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    灌浆套筒连接装配式桥梁墩柱横向承载特性研究

    时间：2023-07-01 17:55:06来源：百花范文网本文已影响人

    武可爽，傅千龙，刘 泽，潘有成

    1.浙江交工集团股份有限公司，浙江 杭州 310051

    2.湖南科技大学土木工程学院，湖南 湘潭 411201

    我国的桥梁墩柱主要采用现浇混凝土的方式进行建造，由于桥梁施工现场往往地形复杂、环境恶劣，现浇式桥梁墩柱施工一般具有施工难度大、人员投入多、建设周期长的特点。装配式桥梁墩柱预先在工厂预制钢筋混凝土构件，运至施工场地后进行简单拼装即可，该种施工方法具有施工简单、建设周期短、节能环保的特点，因而在桥梁建设中受到了人们的普遍重视[1]。

    墩柱装配的主要任务是将预制立柱和承台、盖梁、系梁等有效连接起来，各构件之间的连接形式主要有灌浆套筒连接[2]、灌浆金属波纹管连接、承插式连接、插槽式连接[3]等。由于装配式墩柱的各个构件是单独预制，其整体性通常弱于现浇混凝土结构，尤其是连接部位更容易成为抗震薄弱环节，因此需要重点关注装配式墩柱的横向承载能力。研究人员主要采用往复式的拟静力循环加载实验来研究装配式桥梁墩柱横向承载与抗变形能力。姜海西等[4]开展了灌浆金属波纹管连接立柱的拟静力循环加载试验，对比了整体现浇和预制拼装两种方式下墩柱的损伤与变形区别；
    张锡治等[5]开展了锚栓连接管柱的拟静力循环加载试验，研究了配筋形式对管柱能量耗散的影响特征；
    刘阳等[6]开展了螺纹套筒机械连接立柱的拟静力循环加载试验，研究了纵筋连接形式和轴压比对试件承载能力和损伤的影响特征；
    颜军等[7]开展了钢齿槽连接立柱的拟静力循环加载试验，研究了该装配式立柱的破坏形态和刚度退化特性。由于拟静力循环加载实验中一般只能采用短柱试件，难以直接测试实际桥梁墩柱的横向承载性能，而数值模拟可以很方便地采用实际桥梁立柱的几何尺寸，因此研究人员也利用数值模拟来研究桥梁墩柱的承载能力[8]。文章以富阳至诸暨高速联络线十店线分离式立交桥下部墩柱为例，对灌浆套筒连接桥梁墩柱在横向往复载荷下的受力和变形行为开展有限元模拟，研究该装配式桥梁墩柱的横向承载性能及损伤发展规律，分析其耗能特征。

    十店线分离立交桥位于富阳至诸暨高速联络线，桥梁下部结构采用预制方形立柱、钻孔灌注桩，立柱与桩基之间利用现浇承台连接，立柱上方布置预制盖梁。立柱与承台、盖梁之间采用灌浆套筒连接，承台顶面预留插筋，立柱柱底布置钢套筒、柱顶预留插筋，盖梁底面布置钢套筒。墩柱拼装时将承台外伸插筋伸入柱底套筒，并将柱顶外伸插筋伸入盖梁底面套筒，再将高强无收缩水泥浆通过灌浆口灌入套筒即可完成墩柱装配施工。有限元模型如图1所示，由立柱、承台、盖梁三部分组成，其中立柱尺寸为1.3m×1.3m×10m，承台尺寸为2.5m×2.5m×2m，盖梁尺寸为1.7m×1.7m×1m。各构件内部分别植入钢筋（含主筋、箍筋、拉筋）和钢套筒。混凝土采用六面体单元和楔形单元，钢套筒采用六面体单元，灌浆料采用楔形单元，主筋采用梁单元，箍筋、拉筋采用杆单元。

    图1 有限元模型

    计算中，立柱与承台、盖梁之间采用硬接触算法，摩擦系数取0.6。边界条件取为约束承台底面所有节点的3个位移分量，在盖梁顶面施加竖向载荷（578kN），在盖梁侧面施加横向载荷（位移控制），对混凝土部件和钢套筒施加重力载荷（混凝土24.01kN/m3、钢套筒76.44kN/m3）。

    计算时，墩柱混凝土材料为C40，其材料常数如表1所示；
    钢筋材料为HRB400，其材料常数如表2所示。采用塑性损伤本构模型来描述墩柱混凝土的力学响应，混凝土轴向应力应变曲线如图2所示。采用一维弹塑性损伤模型描述钢筋的力学响应，钢筋应力应变曲线如图3所示。

    表1 C40混凝土材料常数

    表2 HRB400钢筋材料常数

    图2 混凝土轴向应力应变曲线

    图3 钢筋应力应变曲线

    3.1 横向单调加载下墩柱的承载能力及损伤特性

    对该装配式墩柱在横向载荷下的受力与变形行为进行了有限元计算。横向载荷随加载点横向位移的变化曲线如图4所示。从图4可以看出，当横向位移达到13mm时墩柱将发生屈服，墩柱屈服点所对应的横向载荷为199kN，墩柱屈服后其结构刚度逐渐降低。该屈服点所对应的混凝土损伤分布如图5所示，可以看到紧邻套筒顶部的侧边混凝土出现了一定程度的损伤，说明该处混凝土将首先开裂。此时，立柱主筋的最大应力仅为196MPa，远低于其屈服强度，因而墩柱还能继续承受横向载荷。

    图4 墩柱在横向加载下的位移-载荷曲线

    图5 墩柱屈服时混凝土的损伤分布

    当图4中横向位移达到100mm时，墩柱的横向载荷为470kN，则钢筋骨架在此时的应力分布如图6所示。图6中，立柱主筋的最大应力为398MPa，若继续增大横向载荷，立柱主筋将发生屈服，可以认为墩柱达到极限承载状态。

    图6 位移100mm时钢筋的应力分布

    3.2 横向往复加载下墩柱的承载能力与耗能特性

    对该装配式墩柱在横向往复加载下的受力与变形行为开展有限元模拟，往复加载过程如图7所示。

    图7 横向往复加载过程

    循环往复加载过程中横向载荷随加载点横向位移的变化曲线如图8所示。当墩柱加载到第六级位移峰值时（69mm），其横向承载力达到极限值（543kN），此时的主筋应力分布如图9所示。从图9可以看到，立柱主筋在位于钢套筒与承台钢筋之间的节段具有最大应力（539MPa），即将达到HRB400钢筋的强度极限（540MPa）。

    图8 循环加载位移-载荷滞回曲线

    图9 第六级位移峰值时的主筋应力分布

    墩柱加载到第七级位移峰值时主筋的损伤分布如图10所示。由图10可以看出，钢套筒与承台钢筋之间节段内部分主筋的损伤值接近于1，说明该部分主筋将发生断裂，墩柱基本丧失横向承载能力。

    图10 第七级位移峰值时的主筋损伤

    为了分析该装配式墩柱的耗能特性，计算墩柱的能量耗散系数，其计算公式为

    式中：Sb为位移-载荷滞回曲线外包络线的面积；
    为最大正、反向峰值载荷；
    为最大正、反向峰值位移。

    由式（1）和图8可得，墩柱的能量耗散系数为1.15，表明该墩柱具有较好的能量耗散性能。利用图8中各峰值点所构成的骨架曲线如图11所示。利用图11可以计算墩柱的割线刚度，其计算公式为

    图11 循环加载骨架曲线

    将图11中的相应数值代入式（2）即可得到墩柱的割线刚度，其各级割线刚度如图12所示。从图12可以看出，当循环载荷低于极限值时，墩柱刚度随着横向加载级别的提高而稳定下降；
    然而当循环载荷达到极限值以后，墩柱刚度则会迅速下降。

    图12 墩柱割线刚度

    文章基于有限元模拟，研究了灌浆套筒连接预制墩柱的横向承载能力和耗能特性，得出如下结论：

    （1）墩柱屈服时，紧邻套筒顶部的侧边混凝土出现一定范围的损伤区域，说明该处混凝土将首先开裂。然而，此时立柱主筋的最大应力远低于其屈服强度，说明墩柱屈服后仍具有较强的横向承载能力。主筋屈服时墩柱的横向载荷为470kN、横向位移为100mm，表明该墩柱具有较好的横向承载与变形能力。

    （2）往复循环加载时，立柱主筋的最大应力出现在位于钢套筒与承台钢筋之间的节段。当墩柱的横向承载力达到极限值（543kN）时，该节段主筋的最大应力将达到强度极限，继续加载后该节段主筋会率先断裂，并使墩柱迅速丧失承载能力。

    （3）当循环载荷低于极限值时，墩柱刚度随着横向载荷级别的提高而稳定下降；
    当循环载荷达到极限值以后，墩柱刚度则会迅速下降。

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