王東升，陳 賀，李儉濤，付建宇，葛 笑

(1.河北工業(yè)大學(xué)土木與交通學(xué)院，天津 300401；2.河北工業(yè)大學(xué)土木工程技術(shù)研究中心，天津 300401)

節(jié)段拼裝橋墩近年來(lái)在國(guó)內(nèi)外橋梁建設(shè)中被關(guān)注，具有施工方便、節(jié)能環(huán)保和便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)[1-4]?？紤]建設(shè)地域的廣泛適用性，其在地震作用下的力學(xué)性能及變形特點(diǎn)被國(guó)內(nèi)外學(xué)者所關(guān)注[5-6]，近年來(lái)發(fā)展了以配置耗能鋼筋消耗能量和通過(guò)預(yù)應(yīng)力筋提供一定自復(fù)位能力的無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力節(jié)段拼裝橋墩?？拐鹱冃文芰κ菢蚨罩匾目拐鹦阅茉u(píng)價(jià)指標(biāo)，傳統(tǒng)(現(xiàn)澆)橋墩在地震荷載作用下會(huì)產(chǎn)生彎曲變形、剪切變形和滑移變形(縱筋拔出)，節(jié)段拼裝橋墩因(干)接縫的存在，除上述外還存在接縫張開(kāi)造成的變形影響，導(dǎo)致該類橋墩變形成分組成及占比與現(xiàn)澆橋墩有較大不同。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)現(xiàn)澆橋墩整體變形成分研究表明[7-10]，現(xiàn)澆橋墩發(fā)生彎曲破壞時(shí)，彎曲變形對(duì)墩頂位移貢獻(xiàn)平均可達(dá)50%以上，滑移變形平均25%～40%左右，剪切變形通常不足5%。盡管?chē)?guó)內(nèi)外對(duì)預(yù)制節(jié)段拼裝橋墩的抗震性能研究較多，但對(duì)其整體地震變形成分的定量性研究涉及較少。王志強(qiáng)等[11]通過(guò)擬靜力試驗(yàn)證明，預(yù)制拼裝橋墩損傷主要集中于承臺(tái)與橋墩間接縫處。葛繼平等[12]認(rèn)為節(jié)段拼裝橋墩主要變形集中于接縫附近。高婧等[13]通過(guò)試驗(yàn)證明節(jié)段拼裝橋墩墩身曲率主要集中于墩底接縫處。Z.Y.Bu等[14]試驗(yàn)證明在位移角達(dá)到7%時(shí)，節(jié)段拼裝橋墩接縫處轉(zhuǎn)動(dòng)變形對(duì)墩頂位移貢獻(xiàn)平均可達(dá)60%以上。傳統(tǒng)的橋墩變形測(cè)量方法是采用位移計(jì)方式，位移計(jì)布置數(shù)量受到試驗(yàn)空間制約，且操作繁瑣在試驗(yàn)過(guò)程中易被擾動(dòng)，從而影響測(cè)量結(jié)果。數(shù)字圖像相關(guān)法(Digital Image Correlation，DIC)采用無(wú)接觸的測(cè)量形式，可有效避免傳統(tǒng)接觸式傳感器測(cè)點(diǎn)少、布置難和采集困難等問(wèn)題[15]。學(xué)者們?cè)诮饘俨牧蠑嗔押突炷翗?gòu)件開(kāi)裂等試驗(yàn)中驗(yàn)證了DIC技術(shù)的準(zhǔn)確性[16-18]。筆者在無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力節(jié)段拼裝橋墩擬靜力試驗(yàn)過(guò)程中采用DIC方法，測(cè)量了水平加載過(guò)程中橋墩的空間變形及應(yīng)變分布情況，進(jìn)而研究橋墩各變形成分及整體變形組成，通過(guò)對(duì)橋墩整體變形分析明確了底部接縫轉(zhuǎn)動(dòng)等不同變形分量對(duì)墩頂水平位移的貢獻(xiàn)。

1 試 驗(yàn)

1.1 試件設(shè)計(jì)

4根矩形空心橋墩試件截面寬×高為450 mm×450 mm，壁厚110 mm，凈保護(hù)層20 mm，每根橋墩試件由4個(gè)節(jié)段和加載端拼裝而成，橋墩試件加載高度2 000 mm。試件主要參數(shù)見(jiàn)表1，試件尺寸和截面參數(shù)如圖1所示。橋墩試件預(yù)應(yīng)力筋均配置8根公稱直徑15.2 mm的7股鋼絞線，分四孔對(duì)稱布置，每孔兩根。其中不銹鋼鋼筋試件的耗能鋼筋、縱筋和箍筋均采用B1.4362不銹鋼鋼筋配置；普通鋼筋試件的耗能鋼筋和縱筋均采用HRB500E鋼筋配置，箍筋采用HRB400E鋼筋配置。材料力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

圖1 試件尺寸設(shè)計(jì)Fig.1 Design size of test specimens

表1 試件參數(shù)Table 1 Parameters of test specimens

表2 材料力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of materials

1.2 DIC測(cè)點(diǎn)布設(shè)

DIC通過(guò)光照射在被檢測(cè)區(qū)域的油漆散斑點(diǎn)圖案，將其在試件加載過(guò)程中拍攝的動(dòng)態(tài)圖像繪制成各位置隨連續(xù)幀數(shù)間變化的情況，從而觀察檢測(cè)區(qū)域的變形狀態(tài)，其原理如圖2(a)所示。本次試驗(yàn)中DIC測(cè)點(diǎn)布設(shè)見(jiàn)圖2(b)，各標(biāo)識(shí)點(diǎn)用于分析數(shù)據(jù)使用，標(biāo)識(shí)點(diǎn)間距為50 mm，分布高度和分布寬度分別為600 mm和450 mm。其中分析時(shí)選取P0、P36及P72用作底接縫轉(zhuǎn)動(dòng)變形和墩底滑移變形分析；P7和P10、P43和P45以及P79和P81用作第二接縫轉(zhuǎn)動(dòng)變形和滑移變形分析，以防第二接縫處標(biāo)識(shí)點(diǎn)由于接縫張開(kāi)等無(wú)法識(shí)別及影響數(shù)據(jù)采集精度；選取P0～P11(扣除P8和P9)、P36～P47(扣除P44和P45)及P72～P83(扣除P80和P81)用作橋墩節(jié)段的彎曲變形分析；選取P37、P39及P43用作橋墩節(jié)段的剪切變形分析。

圖2 DIC原理及測(cè)點(diǎn)布設(shè)Fig.2 Principle of DIC and layout of measuring points

1.3 試驗(yàn)加載制度

試驗(yàn)采用位移控制進(jìn)行低周往復(fù)加載，每級(jí)循環(huán)3次，加載位移角依次為0.10%、0.25%、0.50%、0.75%、1.00%、1.50%、2.00%、3.00%，之后每級(jí)增加1.00%，直到試件承載力降為最大承載力85%以下。加載歷程見(jiàn)圖3。

圖3 試驗(yàn)加載歷程Fig.3 Loading displacements of specimens

2 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)加載位移和加載端傳感器記錄的數(shù)據(jù)繪制各試件的力-位移關(guān)系曲線(見(jiàn)圖4)。同時(shí)基于OpenSees建立橋墩數(shù)值模型與試驗(yàn)結(jié)果相佐證，模型中混凝土采用Concrete01本構(gòu)模型，接縫混凝土采用ENT材料本構(gòu)模型，不銹鋼鋼筋及預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用Steel02本構(gòu)模型，普通鋼筋采用Reinforcing Steel本構(gòu)模型。從圖4可以看出，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。試件滯回曲線顯示無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力節(jié)段拼裝橋墩滯回曲線有較明顯的捏縮現(xiàn)象。試件在加載初期(位移角小于1%)處于準(zhǔn)彈性狀態(tài)，沒(méi)有明顯的耗能和殘余位移；隨加載位移增大，鋼筋屈服，達(dá)到試件最大承載力，試件的耗能增大，殘余位移逐級(jí)增大；在位移角達(dá)到3%～4%左右，隨著墩身混凝土剝落，承載力逐漸下降，預(yù)應(yīng)力筋提供的自復(fù)位能力減弱。從配置的不同耗能鋼筋來(lái)看，不銹鋼耗能鋼筋的提升了試件的最大承載力，但增大了殘余位移。各試件承載力至最大承載力85%時(shí)，試件變形均能達(dá)到5%位移角。

圖4 試件滯回曲線Fig.4 Hysteretic curves of specimens

3 橋墩變形結(jié)果及分析

3.1 變形成分及計(jì)算原理

現(xiàn)澆橋墩變形成分主要以彎曲、剪切和滑移變形為主，而對(duì)于節(jié)段拼裝橋墩，其接縫處張開(kāi)將是主要變形成分。使用DIC測(cè)量了試件第一節(jié)段和部分第二節(jié)段在每級(jí)加載幅值處的空間變位及應(yīng)變情況，圖5給出了試件BPC1在位移角5%時(shí)，墩身兩側(cè)豎向應(yīng)變的分布作為參考。筆者測(cè)得4根試件在加載過(guò)程中的位移及應(yīng)變數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果對(duì)節(jié)段拼裝橋墩主要變形成分進(jìn)行計(jì)算。

3.1.1 接縫轉(zhuǎn)動(dòng)變形

接縫轉(zhuǎn)動(dòng)變形是指接縫張開(kāi)后因截面轉(zhuǎn)動(dòng)引起的墩頂位移，DIC數(shù)據(jù)測(cè)得接縫數(shù)據(jù)主要以接縫豎向位移(張開(kāi)高度)和壓縮位移為主，接縫處截面變形計(jì)算過(guò)程見(jiàn)式(1)～式(3)，原理如圖6所示。

圖6 接縫轉(zhuǎn)動(dòng)引起墩頂位移計(jì)算原理Fig.6 Calculation principle of pier top displacement by joint rotation

(1)

ΔJ=tanθ×H.

(2)

(3)

式中：ΔA和ΔB分別為測(cè)點(diǎn)A和測(cè)點(diǎn)B的豎向位移；D和H分別為截面寬度和接縫截面至墩頂高度；θ和ΔJ分別為截面轉(zhuǎn)角(接縫轉(zhuǎn)動(dòng))及其引起的墩頂位移；e為受壓偏心距。

3.1.2 節(jié)段彎曲變形

試件的彎曲變形計(jì)算主要利用垂直試件加載方向的平面邊緣及平面中軸三列標(biāo)識(shí)點(diǎn)間的豎向切應(yīng)變數(shù)據(jù)，然后計(jì)算曲率變化平均值，計(jì)算過(guò)程中要將底接縫及第二接縫處應(yīng)變數(shù)據(jù)不連續(xù)的影響除去。曲率和橋墩彎曲變形計(jì)算見(jiàn)式(4)、式(5)，計(jì)算原理如圖7所示。

圖7 曲率和橋墩彎曲變形計(jì)算原理Fig.7 Calculation principle of curvature and pier bending deformation

(4)

式中：eyy1和eyy2分別為橋墩試件受壓側(cè)和受拉側(cè)平面標(biāo)識(shí)點(diǎn)處的豎向應(yīng)變；φ為墩身節(jié)段的曲率。

獲得曲率沿橋墩高度的分布后，就可利用虛位移原理計(jì)算橋墩因彎曲引起的墩頂位移：

(5)

式中：φi為hi到hi+1區(qū)間內(nèi)墩身曲率；hi和H分別為區(qū)間劃分點(diǎn)至墩底高度和墩身高度；ΔBend為彎曲變形計(jì)算值。

3.1.3 節(jié)段剪切變形

剪切變形需要以區(qū)域內(nèi)對(duì)角線長(zhǎng)度變化所確定，DIC數(shù)據(jù)雖然能夠準(zhǔn)確地反應(yīng)區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)位移狀態(tài)，但在計(jì)算剪切變形時(shí)需要將其所含的水平和垂直拉伸(微膨脹)所產(chǎn)生的變形量所消除，剪切變形計(jì)算見(jiàn)式(6)，計(jì)算原理如圖8所示。

圖8 剪切變形及剪切引起墩頂位移計(jì)算Fig.8 Calculation principle of shear deformation and pier top displacement by shear

(6)

剪切變形對(duì)橋墩墩頂位移的影響如圖8(b)所示，由于α1與α2角度近乎為0得：

(7)

3.1.4 接縫滑移變形

接縫的滑移變形計(jì)算原理如圖9所示。以底接縫為例，通過(guò)與底接縫最近的橋墩上的標(biāo)示點(diǎn)，在加載方向上的位移的平均，減去基礎(chǔ)的移位(采用位移計(jì))計(jì)算得到。接縫滑移位移也等于其引起的墩頂位移。

圖9 滑移變形計(jì)算原理Fig.9 Calculation principle of slip deformation

滑移變形計(jì)算見(jiàn)式(8)：

(8)

式中：Δ1和Δ2分別為點(diǎn)1和點(diǎn)2的滑移(沿著加載方向的位移)；Δb和ΔSlip分別為基礎(chǔ)位移計(jì)測(cè)得滑移和修正后接縫滑移變形。

上述計(jì)算都是針對(duì)底接縫描述的，當(dāng)涉及的第二接縫處變形計(jì)算時(shí)，只需去除接縫下橋墩上對(duì)應(yīng)最近的標(biāo)示點(diǎn)對(duì)應(yīng)的(剛體)位移即可。

3.2 預(yù)制拼裝橋墩變形成分分析

依據(jù)上述算法，圖10給出了各試件在加載位移水平下的接縫轉(zhuǎn)動(dòng)變形、橋墩節(jié)段變形(彎曲變形和剪切變形)及底接縫引起的滑移變形在總位移中的貢獻(xiàn)率。從圖中可以看出，配置不銹鋼耗能鋼筋試件和配置普通耗能鋼筋試件在橋墩整體變形成分上沒(méi)有明顯差別，各變形分量占比基本一致。各試件底接縫轉(zhuǎn)動(dòng)變形從小位移下占比40%左右，至大位移下(位移角5%)平均占比約85%；第二接縫轉(zhuǎn)動(dòng)變形則會(huì)隨著底接縫貢獻(xiàn)率提升略有減??；試件的彎曲變形對(duì)于總位移貢獻(xiàn)隨位移角增大而減小，平均占比范圍為5%至15%；底接縫滑移變形占比在加載前期可到10%，加載后期平均占比約5%；剪切變形則僅在試件開(kāi)始加載時(shí)有3%左右的位移貢獻(xiàn)，隨位移角增大其位移貢獻(xiàn)率不足1%。以上分析說(shuō)明了節(jié)段拼裝橋墩的接縫轉(zhuǎn)動(dòng)變形占據(jù)總位移的主要部分。節(jié)段拼裝橋墩的剪切變形影響很小，這可能與試件剪跨比有關(guān)。

圖10 橋墩整體變形Fig.10 The integral deformation of piers

由圖10可以看出，橋墩整體位移和各個(gè)分項(xiàng)位移的計(jì)算存在少許誤差，在墩頂位移角大于2%后，各變形分量對(duì)于總位移的貢獻(xiàn)率之和接近100%(個(gè)別橋墩略大于100%，如試件HPC2)，說(shuō)明DIC數(shù)據(jù)采集和變形成分計(jì)算方法是可信的。在墩頂位移較小的時(shí)候(如小于15 mm或0.75%極限位移角時(shí))，平均誤差在15%左右，原因可能是計(jì)算時(shí)更關(guān)注DIC標(biāo)識(shí)區(qū)變形的影響，此時(shí)上部橋墩(節(jié)段)的彈性變形也有很大的占比，而后隨著墩頂位移增長(zhǎng)，誤差最后穩(wěn)定在5%～10%，甚至于更小，說(shuō)明上述變形成分分析在大的變形下，可靠性更高。

4 結(jié) 論

(1)底接縫轉(zhuǎn)動(dòng)是構(gòu)成節(jié)段拼裝橋墩墩頂變形的最主要成分，底接縫轉(zhuǎn)動(dòng)變形從最初的占比約40%，在位移角到達(dá)5%后，位移貢獻(xiàn)率平均可達(dá)85%；而第二接縫轉(zhuǎn)動(dòng)變形在試驗(yàn)后期位移貢獻(xiàn)率約占5%～10%。

(2)節(jié)段拼裝橋墩的節(jié)段彎曲變形隨墩頂位移增大對(duì)總位移貢獻(xiàn)占比減小，從最初的15%變?yōu)樽詈蟮?%左右。

(3)節(jié)段拼裝橋墩(剪跨比λ=4.4)剪切變形對(duì)于墩頂位移的貢獻(xiàn)基本可以忽略不計(jì)，僅在開(kāi)始加載時(shí)會(huì)有3%左右貢獻(xiàn)，在位移角達(dá)到2%后位移貢獻(xiàn)率均不到1%。

(4)節(jié)段拼裝橋墩的底接縫滑移變形僅在加載初期會(huì)有近10%的位移貢獻(xiàn)，位移角到1%后位移貢獻(xiàn)率平均在5%左右。