袁萬城 鐘海強 黨新志 鄧小偉

(1同濟大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點實驗室, 上海 200092)(2同濟大學(xué)建筑設(shè)計研究院(集團)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,符合“綠色建造”的理念,是我國建筑結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢.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從現(xiàn)場施工為主逐步過渡到裝配化施工,但主要應(yīng)用仍集中在非震區(qū)和低震區(qū).國外在這方面的研究和應(yīng)用起步較早,美國于1955年首次采用預(yù)制墩柱承臺建成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.我國在跨海大橋引橋、城市高架橋等橋梁建設(shè)中也開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、整體性和變形能力差的問題,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,國內(nèi)外學(xué)者開展了一系列的模型試驗和數(shù)值試驗,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)計方法,未能結(jié)合裝配式結(jié)構(gòu)天然特點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.通過已有工程實例和施工特點,對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)進行對比.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)用于橋墩時的優(yōu)勢與不足,并將研究方法區(qū)分為理論分析、模型試驗和數(shù)值模擬3類,進行梳理總結(jié).最后,提出進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、韌性理念要求帶來的挑戰(zhàn),指出研究方向,為國內(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、工程實例和抗震性能.

1.1 等同現(xiàn)澆體系

等同現(xiàn)澆體系是指通過可靠的節(jié)段連接來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).其特點為：滯回曲線較為飽滿,一般呈梭形和弓形(見圖1(a)和(b)),耗能能力強,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)埋主筋并通過搭接等方式連接,現(xiàn)場澆筑混凝土形成濕接縫完成連接.其特點為：存在大量的現(xiàn)場作業(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的連接,典型構(gòu)造與工程應(yīng)用見圖2.該連接方式整體性好,施工質(zhì)量得到保證時抗震性能與整體現(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砂漿完成連接,通常還會在槽孔處預(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)制墩身嵌入到承臺或者蓋梁的預(yù)留孔洞或者承臺的鋼筋籠中,底部鋪設(shè)高強水泥砂漿,四周填充混凝土完成連接.兩者的構(gòu)造示意圖和工程實例照片分別見圖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)場作業(yè)量,但應(yīng)用在墩頂時需要為蓋梁提供臨時支撐,槽孔的存在還會影響鋼筋的布置.承插式連接沒有鋼筋穿過墩柱與蓋梁或承臺之間的界面,故能進一步減少現(xiàn)場作業(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度和承插式連接的橋墩埋深決定了槽孔深度,對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,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套筒,向套筒內(nèi)灌注高強灌漿料,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、墩底與承臺之間3個連接位置處.墩頂或墩底的接觸面一般采用高強砂漿墊層,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)埋在承臺或蓋梁內(nèi)的波紋管中,在接縫處鋪設(shè)高強砂漿,就位后灌漿完成連接.這2種連接的構(gòu)造示意圖與工程實例照片分別見圖5和圖6.灌漿套筒施工速度較快,精度要求高,套筒內(nèi)灌漿密實度直接影響橋墩的受力性能.灌漿波紋管的精度要求相對較低,縱筋搭接更加充分,整體性更好,但需要更充分的搭接長度以及更高的蓋梁高度,而且墩柱外伸鋼筋更長,運輸難度更大.

(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,墩身損傷較小,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,可以通過將套筒預(yù)埋在承臺內(nèi)部以及增強塑性鉸區(qū)配箍的方法來改善橋墩的延性和耗能能力,通過提高縱筋強度來增加橋墩的極限強度[11,15-16].增大套筒的直徑和長度會增加套筒的剛性長度,造成接縫處鋼筋過早拔出,軸壓比較小時更為不利[12,17-18].灌漿波紋管連接橋墩的性能基本能達到整體現(xiàn)澆水平,連接強度與管道尺寸、混凝土和灌漿強度有關(guān)[19-20].除了上述常見的連接形式,近年來學(xué)者們還對機械套筒連接、法蘭盤連接、螺栓連接、管栓連接等連接形式開展了分析(見圖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) 機械套筒[21]

1.2 非等同現(xiàn)澆體系

節(jié)段接縫容易張開、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引起的剛體轉(zhuǎn)動,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幾乎沒有耗能能力.

(a) 體系構(gòu)造

非等同現(xiàn)澆體系一般采用無黏結(jié)后張預(yù)應(yīng)力連接,要求在墩身、蓋梁和承臺中預(yù)留孔道,節(jié)段就位后,將預(yù)應(yīng)力筋穿過孔道,并在兩端張拉錨固,將橋墩、蓋梁、承臺整體連接.預(yù)應(yīng)力筋可以采用高強精軋螺紋鋼筋或高強鋼絞線.高強螺紋鋼筋一般為直束,兩端分別錨固于蓋梁和承臺處,鋼絞線可以采用U形錨固在蓋梁上.精軋螺紋鋼筋在承臺處錨固工藝復(fù)雜,鋼絞線對彎曲半徑要求高,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)造示意圖與工程實例照片見圖9.

(a) 構(gòu)造

無黏結(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級震級的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,采用高強螺紋鋼筋時更為明顯,可以通過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,提高橋墩的強度、剛度和耗能能力[33],通過提高鋼筋強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 裝配式橋墩體系對比

為更直觀地展示并對比已有裝配式橋墩連接形式的特點,圖10給出了不同連接形式裝配式橋墩的破壞模式.6種常見連接形式的施工特點、抗震性能及工程實例見表1.不同體系的抗震性能、設(shè)計施工、運營維護對比見表2.實際應(yīng)用時,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 常見連接形式的施工特點和抗震性能

表2 裝配式橋墩體系對比

2 裝配式橋墩抗震性能提升方法

除了對不同連接形式的裝配式橋墩開展抗震性能驗證和影響因素探究以外,國內(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.下面對現(xiàn)有的性能提升方法進行系統(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)域混凝土強度不夠時,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.此外,橋墩構(gòu)件在施工和運輸過程中可能承受拉力(如吊裝)而出現(xiàn)早期開裂損傷,在運營過程中也可能發(fā)生鋼筋銹蝕,從而降低橋墩的力學(xué)性能.針對上述問題,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)、纖維增強聚合物(fiber-reinforced polymer, FRP)、形狀記憶合金(shape memory alloy, SMA)等.

ECC的抗拉強度高、韌性好,應(yīng)用在預(yù)制節(jié)段之間的灌漿連接時可以避免連接受拉損傷失效[8],應(yīng)用在塑性鉸區(qū)時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的抗壓和抗拉強度都較高,用作灌漿料可以提高黏結(jié)強度,避免連接處混凝土壓壞,而且鋼筋錨固長度或墩身承插深度均隨黏結(jié)強度的提高而減小,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,可以通過增強墩身配箍來增大變形能力[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明顯增加造價.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)者們還通過優(yōu)化節(jié)段接縫處的連接裝置來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)強度和承載能力,減小錨固長度,減緩剛度退化,改進后滯回曲線多呈弓形.為了改善節(jié)點受力,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.針對耗能裝置震后需要快速更換的問題,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)造示意見圖12.

(a) 變形鋼管灌漿套筒[48]

采用新型連接裝置、節(jié)點改善裝置能夠優(yōu)化節(jié)段接縫處的受力,避免節(jié)段處連接失效、變形過大,外置耗能裝置方便檢修替換,已應(yīng)用于工程實際中[27,55].然而,上述新型裝置的推廣仍面臨設(shè)計方法不統(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題,還需要進行深入研究.

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)澆體系則具有獨特的自復(fù)位能力.將這2種裝配式橋墩體系變形機制相結(jié)合,便可形成混合體系.為了增強墩底塑性變形能力,Zhang等[57-58]將橋墩底部與承臺現(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時能進一步提高位移能力.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)澆與承臺形成整體,可以避開墩底接縫對塑性鉸發(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,混合體系又同時存在2種體系各自的問題,如塑性鉸維修困難、采用預(yù)應(yīng)力筋會提高施工和維護等方面的操作難度等,在實際應(yīng)用時應(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,直接開展理論分析難度較大,近年來學(xué)者們致力于提出簡化模型,推導(dǎo)理論公式,為設(shè)計提供參考.例如,將等同現(xiàn)澆體系不同連接形式均簡化成集中塑性鉸,將雙柱墩簡化成墩高為反彎點至墩底的單柱墩,對塑性鉸長度、轉(zhuǎn)動角度等進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；然而,忽略鋼筋黏結(jié)滑移和搖擺節(jié)點損傷等非線性因素會引起較大的誤差.

模型試驗是最能夠真實反映裝配式橋墩力學(xué)性能的方法.根據(jù)試驗對象層次可以分為裝置、構(gòu)件、體系,根據(jù)試驗方法可以分為拔出試驗、擬靜力試驗、擬動力試驗和振動臺試驗,根據(jù)加載方向可以分為單向和多向.其中,文獻[18,50]中的連接裝置軸向拔出試驗和文獻[5,47]中的構(gòu)件單向擬靜力試驗最為常見,文獻[7,26]中的振動臺試驗也逐漸增多,試驗結(jié)果能夠確定鋼筋的搭接和錨固長度,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無法考慮動力因素以及來自另一方向的耦合效應(yīng),實際地震則多數(shù)與橋梁呈一定角度輸入,因此試驗結(jié)果難以反映真實響應(yīng).鑒于此,近年來裝配式橋墩試驗方法朝著多向加載發(fā)展,如雙向擬靜力試驗、多向振動臺試驗等.雙向擬靜力試驗可用于研究加載路徑對橋墩性能的影響,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].多向振動臺試驗?zāi)軌蛱骄拷鼣鄬拥卣饘蚨招阅艿挠绊?豎向地震動會造成軸力變化,削弱橋墩能力并增大響應(yīng),而三向輸入或非一致激勵則會使橋墩響應(yīng)減小[66-67].此外,子結(jié)構(gòu)擬動力試驗既能夠反應(yīng)地震動特性,又能對單個構(gòu)件進行加載,放寬對縮尺比的要求[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數(shù)據(jù)進行模型校核,然后對建立的模型進行參數(shù)分析.常見的數(shù)值模型包括纖維模型和實體模型.以典型的非等同現(xiàn)澆裝配式橋墩為例,常用模型見圖13.纖維模型基于開源有限元軟件OpenSees,將截面劃分為若干層纖維,相較于塑性鉸單元,能夠更真實地反映截面屈服過程,而且考慮了動軸力的影響,計算速度快,擬合效果好.近年來,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、零長度不受拉彈簧、零長度轉(zhuǎn)動彈簧來模擬接縫[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]、驗證新材料模型[70]等情況下具有顯著優(yōu)勢.數(shù)值模型的精度與很多因素有關(guān),計算結(jié)果未必在每個加載步都能與試驗結(jié)果吻合良好,校核時應(yīng)當(dāng)更關(guān)注橋墩力學(xué)行為、損傷發(fā)展過程與實際試驗結(jié)果是否一致.

(a) 纖維模型

4 發(fā)展前景與展望

通過對不同連接形式的裝配式橋墩抗震性能開展深入研究,揭示了裝配式橋墩的力學(xué)機理和抗震能力,部分成果已經(jīng)應(yīng)用于實際工程中.然而,裝配式橋墩的進一步推廣應(yīng)用還存在一定問題.

4.1 體系層面的需求分析

抗震設(shè)計的最終目標(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,僅對橋墩構(gòu)件進行分析,著眼于整個橋梁體系層面的研究較少,無法全面反映橋墩的需求,造成橋墩的能力既可能過分保守,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,對裝配式橋墩的研究只針對橋墩自身,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更為劇烈,橋墩進入塑性后主梁之間的碰撞次數(shù)更多,主梁碰撞對橋墩峰值響應(yīng)具有一定的改善作用；然而,該方面的研究相對較少,需要進行深入分析以得到更準(zhǔn)確更全面的結(jié)論.另一方面,從抗震體系分類來看,只有延性體系才會對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構(gòu)件需要進行深入研究.

4.1.2 基于體系荷載的多災(zāi)害風(fēng)險評估

我國正處于經(jīng)濟快速發(fā)展的階段,道路車流量的增長速度相當(dāng)可觀,車輛荷載的作用值和作用時間都顯著增加,在地震過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.近年來發(fā)生了如哈爾濱陽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)有裝配式橋墩試驗和分析集中于針對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,車輛偏載會給橋墩帶來初始的偏心力矩,裝配式橋墩的墩身接縫容易張開,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[74],車輛偏載對此可能有加劇作用.車輛荷載對橋墩性能需求的影響、對橋墩在地震作用下真實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,如地震時車輛無法正常行駛而發(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,對裝配式橋墩橋梁體系進行更高層次的風(fēng)險評估是值得深入探討的問題之一.

4.2 裝配式橋梁全壽命周期的抗震設(shè)計

橋梁的服役年限較長,性能并非保持不變.近年來,學(xué)者們致力于實現(xiàn)橋梁全壽命周期設(shè)計研究,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、施工、運營、管養(yǎng)、維修、拆除、再利用,可以劃分為2個主要階段：從決策到成橋的實施階段以及從成橋到拆除的運維階段.抗震設(shè)計也應(yīng)當(dāng)滿足相應(yīng)的要求.

4.2.1 標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計方法

在實施階段,裝配式橋墩橋梁缺乏統(tǒng)一、成熟的抗震設(shè)計方法.我國的橋梁抗震規(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行設(shè)計,但前提是能夠保證接縫連接的可靠性.Tazarv等[20,41]提出了基于試驗的保證連接強度的設(shè)計方法,但橋墩承插深度、鋼筋錨固長度等關(guān)鍵參數(shù)并沒有統(tǒng)一定論.針對非等同現(xiàn)澆體系的研究仍停留在理論分析和性能驗證階段,設(shè)計方法尚未成熟,存在搖擺彈簧等參數(shù)不一致的問題.真正將其作為抗震體系進行設(shè)計的僅有針對性較強的試點橋梁如新西蘭Wigram-Magda橋[27].具體的接縫構(gòu)造、耗能裝置設(shè)計等還需進一步完善,才能實現(xiàn)推廣應(yīng)用.

4.2.2 耐久性的檢修維護

在運維階段,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)境作用下材料會發(fā)生劣化,在車輛、地震、火災(zāi)等荷載作用下結(jié)構(gòu)會發(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造成耗能效果、最大變形能力明顯下降[76],鋼筋的腐蝕會明顯降低預(yù)制橋墩的變形能力和強度[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,都會對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)定期檢測鋼筋銹蝕程度、預(yù)應(yīng)力水平等關(guān)鍵指標(biāo),必要時可以應(yīng)用橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)進行實時監(jiān)測,在設(shè)計階段決定檢測方法并預(yù)留相應(yīng)的操作空間；最后,應(yīng)針對裝配式橋墩在劣化和損傷后的抗震性能開展研究,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

社會對城市抗震要求不斷提高,韌性抗震的理念也隨之而來.韌性是指系統(tǒng)在受到外界擾動后的抵抗、恢復(fù)和適應(yīng)能力[2],體現(xiàn)在以下2個方面：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來實現(xiàn)韌性抗震的2個要求.

4.3.1 基于連接特點的新型減震手段

與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)相比,裝配式結(jié)構(gòu)的最大特點是存在節(jié)段接縫.節(jié)段接縫會導(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)置了滑動接縫,接縫處的搖擺和滑動提供隔震和耗能能力,并由后張預(yù)應(yīng)力實現(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構(gòu)件不允許發(fā)生損傷和破壞,強度和剛度較大,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,損傷較小時需要重新澆筑保護層,中等損傷時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)重時往往需要將整個塑性鉸區(qū)域拆除重建,修復(fù)困難,無法滿足快速恢復(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、如何進行更換等相關(guān)問題還需要進一步探討.對于非等同現(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40%[66],使得抗震性能大幅退化,且橋墩預(yù)應(yīng)力檢測、補張拉以及更換難度都較大.裝配式結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢體現(xiàn)在模塊化的施工加速了建造過程,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,進一步實現(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、機械套筒連接、法蘭盤連接、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,殘余位移大.非等同現(xiàn)澆體系能夠通過搖擺隔震令墩身處于彈性狀態(tài),并通過預(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.在實際工程中,設(shè)計人員應(yīng)根據(jù)抗震性能、設(shè)計施工、運營維護等各方面要求選擇合理的連接方式.

2) 高強材料、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)強度,減小鋼筋錨固長度和橋墩承插深度.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)點改善裝置可以進一步保證鋼筋連接、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、模型試驗和數(shù)值模擬.理論分析可以得到簡化的力學(xué)模型.相較于單向擬靜力加載,多向加載的模型試驗?zāi)軌虻玫礁娴目拐鹉芰蛣恿憫?yīng).纖維模型需要的參數(shù)少,擬合效果好,計算速度快.實體模型在需要進行精細(xì)分析局部受力以及考慮破壞模式時具有顯著優(yōu)勢.實際應(yīng)用時應(yīng)根據(jù)研究目的和現(xiàn)有條件進行選擇.

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)險評估則會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)計在實施階段缺少統(tǒng)一成熟的設(shè)計方法,在運維階段缺少劣化和損傷的檢測及其對抗震性能的影響指標(biāo).最后,韌性理念對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,實現(xiàn)快速修復(fù).