袁萬(wàn)城 鐘海強(qiáng) 黨新志 鄧小偉

(1同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 200092)(2同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司, 上海 200092)

裝配式結(jié)構(gòu)具有施工質(zhì)量高、施工周期短、環(huán)境污染以及耗能小等優(yōu)點(diǎn),符合“綠色建造”的理念,是我國(guó)建筑結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì).在橋梁領(lǐng)域,上部結(jié)構(gòu)的節(jié)段拼裝技術(shù)已經(jīng)頗為成熟,下部結(jié)構(gòu)尤其是橋墩也在近年來(lái)從現(xiàn)場(chǎng)施工為主逐步過(guò)渡到裝配化施工,但主要應(yīng)用仍集中在非震區(qū)和低震區(qū).國(guó)外在這方面的研究和應(yīng)用起步較早,美國(guó)于1955年首次采用預(yù)制墩柱承臺(tái)建成Pontchartrain橋,日本巖手縣在20世紀(jì)70年代建成了預(yù)制預(yù)應(yīng)力拼裝的鐵路橋.我國(guó)在跨海大橋引橋、城市高架橋等橋梁建設(shè)中也開(kāi)始逐漸采用裝配式橋墩,如東海大橋、杭州灣大橋、港珠澳大橋、上海S6公路工程等.

然而,裝配式結(jié)構(gòu)的整體性較差,抗震性能弱于整體現(xiàn)澆結(jié)構(gòu),水平力作用下容易在預(yù)制構(gòu)件之間形成貫通裂縫,并使得相鄰構(gòu)件相互錯(cuò)位甚至倒塌,如預(yù)制板結(jié)構(gòu)在唐山、汶川等地震中均出現(xiàn)了大面積破壞,造成了巨大的生命和財(cái)產(chǎn)損失[1].裝配式橋墩同樣存在節(jié)段拼裝接縫在水平力作用下容易張開(kāi)、整體性和變形能力差的問(wèn)題,而且抗震性能的相關(guān)研究依舊存在不足,破壞狀態(tài)、設(shè)計(jì)方法等都尚未有系統(tǒng)的結(jié)論,因此一般只能應(yīng)用在低震區(qū),中、高震區(qū)則受限.為此,國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了一系列的模型試驗(yàn)和數(shù)值試驗(yàn),分析了裝配式橋墩的易損部位和破壞模式,提出了多種改進(jìn)方式并取得了較好的效果.然而,目前裝配式橋墩的連接形式種類繁多,抗震性能各不相同,缺少系統(tǒng)的分類.用于性能提升的手段和用于抗震分析的方法雖在不斷進(jìn)步,但缺少總結(jié).在裝配式橋墩研究中,缺少橋梁體系層面的抗震性能分析,缺乏基于橋梁全壽命周期的抗震設(shè)計(jì)方法,未能結(jié)合裝配式結(jié)構(gòu)天然特點(diǎn)以滿足韌性抗震理念的需求.

鑒于此,本文根據(jù)抗震性能的區(qū)別將國(guó)內(nèi)外裝配式橋墩的連接形式分為等同現(xiàn)澆(emulative connection)體系和非等同現(xiàn)澆(non-emulative connection)體系.通過(guò)已有工程實(shí)例和施工特點(diǎn),對(duì)不同連接形式的橋墩抗震性能(如滯回耗能能力、殘余位移等)進(jìn)行對(duì)比.采用現(xiàn)有的抗震性能提升手段分析,探討將高性能材料、新連接裝置和混合體系應(yīng)用于橋墩時(shí)的優(yōu)勢(shì)與不足,并將研究方法區(qū)分為理論分析、模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬3類,進(jìn)行梳理總結(jié).最后,提出進(jìn)一步推廣裝配式橋墩應(yīng)用所面臨的由體系層面分析、全壽命周期設(shè)計(jì)、韌性理念要求帶來(lái)的挑戰(zhàn),指出研究方向,為國(guó)內(nèi)外裝配式橋墩研究與應(yīng)用提供參考和借鑒.

1 裝配式橋墩連接形式分類及應(yīng)用

裝配式橋墩連接包括墩身節(jié)段之間、橋墩與承臺(tái)之間、橋墩與蓋梁之間的連接.根據(jù)裝配式橋墩的滯回曲線、破壞模式等抗震性能,將不同連接形式的橋墩體系分為等同現(xiàn)澆體系和非等同現(xiàn)澆體系,并介紹相應(yīng)的施工特點(diǎn)、工程實(shí)例和抗震性能.

1.1 等同現(xiàn)澆體系

等同現(xiàn)澆體系是指通過(guò)可靠的節(jié)段連接來(lái)保證橋墩塑性鉸充分發(fā)展的橋墩抗震體系,該體系的抗震性能與整體現(xiàn)澆體系相當(dāng).其特點(diǎn)為：滯回曲線較為飽滿,一般呈梭形和弓形(見(jiàn)圖1(a)和(b)),耗能能力強(qiáng),殘余位移大；最終破壞一般為墩頂、墩底塑性鉸區(qū)域的彎曲破壞,如保護(hù)層混凝土脫落、核心混凝土壓碎,縱筋屈曲,箍筋外鼓拉斷等,屈服后承載力能夠在一定位移范圍內(nèi)基本保持不變,延性較好.如果節(jié)段連接處橋墩截面受到連接裝置的削弱,接縫處抗剪能力減小,則容易出現(xiàn)剪切滑移,滯回曲線捏攏明顯,形狀向反S形和Z形(見(jiàn)圖1(c)和(d))轉(zhuǎn)變,耗能能力減弱,殘余位移增大,而且往往具有不對(duì)稱性.等同現(xiàn)澆體系的連接形式主要包括現(xiàn)澆濕接縫連接、預(yù)留槽式連接、承插式連接、灌漿套筒連接、灌漿波紋管連接等.

(a) 梭形

現(xiàn)澆濕接縫連接是指在接縫兩端預(yù)埋主筋并通過(guò)搭接等方式連接,現(xiàn)場(chǎng)澆筑混凝土形成濕接縫完成連接.其特點(diǎn)為：存在大量的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)量,需要布置鋼筋籠,精度要求低.現(xiàn)澆濕接縫連接多用于墩柱底部與承臺(tái)的連接,典型構(gòu)造與工程應(yīng)用見(jiàn)圖2.該連接方式整體性好,施工質(zhì)量得到保證時(shí)抗震性能與整體現(xiàn)澆體系最為接近,而且符合傳統(tǒng)的施工習(xí)慣,應(yīng)用較廣[2].Kim等[3]將預(yù)制橋墩節(jié)段之間和節(jié)段內(nèi)部均通過(guò)現(xiàn)澆連接,發(fā)現(xiàn)該橋墩滯回環(huán)呈弓形,破壞模式為混凝土剝落、縱筋屈曲.

(a) 構(gòu)造

預(yù)留槽式連接又稱口袋連接,是指在承臺(tái)或蓋梁內(nèi)預(yù)留槽孔,橋墩兩端預(yù)留縱筋并插入該槽孔中,在橋墩安裝就位后灌注混凝土或者高強(qiáng)砂漿完成連接,通常還會(huì)在槽孔處預(yù)埋大直徑的波紋管,增加新老混凝土的相互作用.承插式連接是指將預(yù)制墩身嵌入到承臺(tái)或者蓋梁的預(yù)留孔洞或者承臺(tái)的鋼筋籠中,底部鋪設(shè)高強(qiáng)水泥砂漿,四周填充混凝土完成連接.兩者的構(gòu)造示意圖和工程實(shí)例照片分別見(jiàn)圖3和圖4.預(yù)留槽孔連接可以降低施工精度要求,減少現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)量,但應(yīng)用在墩頂時(shí)需要為蓋梁提供臨時(shí)支撐,槽孔的存在還會(huì)影響鋼筋的布置.承插式連接沒(méi)有鋼筋穿過(guò)墩柱與蓋梁或承臺(tái)之間的界面,故能進(jìn)一步減少現(xiàn)場(chǎng)作業(yè).與整體現(xiàn)澆橋墩相比,預(yù)留槽式連接和承插式連接分別能降低約42%和75%的現(xiàn)場(chǎng)工作量[4].

(a) 構(gòu)造

(a) 構(gòu)造

預(yù)留槽式連接的鋼筋搭接長(zhǎng)度和承插式連接的橋墩埋深決定了槽孔深度,對(duì)裝配式橋墩抗震性能的影響較大.當(dāng)孔深與墩寬或墩身直徑的比值為0.7～1.2時(shí),基本能夠避免連接處提前破壞.提高配筋和設(shè)置剪力鍵能夠進(jìn)一步提高變形和耗能能力.橋墩滯回曲線多呈飽滿的弓形或者反S形,抗震性能與現(xiàn)澆橋墩相當(dāng)[5-10].

灌漿套筒連接是指將鋼筋由兩端分別插入高強(qiáng)套筒,向套筒內(nèi)灌注高強(qiáng)灌漿料,使得鋼筋和套筒牢固結(jié)合完成連接,可以用于橋墩節(jié)段之間、墩頂與蓋梁之間、墩底與承臺(tái)之間3個(gè)連接位置處.墩頂或墩底的接觸面一般采用高強(qiáng)砂漿墊層,墩身節(jié)段采用環(huán)氧砂漿膠接縫.灌漿波紋管連接是指橋墩預(yù)埋縱向鋼筋并伸入預(yù)埋在承臺(tái)或蓋梁內(nèi)的波紋管中,在接縫處鋪設(shè)高強(qiáng)砂漿,就位后灌漿完成連接.這2種連接的構(gòu)造示意圖與工程實(shí)例照片分別見(jiàn)圖5和圖6.灌漿套筒施工速度較快,精度要求高,套筒內(nèi)灌漿密實(shí)度直接影響橋墩的受力性能.灌漿波紋管的精度要求相對(duì)較低,縱筋搭接更加充分,整體性更好,但需要更充分的搭接長(zhǎng)度以及更高的蓋梁高度,而且墩柱外伸鋼筋更長(zhǎng),運(yùn)輸難度更大.

(a) 構(gòu)造

(a) 構(gòu)造

灌漿套筒和波紋管連接的預(yù)制橋墩變形均主要集中在接縫處,墩身?yè)p傷較小,滯回曲線多呈弓形和反S形[13-14].灌漿套筒連接橋墩的位移能力等性能指標(biāo)弱于現(xiàn)澆試件,可以通過(guò)將套筒預(yù)埋在承臺(tái)內(nèi)部以及增強(qiáng)塑性鉸區(qū)配箍的方法來(lái)改善橋墩的延性和耗能能力,通過(guò)提高縱筋強(qiáng)度來(lái)增加橋墩的極限強(qiáng)度[11,15-16].增大套筒的直徑和長(zhǎng)度會(huì)增加套筒的剛性長(zhǎng)度,造成接縫處鋼筋過(guò)早拔出,軸壓比較小時(shí)更為不利[12,17-18].灌漿波紋管連接橋墩的性能基本能達(dá)到整體現(xiàn)澆水平,連接強(qiáng)度與管道尺寸、混凝土和灌漿強(qiáng)度有關(guān)[19-20].除了上述常見(jiàn)的連接形式,近年來(lái)學(xué)者們還對(duì)機(jī)械套筒連接、法蘭盤(pán)連接、螺栓連接、管栓連接等連接形式開(kāi)展了分析(見(jiàn)圖7).這些預(yù)制柱的破壞模式、耗能能力等性能與整體現(xiàn)澆體系接近,但塑性鉸均存在上移現(xiàn)象,位移延性下降,滯回曲線多呈反S形和Z形[21-24].

(a) 機(jī)械套筒[21]

1.2 非等同現(xiàn)澆體系

節(jié)段接縫容易張開(kāi)、閉合,滿足搖擺體系需要設(shè)置搖擺界面的要求.因此,可以將墩底接縫設(shè)置為搖擺界面隔離地震能量輸入,形成非等同現(xiàn)澆體系.橋墩在預(yù)應(yīng)力和自重作用下具有自復(fù)位能力,力學(xué)行為見(jiàn)圖8,滯回曲線呈倒Z形或旗幟形.與等同現(xiàn)澆體系相比,非等同現(xiàn)澆體系的變形主要依賴于接縫張開(kāi)引起的剛體轉(zhuǎn)動(dòng),殘余位移由接縫塑性變形導(dǎo)致,墩身基本保持彈性,殘余位移小,不加入額外耗能元件時(shí)幾乎沒(méi)有耗能能力.

(a) 體系構(gòu)造

非等同現(xiàn)澆體系一般采用無(wú)黏結(jié)后張預(yù)應(yīng)力連接,要求在墩身、蓋梁和承臺(tái)中預(yù)留孔道,節(jié)段就位后,將預(yù)應(yīng)力筋穿過(guò)孔道,并在兩端張拉錨固,將橋墩、蓋梁、承臺(tái)整體連接.預(yù)應(yīng)力筋可以采用高強(qiáng)精軋螺紋鋼筋或高強(qiáng)鋼絞線.高強(qiáng)螺紋鋼筋一般為直束,兩端分別錨固于蓋梁和承臺(tái)處,鋼絞線可以采用U形錨固在蓋梁上.精軋螺紋鋼筋在承臺(tái)處錨固工藝復(fù)雜,鋼絞線對(duì)彎曲半徑要求高,且墩身需額外配筋,施工難度大、成本高.預(yù)應(yīng)力損失會(huì)極大程度降低橋墩的力學(xué)性能,耐久性差.目前后張預(yù)應(yīng)力連接多用于非震區(qū),構(gòu)造示意圖與工程實(shí)例照片見(jiàn)圖9.

(a) 構(gòu)造

無(wú)黏結(jié)后張預(yù)應(yīng)力連接的預(yù)制節(jié)段橋墩接縫處曲率發(fā)展迅速,變形集中于墩底[25-26],但受損程度較現(xiàn)澆體系低.根據(jù)是否設(shè)置耗能裝置和預(yù)應(yīng)力筋,滯回曲線分別呈現(xiàn)不飽滿的倒Z形和飽滿的旗幟形特征.Mashal等[27]將無(wú)黏結(jié)后張預(yù)應(yīng)力連接和外置耗能應(yīng)用于新西蘭Wigram-Magda橋,在2016年7.8級(jí)震級(jí)的Kaikoura地震中所在地900多座橋受到損傷,而該橋則完好如初.有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力連接的橋墩具有更大的剛度、強(qiáng)度、耗能能力和殘余變形,但滯回環(huán)捏攏嚴(yán)重,呈Z形,灌漿料的握裹可能使預(yù)應(yīng)力筋提前屈服,導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力嚴(yán)重?fù)p失,采用高強(qiáng)螺紋鋼筋時(shí)更為明顯,可以通過(guò)部分脫黏的方法予以改善[28-31].分散布置預(yù)應(yīng)力筋可以提高橋墩的承載性能和自復(fù)位能力,但耗能能力減弱,邊緣預(yù)應(yīng)力筋容易屈服[32].采用耗能鋼筋能夠減小接縫曲率,抑制接縫張開(kāi),提高橋墩的強(qiáng)度、剛度和耗能能力[33],通過(guò)提高鋼筋強(qiáng)度以及采用脫黏處理避免應(yīng)力集中的方式都可以改善接縫處塑性變形,進(jìn)一步提高橋墩變形和耗能能力,減小殘余位移[34-35].

1.3 裝配式橋墩體系對(duì)比

為更直觀地展示并對(duì)比已有裝配式橋墩連接形式的特點(diǎn),圖10給出了不同連接形式裝配式橋墩的破壞模式.6種常見(jiàn)連接形式的施工特點(diǎn)、抗震性能及工程實(shí)例見(jiàn)表1.不同體系的抗震性能、設(shè)計(jì)施工、運(yùn)營(yíng)維護(hù)對(duì)比見(jiàn)表2.實(shí)際應(yīng)用時(shí),應(yīng)綜合考慮影響因素,選擇合適的連接形式.如跨海橋梁的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)限制小而耐久性要求高,可以選擇現(xiàn)澆濕接縫連接；城市橋梁的環(huán)境和工期要求嚴(yán)格,可以分別選擇套筒或波紋管連接；高烈度區(qū)更注重抗震性能和震后修復(fù),可以選擇后張預(yù)應(yīng)力連接.

(a) 濕接縫[3]

表1 常見(jiàn)連接形式的施工特點(diǎn)和抗震性能

表2 裝配式橋墩體系對(duì)比

2 裝配式橋墩抗震性能提升方法

除了對(duì)不同連接形式的裝配式橋墩開(kāi)展抗震性能驗(yàn)證和影響因素探究以外,國(guó)內(nèi)外學(xué)者還致力于將高性能材料和新型連接裝置應(yīng)用到橋墩上,或結(jié)合不同橋墩連接形式的優(yōu)勢(shì)形成混合抗震體系,從而提升裝配式橋墩的抗震性能.下面對(duì)現(xiàn)有的性能提升方法進(jìn)行系統(tǒng)梳理.

2.1 高性能材料應(yīng)用

裝配式橋墩變形主要集中在接縫附近,該處受力極為不利.采用常規(guī)的鋼筋混凝土材料容易造成過(guò)早發(fā)生混凝土壓潰或者鋼筋屈曲、斷裂現(xiàn)象.在鋼筋搭接區(qū)域混凝土強(qiáng)度不夠時(shí),存在鋼筋由于握裹力不足而提前發(fā)生拔出破壞的風(fēng)險(xiǎn).此外,橋墩構(gòu)件在施工和運(yùn)輸過(guò)程中可能承受拉力(如吊裝)而出現(xiàn)早期開(kāi)裂損傷,在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中也可能發(fā)生鋼筋銹蝕,從而降低橋墩的力學(xué)性能.針對(duì)上述問(wèn)題,學(xué)者們將高性能材料應(yīng)用到關(guān)鍵部位以避免局部失效,從而改善整個(gè)橋墩的抗震性能.這些高性能材料包括工程水泥復(fù)合材料(engineered cementitious composites, ECC)、超高性能混凝土(ultra high performance concrete, UHPC)、纖維增強(qiáng)聚合物(fiber-reinforced polymer, FRP)、形狀記憶合金(shape memory alloy, SMA)等.

ECC的抗拉強(qiáng)度高、韌性好,應(yīng)用在預(yù)制節(jié)段之間的灌漿連接時(shí)可以避免連接受拉損傷失效[8],應(yīng)用在塑性鉸區(qū)時(shí)能夠明顯減少混凝土剝落,防止鋼筋屈曲和剛度退化,顯著提升承載、變形和耗能能力,但并不影響裂縫發(fā)展[36-37].UHPC的抗壓和抗拉強(qiáng)度都較高,用作灌漿料可以提高黏結(jié)強(qiáng)度,避免連接處混凝土壓壞,而且鋼筋錨固長(zhǎng)度或墩身承插深度均隨黏結(jié)強(qiáng)度的提高而減小,橋墩滯回曲線多呈弓形,塑性鉸區(qū)在連接段以外的墩身發(fā)展,可以通過(guò)增強(qiáng)墩身配箍來(lái)增大變形能力[6,38-41].此外,將UHPC用于墩底節(jié)段能夠大幅減小搖擺接縫處損傷和殘余位移,不需要額外布置鋼筋就能形成旗幟形滯回[42].FRP的抗拉強(qiáng)度高,SMA具有自復(fù)位能力,兩者都能改善預(yù)應(yīng)力筋[7]或耗能鋼筋[43-45]屈服后塑性變形、殘余變形大的問(wèn)題.FRP還能替代鋼管包裹在預(yù)制節(jié)段墩柱的外部以減小混凝土損傷[46-47].采用上述高性能材料加固后的橋墩塑性鉸區(qū)破壞如圖11所示.

(a) ECC[8]

高性能材料的應(yīng)用能夠避免連接處受力集中破壞或減小筋材塑性變形,從而優(yōu)化橋墩整體響應(yīng),且僅應(yīng)用在局部并不一定會(huì)明顯增加造價(jià).然而,新型材料的本構(gòu)關(guān)系、與傳統(tǒng)材料的黏結(jié)性能、最優(yōu)材料應(yīng)用量等仍需進(jìn)一步深入研究.

2.2 節(jié)段接縫連接裝置的優(yōu)化

除了應(yīng)用高性能材料,學(xué)者們還通過(guò)優(yōu)化節(jié)段接縫處的連接裝置來(lái)提高橋墩的抗震性能和可施工性.為了減小鋼筋在連接裝置中的滑移和拔出、避免裝置與混凝土黏結(jié)失效,鄭永峰等[48-50]通過(guò)在灌漿套筒和波紋管內(nèi)部設(shè)置凸環(huán)肋、楔塊以及在外壁增加環(huán)狀凹槽等方式,提高連接裝置與鋼筋、混凝土之間的黏結(jié)強(qiáng)度和承載能力,減小錨固長(zhǎng)度,減緩剛度退化,改進(jìn)后滯回曲線多呈弓形.為了改善節(jié)點(diǎn)受力,Guerrini等[51]在預(yù)應(yīng)力筋錨固處設(shè)置橡膠或聚丙烯墊層,以降低預(yù)應(yīng)力體系剛度,避免應(yīng)力集中,提高變形能力；杜青等[52-54]在節(jié)段交界面上加入鋼管、芯榫以提供抗剪能力,并額外內(nèi)置彈性墊塊,減小局部混凝土損傷,滯回曲線多呈反S形.針對(duì)耗能裝置震后需要快速更換的問(wèn)題,學(xué)者們采用可更換UHPC板以及鋼板等方便替換的外置耗能裝置來(lái)提高橋墩的承載力和耗能能力[47,55-56].相關(guān)裝置的構(gòu)造示意見(jiàn)圖12.

(a) 變形鋼管灌漿套筒[48]

采用新型連接裝置、節(jié)點(diǎn)改善裝置能夠優(yōu)化節(jié)段接縫處的受力,避免節(jié)段處連接失效、變形過(guò)大,外置耗能裝置方便檢修替換,已應(yīng)用于工程實(shí)際中[27,55].然而,上述新型裝置的推廣仍面臨設(shè)計(jì)方法不統(tǒng)一、加工和安裝工藝不成熟、特殊環(huán)境下金屬的耐久性不足等問(wèn)題,還需要進(jìn)行深入研究.

2.3 混合體系

等同現(xiàn)澆體系的整體性和耗能能力較好,非等同現(xiàn)澆體系則具有獨(dú)特的自復(fù)位能力.將這2種裝配式橋墩體系變形機(jī)制相結(jié)合,便可形成混合體系.為了增強(qiáng)墩底塑性變形能力,Zhang等[57-58]將橋墩底部與承臺(tái)現(xiàn)澆形成整體,在橋墩上部采用節(jié)段拼裝,并施加預(yù)應(yīng)力形成混合體系,墩底塑性鉸充分發(fā)展,滯回曲線呈反S形和旗幟形,下部結(jié)構(gòu)采用UHPC時(shí)能進(jìn)一步提高位移能力.Mohebbi等[7,59-60]將后張預(yù)應(yīng)力分別與承插式連接、灌漿套筒連接結(jié)合,提高開(kāi)裂荷載和屈服荷載,并獲得自復(fù)位能力,滯回曲線向旗幟形轉(zhuǎn)變.

墩底節(jié)段采用現(xiàn)澆與承臺(tái)形成整體,可以避開(kāi)墩底接縫對(duì)塑性鉸發(fā)展的不利影響.將預(yù)應(yīng)力應(yīng)用到等同現(xiàn)澆體系中形成混合體系,能夠有效提高裝配式橋墩的自復(fù)位能力,明顯改善抗震性能.然而,混合體系又同時(shí)存在2種體系各自的問(wèn)題,如塑性鉸維修困難、采用預(yù)應(yīng)力筋會(huì)提高施工和維護(hù)等方面的操作難度等,在實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)當(dāng)充分權(quán)衡利弊.

3 裝配式橋墩抗震性能研究方法

裝配式橋墩抗震性能研究方法分為理論分析、模型試驗(yàn)及數(shù)值模擬.在地震作用下裝配式橋墩的力學(xué)行為具有明顯的非線性特征,直接開(kāi)展理論分析難度較大,近年來(lái)學(xué)者們致力于提出簡(jiǎn)化模型,推導(dǎo)理論公式,為設(shè)計(jì)提供參考.例如,將等同現(xiàn)澆體系不同連接形式均簡(jiǎn)化成集中塑性鉸,將雙柱墩簡(jiǎn)化成墩高為反彎點(diǎn)至墩底的單柱墩,對(duì)塑性鉸長(zhǎng)度、轉(zhuǎn)動(dòng)角度等進(jìn)行修正得到理論公式[61-62],將承插橋墩類比為嵌巖樁以確定最小的承插深度[9].對(duì)于非等同現(xiàn)澆體系,一般要求橋墩處于彈性階段,因此可基于剛體假設(shè)開(kāi)展理論分析[58,63],將墩底截面邊緣混凝土消壓,將耗能鋼筋屈服作為力學(xué)行為臨界點(diǎn)；然而,忽略鋼筋黏結(jié)滑移和搖擺節(jié)點(diǎn)損傷等非線性因素會(huì)引起較大的誤差.

模型試驗(yàn)是最能夠真實(shí)反映裝配式橋墩力學(xué)性能的方法.根據(jù)試驗(yàn)對(duì)象層次可以分為裝置、構(gòu)件、體系,根據(jù)試驗(yàn)方法可以分為拔出試驗(yàn)、擬靜力試驗(yàn)、擬動(dòng)力試驗(yàn)和振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn),根據(jù)加載方向可以分為單向和多向.其中,文獻(xiàn)[18,50]中的連接裝置軸向拔出試驗(yàn)和文獻(xiàn)[5,47]中的構(gòu)件單向擬靜力試驗(yàn)最為常見(jiàn),文獻(xiàn)[7,26]中的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)也逐漸增多,試驗(yàn)結(jié)果能夠確定鋼筋的搭接和錨固長(zhǎng)度,得到橋墩骨架曲線、滯回曲線和破壞模式.然而,最常用的單向擬靜力試驗(yàn)無(wú)法考慮動(dòng)力因素以及來(lái)自另一方向的耦合效應(yīng),實(shí)際地震則多數(shù)與橋梁呈一定角度輸入,因此試驗(yàn)結(jié)果難以反映真實(shí)響應(yīng).鑒于此,近年來(lái)裝配式橋墩試驗(yàn)方法朝著多向加載發(fā)展,如雙向擬靜力試驗(yàn)、多向振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)等.雙向擬靜力試驗(yàn)可用于研究加載路徑對(duì)橋墩性能的影響,橋墩在雙向荷載耦合作用下水平承載力和極限位移均減小[64],損傷更加嚴(yán)重,得到的彎矩能力更能校核節(jié)段拼裝墩的極限承載能力[65].多向振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)軌蛱骄拷鼣鄬拥卣饘?duì)橋墩性能的影響,豎向地震動(dòng)會(huì)造成軸力變化,削弱橋墩能力并增大響應(yīng),而三向輸入或非一致激勵(lì)則會(huì)使橋墩響應(yīng)減小[66-67].此外,子結(jié)構(gòu)擬動(dòng)力試驗(yàn)既能夠反應(yīng)地震動(dòng)特性,又能對(duì)單個(gè)構(gòu)件進(jìn)行加載,放寬對(duì)縮尺比的要求[68],但在裝配式橋墩上應(yīng)用較少,值得推廣使用.

數(shù)值模擬分析一般先基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型校核,然后對(duì)建立的模型進(jìn)行參數(shù)分析.常見(jiàn)的數(shù)值模型包括纖維模型和實(shí)體模型.以典型的非等同現(xiàn)澆裝配式橋墩為例,常用模型見(jiàn)圖13.纖維模型基于開(kāi)源有限元軟件OpenSees,將截面劃分為若干層纖維,相較于塑性鉸單元,能夠更真實(shí)地反映截面屈服過(guò)程,而且考慮了動(dòng)軸力的影響,計(jì)算速度快,擬合效果好.近年來(lái),模型建立的方法也得到了快速發(fā)展,如采用素混凝土截面、零長(zhǎng)度不受拉彈簧、零長(zhǎng)度轉(zhuǎn)動(dòng)彈簧來(lái)模擬接縫[51,63,69],采用不受拉彈簧模擬灌漿料[9],采用修正的鋼筋應(yīng)力應(yīng)變來(lái)模擬鋼筋黏結(jié)滑移[70],采用大直徑鋼筋模擬墩身內(nèi)的套筒[11].實(shí)體模型通?；贏NSYS、ABAQUS等大型通用有限元軟件,需要設(shè)置準(zhǔn)確的材料特性、邊界約束等,結(jié)果能夠直觀反映應(yīng)力應(yīng)變分布,判斷損傷位置和破壞模式,但計(jì)算量較大,在需要精確分析橋墩應(yīng)力分布以探究新型裝置力學(xué)性能[22]、驗(yàn)證新材料模型[70]等情況下具有顯著優(yōu)勢(shì).數(shù)值模型的精度與很多因素有關(guān),計(jì)算結(jié)果未必在每個(gè)加載步都能與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好,校核時(shí)應(yīng)當(dāng)更關(guān)注橋墩力學(xué)行為、損傷發(fā)展過(guò)程與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果是否一致.

(a) 纖維模型

4 發(fā)展前景與展望

通過(guò)對(duì)不同連接形式的裝配式橋墩抗震性能開(kāi)展深入研究,揭示了裝配式橋墩的力學(xué)機(jī)理和抗震能力,部分成果已經(jīng)應(yīng)用于實(shí)際工程中.然而,裝配式橋墩的進(jìn)一步推廣應(yīng)用還存在一定問(wèn)題.

4.1 體系層面的需求分析

抗震設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)是滿足需求與能力的平衡關(guān)系.目前研究多數(shù)集中于局部構(gòu)造和構(gòu)件,僅對(duì)橋墩構(gòu)件進(jìn)行分析,著眼于整個(gè)橋梁體系層面的研究較少,無(wú)法全面反映橋墩的需求,造成橋墩的能力既可能過(guò)分保守,也可能不夠安全.

4.1.1 基于體系構(gòu)件的地震損傷轉(zhuǎn)移

除橋墩外,其他橋梁構(gòu)件(如伸縮縫、擋塊等)在地震作用下也可能發(fā)生損傷和破壞.目前,對(duì)裝配式橋墩的研究只針對(duì)橋墩自身,未能考慮地震作用下預(yù)制橋墩與體系其他構(gòu)件之間的相互影響.Zhao等[71]通過(guò)有限元模型分析發(fā)現(xiàn),相較于整體現(xiàn)澆體系,裝配式橋墩橋梁的橋面振動(dòng)更為劇烈,橋墩進(jìn)入塑性后主梁之間的碰撞次數(shù)更多,主梁碰撞對(duì)橋墩峰值響應(yīng)具有一定的改善作用；然而,該方面的研究相對(duì)較少,需要進(jìn)行深入分析以得到更準(zhǔn)確更全面的結(jié)論.另一方面,從抗震體系分類來(lái)看,只有延性體系才會(huì)對(duì)裝配式橋墩自身的極限變形能力、耗能能力等抗震性能有較高的要求.減隔震體系的損傷主要集中在減隔震裝置,對(duì)橋墩的性能需求可以大幅減小,而且震后維修方便,非常適合裝配式橋墩體系,相關(guān)應(yīng)用集中在增大結(jié)構(gòu)阻尼方面,如設(shè)置外置耗能裝置[47,55-56].支座支承原本就是裝配式上部結(jié)構(gòu)(如小箱梁、T梁等)的必要條件,可以釋放溫度變形,更符合設(shè)計(jì)習(xí)慣,采用減隔震支座(如鉛芯橡膠支座)能夠有效減小預(yù)制拼裝橋墩橋梁在地震下的主梁位移和橋墩內(nèi)力[72],但相關(guān)研究較少.因此,如何將橋梁體系的性能需求合理分配給各個(gè)構(gòu)件需要進(jìn)行深入研究.

4.1.2 基于體系荷載的多災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

我國(guó)正處于經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的階段,道路車流量的增長(zhǎng)速度相當(dāng)可觀,車輛荷載的作用值和作用時(shí)間都顯著增加,在地震過(guò)程中橋梁上仍有車輛通行已經(jīng)不是小概率事件.此外,車輛超載的頻率也有所增加.近年來(lái)發(fā)生了如哈爾濱陽(yáng)明灘大橋匝道橋等多起重車偏載引起的橋梁傾覆事故.位于交通主干線的橋梁需要將車輛荷載視作常態(tài)并納入抗震分析中的一部分,甚至還需要考慮超載偏載的情形.現(xiàn)有裝配式橋墩試驗(yàn)和分析集中于針對(duì)單墩水平方向的加載分析,車輛荷載往往與上部結(jié)構(gòu)恒載一起簡(jiǎn)化為豎向力或質(zhì)量塊,甚至不予考慮.一方面,車輛可以發(fā)揮類似質(zhì)量調(diào)諧阻尼器的作用,減小橋墩響應(yīng)[73],車輛荷載也增大了橋墩的軸壓比和屈服荷載；另一方面,車輛偏載會(huì)給橋墩帶來(lái)初始的偏心力矩,裝配式橋墩的墩身接縫容易張開(kāi),橋墩更容易屈服.更重要的是,地震作用下?lián)u擺橋墩存在側(cè)傾失效的風(fēng)險(xiǎn)[74],車輛偏載對(duì)此可能有加劇作用.車輛荷載對(duì)橋墩性能需求的影響、對(duì)橋墩在地震作用下真實(shí)破壞模式的改變等相關(guān)方面的研究較為缺乏.

此外,橋梁還可能會(huì)遭遇如車輛碰撞、爆炸、火災(zāi)等其他偶然作用.這些災(zāi)害既可能先對(duì)橋墩造成損傷并削弱其抗震能力,也可能與地震共同作用增大橋墩性能需求,如地震時(shí)車輛無(wú)法正常行駛而發(fā)生碰撞、引發(fā)爆炸和火災(zāi)等極端情形.裝配式橋墩橋梁和整體橋墩橋梁受到的影響并不相同.例如,前者在車輛撞擊下位移響應(yīng)更大,殘余變形也存在區(qū)別[75].是否能夠考慮多災(zāi)害耦合作用,對(duì)裝配式橋墩橋梁體系進(jìn)行更高層次的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是值得深入探討的問(wèn)題之一.

4.2 裝配式橋梁全壽命周期的抗震設(shè)計(jì)

橋梁的服役年限較長(zhǎng),性能并非保持不變.近年來(lái),學(xué)者們致力于實(shí)現(xiàn)橋梁全壽命周期設(shè)計(jì)研究,裝配式橋梁體系也應(yīng)當(dāng)被納入研究范疇.裝配式橋梁的全壽命周期包括設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)、管養(yǎng)、維修、拆除、再利用,可以劃分為2個(gè)主要階段：從決策到成橋的實(shí)施階段以及從成橋到拆除的運(yùn)維階段.抗震設(shè)計(jì)也應(yīng)當(dāng)滿足相應(yīng)的要求.

4.2.1 標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)方法

在實(shí)施階段,裝配式橋墩橋梁缺乏統(tǒng)一、成熟的抗震設(shè)計(jì)方法.我國(guó)的橋梁抗震規(guī)范僅能指導(dǎo)現(xiàn)澆體系,并不完全適用于裝配式橋墩橋梁.等同現(xiàn)澆體系在一定程度上可以參考延性體系進(jìn)行設(shè)計(jì),但前提是能夠保證接縫連接的可靠性.Tazarv等[20,41]提出了基于試驗(yàn)的保證連接強(qiáng)度的設(shè)計(jì)方法,但橋墩承插深度、鋼筋錨固長(zhǎng)度等關(guān)鍵參數(shù)并沒(méi)有統(tǒng)一定論.針對(duì)非等同現(xiàn)澆體系的研究仍停留在理論分析和性能驗(yàn)證階段,設(shè)計(jì)方法尚未成熟,存在搖擺彈簧等參數(shù)不一致的問(wèn)題.真正將其作為抗震體系進(jìn)行設(shè)計(jì)的僅有針對(duì)性較強(qiáng)的試點(diǎn)橋梁如新西蘭Wigram-Magda橋[27].具體的接縫構(gòu)造、耗能裝置設(shè)計(jì)等還需進(jìn)一步完善,才能實(shí)現(xiàn)推廣應(yīng)用.

4.2.2 耐久性的檢修維護(hù)

在運(yùn)維階段,裝配式橋墩橋梁需要考慮材料性能退化和結(jié)構(gòu)損傷對(duì)抗震性能的影響.目前,不同連接形式的裝配式橋墩抗震性能研究均只針對(duì)初始成橋階段.橋墩性能并非一成不變,在碳化、氯離子侵蝕等環(huán)境作用下材料會(huì)發(fā)生劣化,在車輛、地震、火災(zāi)等荷載作用下結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生損傷,相關(guān)研究較為缺乏.裝配式橋墩由于存在貫穿截面的天然接縫,容易受到環(huán)境侵蝕,金屬耗能裝置腐蝕會(huì)造成耗能效果、最大變形能力明顯下降[76],鋼筋的腐蝕會(huì)明顯降低預(yù)制橋墩的變形能力和強(qiáng)度[77].此外,即使在正常使用狀態(tài)下,鋼筋混凝土也存在徐變和松弛現(xiàn)象,都會(huì)對(duì)橋墩的抗震性能造成影響.因此,首先應(yīng)當(dāng)做好裝配式橋墩的防腐工作,特別是暴露在空氣中的外置耗能裝置；其次,應(yīng)定期檢測(cè)鋼筋銹蝕程度、預(yù)應(yīng)力水平等關(guān)鍵指標(biāo),必要時(shí)可以應(yīng)用橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),在設(shè)計(jì)階段決定檢測(cè)方法并預(yù)留相應(yīng)的操作空間；最后,應(yīng)針對(duì)裝配式橋墩在劣化和損傷后的抗震性能開(kāi)展研究,確定更換維修的部位和臨界退化指標(biāo),并制定相應(yīng)的維修策略.

4.3 基于韌性抗震理念的橋墩性能要求

社會(huì)對(duì)城市抗震要求不斷提高,韌性抗震的理念也隨之而來(lái).韌性是指系統(tǒng)在受到外界擾動(dòng)后的抵抗、恢復(fù)和適應(yīng)能力[2],體現(xiàn)在以下2個(gè)方面：① 提高抗震性能避免破壞；② 震后快速修復(fù).目前的橋梁韌性抗震主要針對(duì)整體現(xiàn)澆體系,需要深入研究如何結(jié)合裝配式橋墩的天然特點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)韌性抗震的2個(gè)要求.

4.3.1 基于連接特點(diǎn)的新型減震手段

與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)相比,裝配式結(jié)構(gòu)的最大特點(diǎn)是存在節(jié)段接縫.節(jié)段接縫會(huì)導(dǎo)致裝配式橋墩整體性不如現(xiàn)澆橋墩,但又為搖擺體系提供了天然的搖擺界面.為了充分利用節(jié)段接縫并避免搖擺過(guò)程中的混凝土損傷,Sideris等[66]在橋墩預(yù)制節(jié)段間設(shè)置了滑動(dòng)接縫,接縫處的搖擺和滑動(dòng)提供隔震和耗能能力,并由后張預(yù)應(yīng)力實(shí)現(xiàn)震后自復(fù)位功能；ElGawady等[78-79]在節(jié)段接縫中插入橡膠墊塊,以降低橋墩的初始剛度和地震力需求,進(jìn)一步提高位移能力,并減小橋墩的損傷和殘余位移；趙建鋒等[72]將墩底接縫的彈性橡膠墊層替換為鉛芯支座,從而增大了耗能能力.劉世佳等[80]發(fā)現(xiàn)將減隔震支座放于墩身中間可以更有效地改善山區(qū)高墩和非等墩高橋梁的受力,而節(jié)段拼裝橋墩正好能夠提供放置支座的接縫.對(duì)于等同現(xiàn)澆體系,節(jié)段接縫之間存在套筒等連接裝置.這些裝置通常作為保護(hù)構(gòu)件不允許發(fā)生損傷和破壞,強(qiáng)度和剛度較大,影響塑性鉸發(fā)展并減小了橋墩的變形能力[17].如果能夠?qū)⑦@些裝置設(shè)置成減隔震裝置,保證正常使用狀態(tài)剛度需求的前提下,允許在地震中屈服并保證快速維修,同樣可以改善橋墩受力.合理應(yīng)用節(jié)段接縫和連接裝置來(lái)提高裝配式橋墩的抗震性能具有重大研究意義,目前相關(guān)方面的研究較為缺乏.

4.3.2 模塊化的快速修復(fù)

快速修復(fù)是韌性抗震理念的關(guān)鍵.等同現(xiàn)澆體系的破壞多數(shù)呈典型的塑性鉸破壞特征,損傷較小時(shí)需要重新澆筑保護(hù)層,中等損傷時(shí)可以在墩底外圍布置一圈鋼套筒或CFRP套筒并澆筑混凝土[77],損傷嚴(yán)重時(shí)往往需要將整個(gè)塑性鉸區(qū)域拆除重建,修復(fù)困難,無(wú)法滿足快速恢復(fù)的要求.另一方面,套筒、波紋管等連接裝置在地震中也會(huì)受到損傷,損傷后的力學(xué)性能是否依舊能夠滿足抗震的要求、如何判斷不能繼續(xù)承載、如何進(jìn)行更換等相關(guān)問(wèn)題還需要進(jìn)一步探討.對(duì)于非等同現(xiàn)澆體系,受控?fù)u擺行為使得墩身基本保持彈性,墩底混凝土的加強(qiáng)也可以有效限制搖擺界面的損傷,外置的耗能裝置方便維修更換,因此能夠較好地體現(xiàn)韌性抗震的理念.然而,非等同現(xiàn)澆體系的關(guān)鍵指標(biāo)預(yù)應(yīng)力水平在地震作用下?lián)p失可達(dá)40%[66],使得抗震性能大幅退化,且橋墩預(yù)應(yīng)力檢測(cè)、補(bǔ)張拉以及更換難度都較大.裝配式結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在模塊化的施工加速了建造過(guò)程,如何將連接裝置、預(yù)應(yīng)力、墩身節(jié)段等劃分成標(biāo)準(zhǔn)化的零件,進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)震后損傷的模塊化快速修復(fù),還是尚未解決的難題,需要進(jìn)一步深入研究.

5 結(jié)論

1) 裝配式橋墩的連接形式包括現(xiàn)澆濕接縫連接、預(yù)留槽式連接、承插式連接、灌漿套筒連接、灌漿波紋管連接、后張預(yù)應(yīng)力連接、機(jī)械套筒連接、法蘭盤(pán)連接、鋼板連接等,可以根據(jù)滯回曲線、破壞模式等抗震性能分為等同現(xiàn)澆體系和非等同現(xiàn)澆體系.等同現(xiàn)澆體系在地震作用下呈典型的塑性鉸破壞,耗能能力強(qiáng),殘余位移大.非等同現(xiàn)澆體系能夠通過(guò)搖擺隔震令墩身處于彈性狀態(tài),并通過(guò)預(yù)應(yīng)力提供自復(fù)位能力,耗能能力主要依靠墩身內(nèi)部的耗能鋼筋或者外部的耗能裝置.在實(shí)際工程中,設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)抗震性能、設(shè)計(jì)施工、運(yùn)營(yíng)維護(hù)等各方面要求選擇合理的連接方式.

2) 高強(qiáng)材料、新型裝置、混合體系的應(yīng)用能夠提高裝配式橋墩的抗震性能.ECC和UHPC能減輕塑性鉸的混凝土受損程度,后者還能用作灌漿料,提高黏結(jié)強(qiáng)度,減小鋼筋錨固長(zhǎng)度和橋墩承插深度.FRP和SMA能夠減小橋墩損傷和殘余變形.新型連接裝置和節(jié)點(diǎn)改善裝置可以進(jìn)一步保證鋼筋連接、改善接縫受力,外置耗能裝置則可加快震后修復(fù)速度.結(jié)合多種連接形式的混合體系能夠同時(shí)具備較好的耗能能力和自復(fù)位能力.

3) 裝配式橋墩抗震性能研究方法包括理論分析、模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬.理論分析可以得到簡(jiǎn)化的力學(xué)模型.相較于單向擬靜力加載,多向加載的模型試驗(yàn)?zāi)軌虻玫礁娴目拐鹉芰蛣?dòng)力響應(yīng).纖維模型需要的參數(shù)少,擬合效果好,計(jì)算速度快.實(shí)體模型在需要進(jìn)行精細(xì)分析局部受力以及考慮破壞模式時(shí)具有顯著優(yōu)勢(shì).實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)根據(jù)研究目的和現(xiàn)有條件進(jìn)行選擇.

4) 裝配式橋墩的推廣應(yīng)用還面臨著新的挑戰(zhàn).首先,應(yīng)當(dāng)從橋梁體系層面分析裝配式橋墩的性能,體系構(gòu)件的損傷轉(zhuǎn)移可以減小裝配式橋墩的響應(yīng),考慮車輛荷載偏載以及偶然作用的多災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估則會(huì)顯著增大橋墩的需求甚至改變破壞模式.其次,裝配式橋墩橋梁全壽命周期設(shè)計(jì)在實(shí)施階段缺少統(tǒng)一成熟的設(shè)計(jì)方法,在運(yùn)維階段缺少劣化和損傷的檢測(cè)及其對(duì)抗震性能的影響指標(biāo).最后,韌性理念對(duì)裝配式橋墩提出了新的抗震要求,節(jié)段接縫的利用可以提高橋墩的抗震性能,震后橋墩也應(yīng)繼續(xù)保持模塊化的優(yōu)勢(shì),實(shí)現(xiàn)快速修復(fù).