周芝林 张乐 张勇 胡俊

1.珠海香海大桥有限公司， 广东 珠海 519000； 2.重庆交通大学 土木工程学院， 重庆 400074；3.中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所， 北京 100081

对于节段拼装的装配式桥墩而言，各预制构件连接的可靠性是影响整体性能的主要因素［1］。灌浆套筒连接是预制墩柱拼接的主要方式，通过在承台、墩身及盖梁中预埋钢套筒，预制构件吊装就位后将构件钢筋与套筒对插，然后灌注高强砂浆将预制构件连成整体。灌浆套筒性能可靠、施工便捷、施工要求较低，在国内外预制拼装桥墩中已有较多应用。

接缝连接墩柱的抗震性能是限制预制拼装桥墩进一步发展及应用的主要因素［2-4］。贾俊峰等［5］研究了灌浆波纹管预制拼装RC 墩柱抗震性能，结果表明基于灌浆波纹管锚固连接技术可应用于强震区预制墩柱与承台的拼装连接。布占宇等［6］研究了轴压比、预应力度、预应力筋配筋率对桥墩抗震性能的影响，结果表明：轴压比为20% ～ 30%时，桥墩具有较高的水平承载力；随着预应力度的提高，桥墩屈服强度也提高；预应力筋配筋率为0.2% ～ 0.5%时，桥墩具有较高的水平承载力和耗能能力。Yang 等［7］基于OpenSees 有限元分析软件建立了整体现浇墩、套筒连接装配式墩和预应力套筒连接装配式墩连续梁桥的数值模型，以墩顶位移、自恢复能力和滞回耗能为指标，对比分析了三种类型桥梁的抗震性能，结果表明预应力套筒连接装配式墩连续梁桥的整体抗震性能好，残余位移小，具有一定的自复位能力；套筒连接装配式墩连续梁桥与整体现浇墩连续梁桥的整体抗震性能相近。Ameli等［8-9］为研究套筒设置在墩台不同位置的力学性能，进行了灌浆套筒连接预制桥墩的拟静力试验，结果表明灌浆套筒设置于预制墩身内出现的裂缝相对较少，套筒连接预制桥墩抵抗变形的能力比现浇桥墩稍低。魏红一等［10］通过改变预制墩柱套筒预埋位置来研究其抗震性能，结果表明灌浆套筒连接预制拼装桥墩受灌浆套筒预埋位置的影响较小。葛继平等［11］研究了轨道交通预制桥墩在预应力筋与灌浆套筒共同作用下的抗震性能，结果表明预制桥墩的抗震性能在无黏结预应力筋与灌浆套筒的共同作用下有所提高，达到了规范要求。

套筒连接是否可靠对下部预制拼装结构的抗推性能有很大影响。本文以灌浆套筒内连接钢筋直径、节段划分数量、灌浆套筒长度、配筋率为变量，设计不同参数的灌浆套筒连接节段预制桥墩，建立多组实体单元有限元模型，对比分析灌浆套筒连接的不同参数对预制桥墩滞回性能及力学性能指标的影响规律。

1 有限元模型建立与验证

根据桥墩模型的具体尺寸，建立实体单元的墩身模型，墩身与承台固结，墩底的套筒样固结在底部。混凝土、钢筋的材料属性和本构关系按照非线性模型分段输入，普通钢筋采用约束形式内置在混凝土中。

1.1 灌浆套筒模拟方法

普通钢筋采用桁架单元的形式内置于混凝土中，灌浆套筒模拟方法很多，可以采用钢筋桁架单元等效、壳单元、实体单元。对比发现壳单元建立的套筒模型单元数量多、计算量大且容易出现计算不收敛的问题，实体单元建立套筒形式与实际受力情况有较大差别，所以本文采用等效钢筋的方法模拟钢套筒模型。通过设置与钢套筒刚度等效的钢筋来代替钢套筒的受力，在等效钢筋上设置约束条件模拟钢套筒与纵筋的连接。此外，实际工程中混凝土与钢筋之间会产生滑移现象，而ABAQUS 有限元软件模拟该现象较难，所以在建立钢筋应力应变关系参数时，利用钢筋应力-应变关系滞回模型间接模拟钢筋产生的滑移［12］。通过将钢筋构件内置于混凝土桥墩中，在桥墩拼装处安置钢套筒模型，将墩底固结于地面，完成灌浆套筒连接的节段预制桥墩有限元模型建立。

1.2 加载与求解

在墩顶中心建立参考点与墩顶面耦合，使得墩顶面位移与该点位移保持一致，在参考点施加向下的桥梁上部结构重量和横桥向的水平位移。划分荷载步对模型进行水平往复加载，有限元加载方式见图1。定义分析步后进行场变量输出和历程变量输出，求解不同荷载步下的响应。在后处理部分选择历程输出的数据可以得到滞回曲线。

图1 有限元加载方式

为验证上述数值模拟方法的准确性，通过有限元软件ABAQUS 对文献［10］的灌浆套筒墩柱试验（3 号试件）进行分析验证。桥墩损伤云图见图2。可见墩底接缝处的混凝土损伤较为严重。文献［10］试验中墩底灌浆套筒连接的接缝全部贯穿，连接钢筋部分屈服，柱脚混凝土被压碎。试件和有限元模型在桥墩底部均出现开裂，并一直向上部延伸，具有相同的规律，验证了本文数值模拟方法的准确性。

图2 桥墩损伤云图

在拟静力往复加载试验中滞回曲线可以最大程度地反映试件的抗推力性能。通过分析处理每个加载步骤下的位移-荷载数据，得到有限元模型的滞回曲线，并与试验结果进行对比，见图3。

图3 滞回曲线对比

由图3 可知，两种滞回曲线在位移为±150、±100、±50 mm 处分别相差5、2、2 kN，位移为0时水平力几乎相同。说明当位移较小时，位移和荷载之间呈线性关系，处于弹性受力状态，滞回环路径的模拟结果与试验结果基本重合；荷载进一步增大，材料进入非线性屈服阶段，滞回环面积继续增大；受混凝土下降段的影响，荷载不断减小，残余位移不断增大。综合来看，有限元模拟灌浆套筒连接的预制拼装桥墩基本能实现对拟静力试验的模拟，验证了数值模拟的准确性。

2 模型参数设计及参数分析

以某城市快速路2#标段为对象，建立不同类型灌浆套筒连接预制拼装桥墩的有限元模型，研究不同参数对桥墩抗推性能的影响。桥墩截面尺寸如图4 所示。桥墩钢筋全部使用直径为32 mm 的HRB400 钢筋，纵筋配筋率为3.98%。箍筋和拉筋的直径分别为16、12 mm，箍筋体积配筋率为0.5%。

图4 桥墩构造（单位：mm）

结合现场实际情况，将预制节段三等分，每段长300 cm，混凝土采用C40，普通钢筋采用HRB400，建立标准构件D1，见图5（a）。纵筋直径为32 mm，灌浆套筒直径60 mm，长500 mm，壁厚5 mm，套筒模型用等效面积后的钢筋代替。为防止套筒外钢筋过早破坏，灌浆套筒的长度须大于临界长度13d（d为钢筋直径）。各连接处套筒沿着横桥向每隔50 cm 布置1 个，共布置5 个；沿着纵桥向每隔50 cm 布置1 个，共布置5个，见图5（b）。

图5 构造布置（单位：mm）

2.1 参数设计

以灌浆套筒连接的节段预制桥墩（D1）为标准试件，通过改变连接钢筋直径、节段划分数量、灌浆套筒长度、配筋率等参数设计不同的拼装桥墩试件（D1Z、D1S、D1C、D1G），研究灌浆套筒连接节段预制桥墩滞回曲线、耗能能力等受各参数的影响。试件编号分为D1Z32（标准试件）、D1Z18、D1Z22、D1Z28，代表连接钢筋直径32、18、22、28 mm；试件编号分为D1S3（标准试件）、D1S1、D1S2、D1S4，代表节段划分数量3 段、1段、2 段、4 段；试件编号分为D1C5（标准试件）、D1C3、D1C4、D1C6，代表灌浆套筒长度500、300、400、600 mm；试件编号分为D1G4（标准试件）、D1G5、D1G6、D1G7，代表箍筋配筋率0.4%、0.5%、0.6%、0.7%。

对各组有限元模型进行水平加载时，桥墩横桥向顶部采取往复推覆加载的形式，贯穿全过程。通过控制位移来加载水平荷载，在往复加载过程中，位移幅值取 ±0.5、±1、±2、±4、±6、±10、±14 cm，达到 ±14 cm之后增幅取4 cm，增至30 cm 后增幅回归到1 cm。水平加载方式见图6。

图6 桥墩水平加载方式

2.2 参数分析

2.2.1 钢筋直径

连接钢筋是伸入灌浆套筒内使各节段连接成为整体的竖向钢筋。理论上预制桥墩的连接性能与连接钢筋直径成正比，但钢筋数量增多会增加施工难度。将连接钢筋直径作为变量，试件D1Z18、D1Z22、D1Z28、D1Z32 为灌浆套筒连接的3 节段预制拼装桥墩。在墩顶施加往复位移可以得到桥墩的骨架曲线，见图7。

图7 不同钢筋直径下桥墩骨架曲线

由图7 可知，在加载初期，4 个试件的骨架曲线基本重合，钢筋直径越大，试件的初始刚度越大，桥墩抗推性能越好，在设计施工时增大套筒内纵向钢筋的直径可增大桥墩的抗推性能。

不同钢筋直径下试件耗能能力、残余位移分别见图8、图9。

图8 不同钢筋直径下耗能能力

图9 不同钢筋直径下残余位移

由图8 可知，桥墩耗能能力随钢筋直径的增加而增大，即连接钢筋直径越大，截面配筋率越大，结构出现损伤所需要的能量也越大，结构刚度和抗推性能随之增加，其抗推性能足够约束接缝免遭过早破坏，节段预制桥墩的抗推性能随着骨架钢筋直径的增大有明显提升，但是在实际工程中还要考虑钢筋最大配筋率的问题，如果配筋率过大会发生超筋破坏。总体来说，在满足钢筋最大配筋率要求的前提下，节段预制桥墩的抗推性能随主筋直径的增大有明显提升。

由图9 可知：加载位移小于100 mm 时，桥墩处于弹性受力阶段，无残余位移；随加载位移的增大，残余位移呈线性增大趋势，但连接钢筋直径的变化与残余位移大小基本不相关。

2.2.2 节段划分数量

根据现场吊装和运输情况，需要对灌浆套筒连接节段预制桥墩进行节段划分。将预制桥墩划分4 段，每个节段长度等分，在墩顶通过施加往复位移，可以得到各桥墩的骨架曲线、残余位移、耗能能力。

根据有限元分析结果可知，构件骨架曲线受节段数量的影响较小。节段桥墩主要的破坏位置在墩底，这是由于各节段间接缝连接性能均较好。试件的残余位移随着节段数量的增加几乎没有变化。不同节段下耗能能力见图10。可知，在桥梁节段拼装连接情况良好的情况下，试件的耗能能力会随着节段数量的增加而增大，但增长幅度很小。

图10 不同节段下耗能能力

2.2.3 套筒长度

套筒在约束预制节段的连接钢筋中发挥着十分重要的作用，理论上预制桥墩的连接性能随着钢套筒长度增大而增强，但钢筋数量越多，套筒造价越高。

将灌浆套筒长度作为变量，得到各桥墩的骨架曲线、残余位移、耗能能力。通过有限元计算结果可知，不同套筒长度下构件的骨架曲线总体相近，套筒的长度对抗推性能几乎没有影响。对比分析不同套筒长度下桥墩残余位移可知，在相同荷载作用下的残余位移基本相同。不同套筒长度下耗能能力见图11。可知，增大套筒长度能略微提高试件的耗能能力，但影响程度有限，在工程实际应用中能满足套筒长度的最小设置长度即可。结合残余位移可知，套筒长度的增加对残余位移无影响，对耗能能力略有提升。

图11 不同套筒长度下耗能能力

2.2.4 箍筋配筋率

箍筋是用来满足斜截面抗剪强度，并联结受力主筋和受压区混筋骨架的钢筋。理论上箍筋配筋率越高，结构的抗剪性能越好，相应的抗推性能也会有所增加，但箍筋较多会使结构发生脆性破坏。

将箍筋配筋率作为变量，在墩顶通过施加往复位移可以得到各桥墩的骨架曲线、残余位移、耗能能力。根据有限元分析结果可知，4 个桥墩的骨架曲线的形状基本一致，说明试件的抗推受力方式不受箍筋配筋率的影响。残余位移随着荷载的增大而增大，但不同配筋率下试件残余位移基本没有变化。耗能能力见图12。可知：随着位移的增大，耗能随之增大，4 个试件的耗能能力在加载初期基本相同；加载后期，试件的配筋率对耗能能力的影响更加明显，这是由于加载前期位移很小，结构处于线弹性阶段，其耗能较低，当加载位移较大时，耗能能力随配筋率的增大而增大；当配筋率达到0.5%以后，增大效果已不再明显。结合残余位移可知，桥墩的综合抗推性能随配筋率的增加而有所提高，但对残余位移几乎无影响。

图12 不同配筋率下耗能能力

3 结论

1）各参数下桥墩的残余位移在水平往复荷载作用下大致相近，说明桥墩的残余位移受灌浆套筒长度、套筒节段、钢筋直径、桥墩配筋率的影响较小。

2）套筒内连接钢筋直径对桥墩的综合抗推性能有较大影响，直径过小会导致桥墩过早破坏，引起构件失效。在满足钢筋最大配筋率要求的前提下，应尽可能增大套筒内纵筋直径。

3）节段划分数量的改变对桥墩的残余位移、骨架曲线几乎没有影响，桥墩的耗能能力随着节段数量的增大而增大，但增幅较小。实际工程中可根据吊装及运输能力对节段进行划分。

4）套筒长度对构件骨架曲线性能的影响较小，工程实际中能满足套筒长度的最小设置长度即可。

5）桥墩综合抗推性能随配筋率的增加而有所提高，提高配筋率，更有利于抗震。