, 混凝土材料性质在很大幅度内波动, 所以已有的各种本构关系模型对同一结构的计算结果差异较大, 说明本构关系模型, 特别是三维本构关系尚待进一步完善。(2) 数值方法的计算精度, 钢筋混凝土的非线性因素很多, 为此需要引入不少参数, 有的难以靠材料试验确定, 有的由于混凝土材料本身的复杂性和离散性或裂缝形成开裂机理尚不清楚, 提供的参数也给分析结果带来较大误差。另外, 网格划分的疏密也给开裂区分析带来较大的影响。
4 结语和展望
下部结构节段拼装施工技术已经在我国跨海大桥建设中获得了成功应用。从世界范围来看, 下部结构节段拼装施工技术在处理好预应力筋防腐问题的前提下, 在正常使用状态下运行良好。但是对于采用节段拼装施工技术的桥墩, 其抗震性能如何, 目前仍缺乏系统的研究。这已成为困扰桥梁设计工程师和业主的技术难题, 从而限制了该技术在我国桥梁建设中的运用。而我国正处于大规模交通建设时期, 城市高架和跨海
154地 震 工 程 与 工 程 振 动 第29卷桥墩等正是下部结构节段拼装施工技术的适用领域。因此开展节段拼装预应力混凝土桥梁抗震性能及其影响因素的研究, 是急需解决的工程实际问题, 对于促进节段拼装的预应力混凝土桥墩的应用, 巩固我国在桥梁建设中的领先地位, 积极推动我国桥梁建设事业等方面具有重要的理论意义和实际应用价值。
上面对节段拼装桥墩的应用、分类、力学特性、试验研究和理论研究方面的进展情况进行了综述和比较, 并指出了存在问题和不足, 结合我国当前的情况, 在节段拼装桥墩技术方面尚需开展以下研究:
(1) 我国目前对节段拼装预应力混凝土桥墩的抗震性能尚缺乏系统研究, 应对影响节段拼装预应力混凝土桥墩抗震性能的各种因素, 如接缝构造特点、预应力筋的布置形式、数量、预应力的大小、潜在塑性区域的约束构造等开展系统的试验和理论分析研究。
(2) 节段拼装预应力混凝土桥墩结构尚未遭受实际地震的考验, 其抗震性能为何, 震后的损伤情况, 自复位能力怎样还没有得到直接的验证, 因此, 尚需开展大比例尺节段拼装预应力混凝土结构的实时拟动力试验和振动台试验研究。
(3) 从新材料、施工工艺、构件抗震性能、耐久性和经济性等角度探询和研究新的更加合理的节段拼装预应力混凝土桥墩的构造。
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第29卷第4期地 震 工 程 与 工 程 振 动 2009年8月 JOURNAL OF E ARTHQUAKE E NGI N EER I N G AND E NGI N EER I N G V I B RATI O N Vol . 29No . 4 Aug . 2009文章编号:1000-1301(2009) 04-0147-08
节段拼装桥墩抗震性能研究进展
王志强, 葛继平, 魏红一, 刘 丰1211
(1. 同济大学桥梁工程系, 上海200092; 2. 上海应用技术学院土木建筑与安全工程学院, 上海200235)
摘 要:预制拼装桥墩由于其良好的力学性能和施工优势, 在国外曾有不少工程实践和研究。但是
国内针对节段拼装桥墩抗震性能的研究还是空白, 明显滞后于工程实践, 不能满足工程建设的需要。
因此, 本文对节段拼装桥墩的应用、接缝分类及其力学特性、试验研究和理论研究方面的情况进行了
总结, 并指出了存在问题和进一步研究的方向。
关键词:节段拼装; 快速施工; 桥墩; 抗震性能
中图分类号:U443. 22; P315195212 文献标志码:A
Recen t developm en t i n se is m i c of m colu mn s
WANG , E I , 11
(11Depart 200092, China; 21School of Safety and
I nstitute of Technol ogy, Shanghai 200235, China )
Abstract:Precast concrete seg mental bridge p iers have been studied and designed at abr oad f or excellent mechani 2cal characteristics and p ractical advantages in constructi on . W hile fe w works have been done for the seis m ic per 2for mance of the m at home 1The research falls behind the app licati on and could not satisfy the de mands of app lica 2ti on . The main as pects of seis m ic research on seg mental bridge colu mns are revie wed, including the app licati on at home, the kinds of j oints and their mechanical behavi or, and the experi m ental and analytical research . Some rec 2ommendati ons for future research on seis m ic perfor mance of the p recast concrete seg mental syste m are offered . Key words:p recast seg mental; rap id constructi on; bridge column; seis m ic perfor mance
概述
当前城市桥梁结构设计正面临的主要挑战之一就是业主和居民除了要求桥梁结构安全和耐久以外, 还要求通过快速施工来减少对周围交通的干扰、缩短阻塞时间、降低运输车辆和施工中产生的各种噪声等。这些要求的提出促进了工业化的节段拼装施工技术在城市桥梁建造中的应用。此外, 巨大的跨海峡桥梁工程, 有限的海上施工平台空间和海上复杂的气候条件等因素的限制, 也促进节段拼装施工技术的应用。
节段拼装有关技术研究和应用在我国相对较少, 已有的应用和研究主要集中在上部结构[1], 对于下部结构的实际应用工程界在借鉴国外的经验和技术的基础上, 目前正逐渐增多。节段拼装桥墩是将桥墩沿垂直方向、按一定模数分成若干块件, 如承台、柱、盖梁(墩帽) 等, 在桥址周围的预制场地上进行浇筑, 通过运输工具运到施工场地, 现场拼装。节段拼装桥墩技术比较适用于桥梁长度较长, 桥墩数量较多, 桥墩高度相 收稿日期:2007-07-16; 修订日期:2008-01-25
基金项目:国家自然科学基金项目(50508032)
作者简介:王志强(1971-) , 男, 副教授, 主要从事桥梁抗震研究. E 2mail:wangzhiq@t ongji . edu . cn
148地 震 工 程 与 工 程 振 动 第29卷对较高, 现场无混凝土搅拌站和施工场地, 混凝土输送管道设备较难布置的桥梁墩台的施工。节段拼装桥墩的主要特点是:工期短, 可以在预制场预制构件, 受周围外界干扰少, 但相对来说运输、起重机械设备要求较高。施工工序主要为预制构件、安装连接与混凝土填缝。其中拼装接缝是关键工序, 既要牢固、安全, 又要结构简单便于施工。
[2]欧美等国家自20世纪60年代就开始了大量预制拼装下部结构的工程应用, 图1(a ) 和(b ) 分别是为
节段拼装单柱桥墩(Chesapeake and Dela ware Canal B ridge ) 和节段拼装多柱桥墩(Lake Ray Hubbard B ridge ) 施工照片[3]。我国最近完成的较大的下部预制工程为北京积水潭桥试验工程和东海大桥, 正在进行的大型跨海跨江工程———杭州湾大桥和上海长江大桥工程等也都采用节段拼装桥墩的施工方案。其中北京积水潭桥试验工程中的五座桥梁为承插式预制钢筋混凝土柱, 柱顶预留钢筋同现浇后张预应力混凝土帽梁连成整体; 东海大桥海上段20多km 的梁桥, 桥墩墩身采用节段拼装施工(见图1(c ) ) , 上部结构采用大吨位整体吊装技术施工, 这些技术的采用确保了大桥在计划施工工期内顺利完成
。
图1 节段拼装桥梁实例
Fig . 1 Exa mp les of p recast seg mental bridge colu mn
接缝是节段拼装桥梁设计的关键, 主要原因是接缝会承受较大的力, 是更加容易破坏、劣化的部位。随着节段拼装施工技术在高地震危险区域的应用, 一个面临的重要技术问题就是采用这种技术施工的桥墩抗
[5-10][3, 11]震性能如何。这方面研究走在前面的有美国的德克萨斯州和华盛顿州的研究者, 其中美国预制桥
梁协会正在考虑将德州的成果作为预制下部结构构件的标准; 另外台湾地区的交通部门也刚刚批准了“预
[12]制节段桥墩结构耐震行为特性及应用时的相关设计之研究”的研究项目。我国目前这方面的研究还很
少, 为此, 本文从节段拼装桥墩的分类、力学特点、已有的试验研究和理论分析方法等方面进行综述, 并对亟待研究的问题和可能的解决方法进行展望, 以促进该技术在国内的应用。
1 节段拼装桥墩分类及其力学特征
节段拼装桥墩因构造方式不同, 其力学特性和常规现浇桥墩存在差异。按照接缝构造特点分类, 常用的拼装接头形式有:承插式、钢筋锚固、焊接、扣环式、法兰盘、后张预应力等, 其主要特点见表1。在这上述六种连接方式中, 方式2和方式3也称为“湿接缝”, 即这两种方式都需要临时支撑, 钢筋连接部位需通过后浇混凝土方式连接; 方式6与接缝填料有关, 可简称为“干接缝”或“胶接缝”。需要注意的是干接缝和胶接缝的纵筋在接缝处不连续, 与整体现浇的柱相比, 剪切强度会减小。
按照力学特性分类, 接缝类型有两种:(1) 整体接缝, 将预制节段设计成整体结构物, 如图2(a ) 。在设计上必须保证对接缝部分作慎重处理, 分析时可以假设成没有接缝的整体结构来考虑, 但是必须考虑接缝区域钢筋的连接(有时还有预应力筋) 和不同龄期混凝土的存在对结构整体性能的影响。由于有普通钢筋穿过接缝, 因而施工困难, 实现有难度。上述前五种接缝处理方式都属于该种特点的连接方式。我国建成的采用节段拼装桥墩方法施工的东海大桥引桥桥墩就是采用钢筋锚固接头方式的大型桥梁工程, 这也是目前国内外广泛采用的节段拼装桥墩的设计思路。(2) 分段接缝, 利用接缝的特点, 将桥墩设计成摇摆桥墩体系, 如图2(b ) 。该体系节段之间采用干接缝或胶接缝方式处理, 然后采用后张预应力的方式连接成整体。实际
第4期 王志强等:节段拼装桥墩抗震性能研究进展149工程中在抗震设防区采用满足摇摆体系的桥梁就是1981年通车的新西兰South Rangitikei 铁路高架桥, 其余工程基本位于低地震烈度区。
表1 常用的拼装接缝形式
Table 1 Configurati on of j oints
接缝名称承插式
钢筋锚固
焊接
扣环式
法兰盘
后张预应力构造特点将预制构件插入相应的承台预留孔内, 插入长度一般为1. 2～1. 5倍的构件宽度, 底部铺设2c m 砂浆, 四周以半干硬混凝土填充, 常用于立柱与基础的接头连接。构件上预留钢筋形成钢筋骨架, 插入另一构件的预留槽内, 或将钢筋互相焊接, 再灌注半干硬性混凝土, 多用于立柱与墩帽处的连接。将预埋在构件中的钢板与另一构件的预埋钢板用电焊连接, 外部再用混凝土封闭。这种接头易于调整误差, 多用于水平连接构件与立柱的连接。相互连接构件按预定位置预埋环式钢筋, 安装时柱脚先座落在承台的柱芯上, 上下环式钢筋互相错接, 扣环间插入U 形钢筋焊接, 立模浇注外侧接头混凝土。在相连接构件两端安装法兰盘, 连接时用法兰盘连接, 要求法兰盘预埋件位置必须与构件垂直, 接头处可以不用混凝土封闭。采用预应力钢铰线串联成整体, 在构件的拼接段上涂以环氧树脂水泥胶薄层, 在其硬化前合拢使拼接面接触密贴,
提高结构抗剪能力、整体刚度和不透水性。
2 节段拼装桥墩的试验研究, 哪种接缝形式、布筋方式的抗震性能更好, 此外还与哪些因素有
关值得试验研究。地震烈度区。, , , 抗震能力薄弱的
印象。但从目前国外已有的研究成果来看, 只要合理设
计, 节段拼装桥墩是可以具有良好的抗震性能的。如果
利用新材料、新构造思路、新设计理念, 节段拼装桥墩可
以获得比现浇桥墩更优异的抗震性能。下面就对目前
图2 不同构造类型的节段拼装桥墩的柱脚变形特征图这方面的主要试验研究工作进行介绍。
Fig . 2 Expected behavi or of connecti on 1997年,Mander 和Cheng 针对采用干接缝的无黏in different types of configurati on 接预应力桥墩抗震性能及其损坏后的加固性能进行了
[14]试验研究。塑性铰区域采用箍筋加密的方式, 墩与承台之间的界面各自预埋了76mm 厚的钢板。试验工况见表2。试验结果表明:侧向承载力和抗剪能力主要由重力和预应力筋中的预应力决定, 摇摆墩柱试验后[11]无损伤, 残余位移为零, 具有明显的自复位能力; 采用橡胶板的墩柱耗能能力增强, 但是随循环周数的增加, 耗能能力减弱; 采用这种构造方式的桥墩在强震后, 需要检查有效预应力大小, 必要时需补张拉预应力或更换预应力钢绞线。
表2 试验工况 2002年, 在加州交通部的资助下, He wes 和
Table 2 The l oading case of experi m ents Priestley 对4个大比例尺寸、采用胶接缝的节段
拼装混凝土桥墩试件进行了循环加载试验研
[15]究。试验研究参数有:预应力筋面积和初始预
应力大小、塑性铰区域套筒壁厚、柱的剪跨比等。
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工况编号1234
5加 载 特 点施加恒载采用不施加预应力的钢绞线施加恒载, 采用不施加预应力的钢绞线施加恒载, 采用不施加预应力的钢绞线, 墩底与承台交界面上布置橡胶垫层施加恒载, 采用施加一定预应力的钢绞线的方案。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; 采用无黏结预应
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
150地 震 工 程 与 工 程 振 动 第29卷筒约束节段试件的滞回性能增加较厚壁试件更快, 主要原因是薄壁套筒的约束程度小, 柱脚混凝土的压碎程度更高; 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错动, 剪力可以靠摩擦来有效传递。仅仅采用箍筋加密的方式虽可提高其延性性能, 但是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。周中哲等(2006) 改进了He wes 试验、进行了两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[16]。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大, 这样避免了He wes 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:这两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, 而且能绕最下面节段的上接缝转动, 在此基础上建立了具有两个塑性铰的墩柱的位移计算方法。
德克萨斯大学(奥斯汀) 的Fergus on 结构试验室研究人员进行了一项研究, 旨在提高中小跨径桥梁的施工效率、外观、耐久性, 缩短工期。该项研究最重要的研究成果之一是B illingt on 提出了适合在非抗震设防区的中小跨径规则桥梁下部结构的节段拼装体系
的预制拼装桥墩体系[10][7-9]。随后, B illingt on 在2004年建议了一种适合抗震区应用。该桥墩体系是通过无黏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。该复合材料的引入主要是弥补单纯预应力筋连接而导致的低耗能能力, 也使墩身塑性铰区域出现分散的细裂缝, 而不是集中的几条裂缝。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, 比较了采用延性纤维加劲水泥复合材料的桥墩体系与采用一般混凝土桥墩体系的差别。试验参数包括:长细比、接缝类型等, 。试验结果表明:该体系延性好, 耗能强, 残余位移小; , 长细比越大, 分散的裂缝出现越多; , 。但是该试验是小比例试验, 也有一些不足, , 。
。要真正对预制仍需进行大量的试验研究, 特别是我国。这方面的空白主要有:
(1) , 对湿接缝连接区域的纵筋锚固搭接、箍筋间距、预应力筋的布置需要进行试验研究。
(2) 实际工程对于较高单柱墩一般采用空心墩, 主要原因是空心截面可以减小自重, 降低水化热、降低造价、减小收缩徐变、节省成本等。但是空心截面的约束效果不好, 会发生向内破碎; 在截面宽厚比较大时会出现局部屈曲; 震后空心截面内部的损伤不易检查。因而对于节段拼装空心截面桥墩抗震性能需进一步研究, 确认已有成果的适用性和自身地震响应的特殊性。
(3) 振动台试验得到的地震响应特性和震后的残余塑性变形的大小等, 比循环加载试验和拟动力试验更能反映实际。因此, 需要通过振动台试验研究节段拼装预应力桥墩在实际地震下的抗震性能、为修正所建立的理论模型和计算方法提供基准试验数据。
3 节段拼装桥墩的理论研究
钢筋混凝桥墩的理论分析方法有解析方法、纤维模型、钢筋混凝土实体有限元模型三类, 其中解析方法只能从宏观上反映结构在弹性和极限状态时的性能; 纤维模型分析方法也只能从宏观上反映结构的变形发展过程和构件中混凝土的开裂压碎及钢筋的屈服。而实体有限元方法除了具有上述两种方法的功能外, 还可以反映构件细部的受力变形过程, 特别是描述混凝土裂缝的形成和扩展, 适合较复杂的结构的受力分析, 但是该方法目前存在的问题较多, 如计算效率较低, 算法不稳定等, 仍需进一步研究。对于采用干接缝和胶接缝连接的节段拼装墩进行理论分析的难点主要是预应力筋和接缝区域力学特性的模拟。下面就国内外对节段拼装桥墩的理论分析给予评述, 并对存在的不足和进一步研究内容给予说明。
3. 1 解析方法
解析方法是指通过公式推导得到重力和水平地震荷载作用下, 墩顶荷载-位移骨架曲线的方法。该方法突出的优点是可以直接用于设计公式的确定。推导时采用的假设包括:平面变形假设, 预应力筋保持弹性, 不考虑可能产生的钢筋黏结锚固失效等。以He wes 对于干接缝节段拼装单柱桥墩墩顶荷载位移骨架曲线的推导为例(图3) ,
第4期 王志强等:节段拼装桥墩抗震性能研究进展151分析时首先进行受力分析, 确定影响荷载位移骨架曲线的因素有地震力E 、竖向恒载P 、初始预应力F si 、变形过程中的预应力增量ΔF s 、关键截面混凝土的纵向压应变分布和中性轴高度c 。然后确定特征状态点对应的荷载和位移, 采用干接缝连接的节段拼装单柱墩有三个特征状态:(1) 柱脚受拉侧承受预压力的纤维首次出现零应变状态, 此时受拉侧边缘纤维压应变为零, 中性轴高度等于截面高度; (2) 柱脚裂缝扩展到截面高度的一半, 此时中性轴的高度等于截面高度的一半; (3) 预应力筋首次达到屈服状态, 在状态2到状态3之间, 中性轴高度小于截面高度的一半。随着中性轴高度进一步降低, 预应力筋开始伸长, 预应力筋应力慢慢增加, 直至进入屈服, 达到状态3。最后对每个阶段进行弯矩曲率分析, 然后转化为荷载位移曲线。在特征状态2之前, 由于不考虑混凝土受拉对截面弯矩的贡献, 其截面弯矩曲率的确定方法与传统钢筋混凝土理论相同。但状态2之后, 无黏结预应力筋预加力会一直变化, 因而需要通过对混凝土纤维的应变、中性轴高度和预应力三个因素进行反复迭代, 来确定无黏结预应力混
[15]凝土柱关键截面的弯矩曲率关系。
与此相关的情况是, 1990年美国启动了预
制抗震结构体系(PRESSS ) 研究项目, 开展在建
筑结构中采用预制混凝土剪力墙作为主要抗震
[17]结构的研究。该体系与采用干接缝连接的预
制拼装单柱桥墩类似, 采用无黏结预应力筋将预
制墙板连接成整体。为了弥补该体系耗能能力
低的不足, 在各个节段之间存在竖缝处埋置耗能
装置。Feli pe J. Perez 研究了纵向接缝用延性
接头、基础横向接缝用无黏结预应力钢筋连接的
预制混凝土墙板的抗震设计, 得到的预制拼装剪
。同时
, 建立了
该体系剪力墙的抗震设计方法。
表3 预制拼装剪力墙在水平地震荷载递增情况下的极限状态
Table 3 L i m it states of p recast concrete wall under the incremental seis m ic l oading
极限状态
(1) 消压状态
(2) 刚度软化
(3) 预应力筋屈服
(4) 基底最大剪切能力
(5) 预应力损失
(6) 约束混凝土压碎
(7) 预应力筋的断裂[18]图3 预制桥墩在关键状态的响应[15]Fig . 3 Precast colu mn at key stages of res ponse 状态特征受拉侧墙角产生的预压力减少至零, 接缝开始张开。受压混凝土将进入非线性状态, 侧向刚度会出现转折点, 该点以后侧向刚度软化。预应力筋达到屈服应变。该极限状态受墙的抗弯能力控制, 而不是基底剪切滑移控制。在加载过程中, 如果预应力进入屈服阶段, 则再卸载时就会发生预应力损失。混凝土剪力墙的期望的破坏形式就是墙角约束混凝土受压破坏。当混凝土压应变超过极限压应变时, 约束混凝土发生破碎, 墙的竖向和侧向承载能力就会严重损失。预应力筋的应变达到最大拉伸应变, 预应力筋就会断裂, 预应力筋一旦断裂, 墙的侧向承载能力和自回复能力就会丧失。
3. 2 纤维模型法
纤维单元模型早期是基于力法, 现在一般基于位移法的弹塑性纤维梁单元。弹塑性纤维梁单元的基本假定有:小变形假定、平截面假定、同一弹塑性纤维梁单元中截面形状和材料均相同、钢筋与混凝土之间的粘结滑移忽略不计。弹塑性纤维梁单元沿轴向被划分成许多段, 每一段的特性由中间横断面(或切片) 来代表, 而该横截面又进一步被离散成许多纤维。同一截面的不同纤维可以具有不同的材料特性。弹塑性纤维梁单元的刚度是先利用平截面假定和材料的应力-应变关系计算出各截面的弯曲刚度, 再沿单元长度积分得到的。美国加州大学伯克利分校开发的有限元分析软件OpenSees 可较好地实现纤维模型分析方法。
在应用纤维模型分析方法时, 对于有黏结的预应力钢筋混凝土柱, 预应力筋和截面中其他部分保持平截面假定, 因此将有黏结预应力钢筋视为与普通钢筋类似的方式存在于纤维模型中, 预应力筋的初始预应力以初应变的方式施加在预应力筋纤维中; 对于无黏结预应力混凝土柱, 由于无黏结预应力筋的存在, 在模拟时
152地 震 工 程 与 工 程 振 动 第29卷应将其视为一个结构体系, 采用纤维单元模拟截面中除预应力筋外的钢筋混凝土部分, 采用弹簧模拟无黏结预应力钢筋。预应力钢筋沿受力方向按实际尺寸定位, 而沿垂直于受力方向则可以采用合并面积的方式简化。无黏结预应力筋中的预应力大小也采用初应变的方式赋给模拟预应力筋的弹簧单元。
对节段拼装桥墩进行模拟的另一个重要方面是采用合适的方式来代表接缝区域的力学特征。目前主要有两种方式:第一种是修改接缝区域相应钢筋和混凝土的应力应变关系, 使接缝的变形集中在交界面上侧的变形[17][11]; 第二种是忽略没有贯穿接缝的钢筋等参与受力的因素, 将实际接缝的集中变形处理为分散于整个构件受拉。
[3]David G . H ieber 和Jonathan M. W acker 在德克萨斯州研究成果的基础上, 与当地的业主和预制商进行
了详细的讨论, 全面总结了预制混凝土桥墩的关键问题, 在此基础上从施工角度提出了两种节段拼装双柱墩方案。一个是采用普通钢筋连接的预制框架桥墩系统:该系统在预制混凝土节段之间采用普通钢筋连接, 提供柱的弯曲刚度。另一个是混合方式连接的预制框架桥墩系统:该系统在节段间同时采用无黏结预应力筋和普通钢筋连接, 提供必须的抗弯刚度和强度。然后基于OpenSees 的纤维模型进行推倒分析和时程分析研究了这两种体系的反应, 其中时程分析中采用了两种水平的输入:峰值加速度为50年10%的5个地面运动输入和峰值加速度为50年2%的5个地面运动输入。参数分析对象包括36个普通钢筋连接的预制框架桥墩系统和57个混合方式连接的预制框架桥墩系统, 总共进行了930种工况的地震分析。基于截面开裂刚度和基底剪切强度比提出了最大地震位移的实用计算方法。研究表明:混合方式连接系统的残余位移特别低。在相同轴压比和总配筋率时, 两者位移延性能力特别相近。两种系统均具有较好的抗震能力, 但需要进一步研究连接细节。
与此相关的研究情况仍是上述预制拼装剪力墙的研究[], 程序的纤维单元分析参数分析。, 。对于接缝, 。
基于OpenSees , 可以完成推倒分析、拟静力分析、非线性时程分析等一系列分析, 研究表明纤维模型方法可以对拟静力分析下的总体荷载位移滞回曲线包括拟静力残余位移进行准确预测, 可以对非线性时程的总体位移、墩底剪力进行预测, 但目前还不能对动力反应下残余位移以及接缝行为进行较准确的计算。
3. 3 实体单元方法
钢筋混凝土实体有限元发展已有40多年的历史, 理论上该分析方法可充分考虑混凝土的非线性、预应力筋的作用和节缝的力学特征。采用实体有限单元法进行钢筋混凝土结构的分析, 需要对混凝土的应力应变关系和破坏理论以及骨料咬合、钢筋和混凝土之间的黏结滑移关系等作出基本假定。这方面的实验研究多数是考虑单向荷载的情况, 不能直接应用于有限元分析所面临的复杂应力问题, 但据此提出的多种多样的模型和公式, 使材料模式更加符合实际, 从而推动了钢筋混凝土有限单元法的发展和应用。在混凝土变形和强度特性研究方面, 已由平面问题发展到三维空间问题, 由拉压及压压状态发展到三向受压、三向拉压等状态。混凝土本构关系是指混凝土在多种荷载作用下的应力应变关系的某种表达式。对混凝土结构进行有限元分析, 产生的误差主要来源是所选用的混凝土本构模型不能很好地描述材料的本构行为, 因此对混凝土本构关系进行更深入更精确的研究显得很有必要。迄今为止, 凡是在连续介质力学中发展起来的各种理论都已被用作建立混凝土本构模型的理论依据。由于混凝土材料性质的复杂性, 迄今为止, 还没有哪一种理论已被公认为是对混凝土材料本构关系的完美描述。
按照建立模型维数的不同, 有限元分析方法分为平面单元模型和三维实体单元模型。平面单元模型适用于可简化为平面应力问题的结构的分析, 三维实体有限元是通用的有限元方法, 理论上可以用于所有结构的分析。下面以平面应力问题为例, 说明实体单元模型分析结构时对于各个组成部分的处理。在平面问题中, 混凝土可划分为三角形或四边形单元, 钢筋和预应力钢筋可划分为三角形或四边形单元。考虑到钢筋和预应力钢筋是一种细长材料, 通常可以忽略其横向抗剪作用, 这样, 可以将其作为线形单元来处理。如此处理, 可以大大减少单元数目, 并且可以避免因钢筋单元划分过细而在钢筋和混凝土的交界处用很多的过渡单元。在分离式模型中, 钢筋和混凝土之间、有黏结预应力钢筋和灌浆料之间可以插入联结单元来模拟可能产
第4期 王志强等:节段拼装桥墩抗震性能研究进展153生的黏结和滑移; 而对于无黏结钢筋和周围混凝土之间只是考虑横向的约束, 轴向可以自由滑动。这一点是组合式或整体式无法实现的。若钢筋和混凝土之间黏结很好, 不会有相对滑移, 则两者之间可视为刚性联结, 这时也可不用联结单元。对于存在干接缝的情况, 可以采用接触单元模拟, 也可采用可以代表其力学行为的弹簧来代替。
K wan 和B illingt on 在2003年基于D I A NA 有限元方法建立了建议的预制拼装桥墩体系的平面单元模型, 分析了无黏结预应力混凝土桥墩的抗震性能。单调加载分析主要是分析系统的刚度、强度、延性和极限状态; 循环加载分析主要分析体系的耗能能力、残余位移和总体滞回能力。在分析中, 没有考虑节缝及节缝间的剪切滑移等影响, 也没有对节段拼装预应力混凝土桥墩的破坏模式和相应的破坏机理进行研究。研究对象中无黏结预应力筋分散布置, 对于接缝张开前的状态可进行较准确反映, 但无法反映可能发生的接缝开
[5-6]裂对研究对象力学行为的影响。
三维实体单元模型是对结构精细分析采用的方法。但目前这方面的研究在本构关系、裂缝模型上有待突破, 而且计算效率很低, 该方法还在发展过程之中。基于ABAQUS 和ANATECH 公司开发的材料本构模型方面的研究是目前较为成功的典型。San Francisco -Oakland 海湾大桥在设计时, 为了提高对混凝土的约束作用, 采用了异型墩构造形式。1999年, Eric M. H ines 等以它为原型, 并将模型简化成哑铃形, 进行了拟静力试验研究。试件被设计成弯曲试件和剪切试件两组。同时采用三维实体有限元方法进行了模拟分析, 分析时采用的是基于ABAQUS 和ANATECH 公司开发的材料本构模型。计算得到的总体荷载位移滞回曲
[19]线与试验结果吻合良好。目前针对节段拼装桥墩进行三维实体单元分析的研究还未见报道。
下面结合本研究小组采用三维实体单元分析节段拼
[20]装桥墩方面进行初步的分析研究尝试, 介绍对其中的
预应力筋和接缝的处理特点。采用通用有限元软件2
[16]SYS 对周中哲试验较, 。试件中预应力筋为无黏结预
应力筋, 只受拉不能承受压力。采用L ink10来模拟无黏
结预应力筋。初始张拉力用L ink10单元的初应变来模
拟。在各个节段之间的接缝部位存在接触现象, 采用接
触单元模拟。图4 有限元分析与试验得到的滞回曲线比较Fig . 4Comparis on of hysteresis l oop s bet w een finite element analysis and experi m ental results
图4给出了荷载位移滞回曲线的比较, 可以看出两者的荷载位移骨架曲线在较大变形范围内吻合较好, 残余位移和耗能能力的变化趋势也是一致的, 但是接近破坏时的分析与试验差异有所增大, 主要原因估计是混凝土应力应变关系假设导致加卸载路径在接近破坏时与实际情况有差异所致。通过与试验结果的比较, 可知本文分析模型的计算结果从总体上把握了这类构件的主要力学特性。
尽管钢筋混凝土非线性有限元方法在理论方面取得了长足的发展, 但是仍有一些问题尚待深入研究解决, 这主要表现在以下几个方面:(1) 混凝土的材料本构关系, 特别是动力本构关系, 由于在复杂应力状态下的实验数据还不够充分, 加上试验方法不同, 混凝土材料性质在很大幅度内波动, 所以已有的各种本构关系模型对同一结构的计算结果差异较大, 说明本构关系模型, 特别是三维本构关系尚待进一步完善。(2) 数值方法的计算精度, 钢筋混凝土的非线性因素很多, 为此需要引入不少参数, 有的难以靠材料试验确定, 有的由于混凝土材料本身的复杂性和离散性或裂缝形成开裂机理尚不清楚, 提供的参数也给分析结果带来较大误差。另外, 网格划分的疏密也给开裂区分析带来较大的影响。
4 结语和展望
下部结构节段拼装施工技术已经在我国跨海大桥建设中获得了成功应用。从世界范围来看, 下部结构节段拼装施工技术在处理好预应力筋防腐问题的前提下, 在正常使用状态下运行良好。但是对于采用节段拼装施工技术的桥墩, 其抗震性能如何, 目前仍缺乏系统的研究。这已成为困扰桥梁设计工程师和业主的技术难题, 从而限制了该技术在我国桥梁建设中的运用。而我国正处于大规模交通建设时期, 城市高架和跨海
154地 震 工 程 与 工 程 振 动 第29卷桥墩等正是下部结构节段拼装施工技术的适用领域。因此开展节段拼装预应力混凝土桥梁抗震性能及其影响因素的研究, 是急需解决的工程实际问题, 对于促进节段拼装的预应力混凝土桥墩的应用, 巩固我国在桥梁建设中的领先地位, 积极推动我国桥梁建设事业等方面具有重要的理论意义和实际应用价值。
上面对节段拼装桥墩的应用、分类、力学特性、试验研究和理论研究方面的进展情况进行了综述和比较, 并指出了存在问题和不足, 结合我国当前的情况, 在节段拼装桥墩技术方面尚需开展以下研究:
(1) 我国目前对节段拼装预应力混凝土桥墩的抗震性能尚缺乏系统研究, 应对影响节段拼装预应力混凝土桥墩抗震性能的各种因素, 如接缝构造特点、预应力筋的布置形式、数量、预应力的大小、潜在塑性区域的约束构造等开展系统的试验和理论分析研究。
(2) 节段拼装预应力混凝土桥墩结构尚未遭受实际地震的考验, 其抗震性能为何, 震后的损伤情况, 自复位能力怎样还没有得到直接的验证, 因此, 尚需开展大比例尺节段拼装预应力混凝土结构的实时拟动力试验和振动台试验研究。
(3) 从新材料、施工工艺、构件抗震性能、耐久性和经济性等角度探询和研究新的更加合理的节段拼装预应力混凝土桥墩的构造。
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