初始预应力对节段拼装空心桥墩抗震性能影响试验研究.pdf

第 39 卷 第 3 期2023 年 6 月 公 路 交 通 技 术Technology of Highway and Transport Vol.39 No.3 Jun.2023刘少乾,吴涤,金郑禄,等.初始预应力对节段拼装空心桥墩抗震性能影响试验研究J.公路交通技术,2023,39(3):83-89.LIU Shaoqian,WU Di,JIN Zhenglu,et al.Experimental research on influence of initial prestress on seismic performance of precast segmental columnJ.Technology of Highway and Transport,2023,39(3):83-89.DOI:10.13607/ki.gljt.2023.03.012基金项目:四川省交通运输科技项目(2017-A-07)收稿日期:2022-11-15作者简介:刘少乾(1988),男,河北省石家庄市人,硕士研究生,高工,研究方向为桥梁检测及结构试验。E-mail:853997133 。初始预应力对节段拼装空心桥墩抗震性能影响试验研究刘少乾1,吴 涤1,金郑禄2,李 科1(1.四川省公路规划勘察设计研究院有限公司,成都 610041;2.新疆交通规划勘察设计研究院有限公司,乌鲁木齐 830006)摘 要:为探究初始预应力对采用无粘结预应力连接方式的节段拼装混凝土桥墩抗震性能的影响,采用拟静力试验对 2 组预应力引起轴压比分别为 0.075 和 0.150 的模型试件,在循环荷载作用下的破坏模式、滞回曲线、骨架曲线、延性性能、残余位移、刚度退化、预应力损失、耗能能力等指标进行了对比分析。结果表明:1)2 组试件破坏模式均为弯曲破坏;2)初始预应力水平的提高有助于降低试件的预应力损失,同时也会降低其延性性能和残余位移,但基本不会对试件的刚度退化和耗能能力产生影响,不建议通过提高初始预应力的方式提高侧向承载能力。关键词:预拉力;节段拼装;桥墩;拟静力;抗震性能文章编号:1009-6477(2023)03-0083-07 中图分类号:U442.5+5 文献标识码:AExperimental Research on Influence of Initial Prestress on Seismic Performance of Precast Segmental ColumnLIU Shaoqian1,WU Di1,JIN Zhenglu2,LI Ke1(1.Sichuan Highway Planning,Survey,Design and Research Institute Ltd,Chengdu 610041;2.Xinjiang Transportation Planning Survey and Design Institute Ltd,Urumqi 83006)Abstract:In order to explore the influence of initial prestress on the seismic performance of the precast segmental column with unbounded prestressed connections,a quasi-static experiment is carried out on two pairs of speciemens whose axial compression ratio are 0.075 and 0.150 respectively caused by prestress.The failure mode,hysteretic curve,skeleton curve,ductility,residual displacement,stiffness degradation,prestress loss and energy dissipation capacity are compared and analyzed in detail.The results show that the failure mode of the specimens are bending failure.The increase of initial prestress level is helpful to reduce the prestress loss.Although it reduces the ductility and residual displacement,it has no effect on the stiffness degradation and energy dissipation capacity of the specimen.It is not recommended to increase the lateral bearing capacity by increasing the initial post-tensioning forces.Keywords:pretension;segmental;column;quasi-static experiment;seismic performance 预应力节段拼装混凝土桥墩是指采用预应力钢绞线通过施加预应力的方式将桥墩预制节段、承台和盖梁等构件串联成整体,且在桥墩节段的拼接表面上涂以环氧树脂薄层而形成的下部结构1-2。地震作用下,其破坏模式可能表现为 2 方面:一是弯曲破坏导致的节段间接缝张开;二是剪切破坏导致的节段间相对错动。卸载后节段间接缝张角在预应力引起的自复位能力作用下容易闭合,修复相对简单,而节段间错动则需要人为干预才能修复3-4。因此,对于预应力节段拼装桥墩而言,弯曲破坏为理想的破坏形式。目前,有关无粘结预应力节段拼装桥墩抗震性能的研究主要有 3 方面:一是集中于耗能能力的提高方法,查阅既有成果,采用耗能钢筋4-6、内外置耗能装置7、塑性铰区使用钢纤维混凝土8等措施均可有效提高其耗能能力,并可得到抗震性能评价的解析方法;二是针对该类桥墩研究包括截面类型、预应力构造类型(预应力钢筋类型、布置方式、粘结形式、配筋率)、剪跨比等9-11;三是采用轴压比对节段拼装抗震性能的研究,主要通过数值模型的方式进行参数分析,研究指出当恒载轴压比为 10%20%、预应力的总轴压比为 20%30%时,桥墩具有稳定的承载力12。已有研究表明13,预应力节段拼装桥墩自复位能力和抗剪承载能力等主要由上部结构自重和预应筋中的预应力作用决定,在自重轴压比一定的情况下,初始预应力的大小对预应力节段拼装桥墩抗震性能的影响十分显著,甚至可能导致破坏模式由弯曲破坏向剪切破坏的转变。为此,本文以初始预应力作为主要参数,设计了 2 组拟空心拼装桥墩模型试件进行拟静力试验,并通过分析试验构件的破坏模式、滞回曲线、骨架曲线、延性性能、残余位移、刚度退化、预应力损失、耗能能力等抗震性能指标,综合评价初始预应力大小对节段拼装桥墩抗震性能的影响。1 拟静力试验方案设计1.1 试验构件设计本次试验设计 2 组预应力节段拼装桥墩模型试件,编号分别为 C-PT1 和 C-PT2,试件外形尺寸、节段尺寸及数量、材料、钢筋布置、预应力布置等均相同,桥墩构造如图 1 所示。墩柱有效高度为 2.0 m,剪跨比为 4.4,桥墩自上而下共计 4 个节段,分别编号为 S-1S-4,为防止节间错动,在接缝处设置剪力榫。试件混凝土材料为 C40 混凝土,普通钢筋为直径 8 mm 的 HRB400 带肋钢筋,预应力束由 17s15.2 钢绞线组成。对于试件 C-PT1 和 C-PT2,初始预应力引起的轴压比分别为0.075 和0.150,结合前期拟静力和振(a)模型试件整体构造(b)模型试件断面构造单位:mm图 1 预应力节段拼装混凝土桥墩构造Fig.1 Construction of prestressed segmental assembled concrete pier动台试验研究结果,预应力与上部结构恒载产生的48公 路 交 通 技 术 第 39 卷轴压比不宜超过 0.313-15,故本文模型试件上部结构与初始预应力引起的轴压比分别设计为 0.110 和0.185。试件设计参数及轴压比分别如表 1 和表 2所示。表 1 试件钢筋配置参数Table 1 Parameters of steel bar configuration试件编号节段纵筋 HRB400节段箍筋 HRB400预应力筋配置配筋率/%配置体积配筋率/%规格配筋率/%C-PT13281.088 70 mm4.3217s15.20.66(7 根)C-PT23281.088 70 mm4.3217s15.20.66(7 根)表 2 上部结构重力荷载与预应力荷载参数Table 2 Parameters of gravity load and prestressed load on the upper structure试件编号上部结构重力荷载预应力荷载竖向荷载总计荷载/kN轴压比张拉力/kN轴压比荷载/kN轴压比C-PT11400.0353000.0754400.110C-PT21400.0356000.1507400.1851.2 加载及测试方案试验加载系统如图 2 所示。承台通过 8 根精轧螺纹钢锚固于反力底板,侧向力通过 250 kN 伺服液压作动器施加,作动器锚固于反力墙,并通过连接钢板及 4 根精轧螺纹钢与盖梁锚固。预应力布置于空心桥墩中心,并锚固于盖梁和承台开孔处。试验加载采用力-位移混合控制模式16,加载过程中:1)墩底出现张角前采用力控模式,荷载增量为 10 kN;2)张角出现后采用位控模式,位移增量为 1%侧向位移比,加载速率为 1 mm/s;3)每一级加载往复 3 次,当水平承载能力下降至极限承载能力 85%时即认为试件破坏。加载模式如图 3 所示。试验测试内容包括:墩顶侧向位移、S-4 节段混凝土及钢筋应力、预应力、节段间张角、承台水平和竖向位移等。其中墩顶侧向位移采用作动器自行记录并结合拉线式位移传感器联合测试,节段间张角和承台位移采用机电百分表测试,混凝土及钢筋应力采用应变片测试,预应力采用磁通量传感器测试。测点布置如图 4 所示。2 试验结果分析2.1 现象描述及破坏模式2 组试件均发生了典型的弯曲破坏,最终均以承载能力下降至极限承载能力的 85%而破坏。2 组试件破坏现象均表现为:1)S-1 S-3 节段表观状况良好,除 S-4 节段与承台接缝出现张角外,其余接(a)试验总体加载装置(b)试验现场加载装置照图 2 试验总体加载装置及现场照Fig.2 Test overall-loading device and on-site photo58 第 3 期 刘少乾,等:初始预应力对节段拼装空心桥墩抗震性能影响试验研究图 3 侧向加载历程Fig.3 Loading history of lateral displacement(a)节点侧向位移及接缝状态测点布置(b)S-4 节段钢筋及混凝土测点布置单位:mm图 4 试验测试方案示意Fig.4 Diagram of test mearuring plan缝处均未见张角;2)各个节段未出现纵筋拉断和箍筋屈曲现象,节段间未见相对错动和剪切裂缝,剪力榫表观状况良好。位移加载控制阶段,C-PT1 和 C-PT2 试件均在侧向位移达到20 mm(侧向位移比1%)时,S-4 节段与承台接缝出现张角;C-PT1 在侧向位移达到 60 mm(侧向位移比 3%)和 80 mm(侧向位移比 4%)时,S-4 节段加载两侧底部混凝土出现轻微开裂现象和轻微剥离现象;C-PT1 和 CPT2 在侧向位移分别达到 200 mm(侧向位移比 10%)和 160 mm(侧向位移比 8%)后,承载能力下降至极限承载能力的85%而破坏,如图 5 所示。(a)C-PT1 试件墩底破坏形态(b)C-PT2 试件墩底破坏形态图 5 试件破坏形式Fig.5 Failure modes of the specimens同等侧向位移水平下对比 2 组试件,初始预应力较高的 C-PT2 试件混凝土破损或剥落程度明显大于初始预应力较低的 C-PT1 试件,故初始预应力水平的提高会加剧墩柱混凝土的损伤。2.2 滞回曲线及骨架曲线2 组试件滞回曲线均表现为典型的旗帜型,残余位移小,自复位能力强;骨架曲线显示,在张角现象发生后,2 组试件均开始表现出较强的非线性特性,且相对于初始预应力更高的 C-PT2 试件,C-PT1 试件极限承载能力反而较大,主要原因在于同等侧向位移水平下,C-PT1 试件墩柱损伤低,预应68公 路 交 通 技 术 第 39 卷力增幅大,能够提供较高的侧向承载力。由此可知,较高的初始预应力在屈服后期并不一定会带来较高的侧向承载能力。2 组试件的滞回曲线和骨架曲线如图 6 所示。2.3 延性性能及残余位移采用通用屈服弯矩法确定屈服位移,C-PT1 和C-PT2 试件延性性能如表 3 所示。由表 3 可知:1)预应力节段拼装混凝土桥墩总体上具有较好的延性性能;2)相对于初始预应力较低的 C-PT1 试件,C-PT2 试件屈服位移和位移延性系数均降低约 12%;3)较高的初始预应力水平,会造成构件较早进入屈服,并提前达到极限承载能力,最终导致位移延性性能降低。初始预应力对残余位移的影响如图 7 所示。由图 7 可以看出,预应力节段拼装桥墩具有良好的自复位能力,最大残余位移率(残余位移/墩高)仅为1.5%,在达到理论屈服位移前,2 组试件均未表现出残余位移,当超过 5 倍理论屈服位移时,残余位移才显著增加;同时,较高的初始预应力虽能提供更大的恢复力,但由此产生的混凝土高损伤会增加残余位移,并最终导致残余位移变大。(a)C-PT1 试件滞回曲线和骨架曲线(b)C-PT2 试件滞回曲线和骨架曲线图 6 试件滞回曲线与骨架曲线试验结果Fig.6 Hysteretic curves and skeleton curves of the specimens表 3 位移延性系数Table 3 Displacement ductility factors of specimens试件编号 加载方向(推正/拉负)屈服强度 Fy/kN屈服位移 dy/mm最大强度 Fmax/kN极限位移 du/mm延性系数 dC-PT1正向41.611.1874.3200.1917.9负向34.715.9178.0200.0012.6平均38.213.5576.2200.1015.3C-PT2正向32.611.0353.8160.1814.5负向34.812.7663.5159.9412.5平均33.711.9058.7160.0613.5图 7 初拉力对残余位移的影响Fig.7 Effect of initial tension on residual displacement2.4 刚度退化采用割线刚度与初始刚度的比值来描述 2 组试件的刚度退化情况,C-PT1 和 C-PT2 试件刚度退化曲线如图 8 所示。由图 8 可以看出,2 组试件刚度退化曲线基本重合,初始预应力大小对于刚度退化基本没有影响。对于预应力节段拼装桥墩,刚度退化的主要原因在于墩底节段与承台接缝的张开、墩底节段混凝土剥落以及塑性铰形成17。在混凝土开裂前(侧向位移比多在 1%以内),试件材料均处于弹性范围内,78 第 3 期 刘少乾,等:初始预应力对节段拼装空心桥墩抗震性能影响试验研究图 8 C-PT1 和 C-PT2 试件刚度退化曲线Fig.8 Stiffness degradation curve of C-PT1 and C-PT2张角现象的发生导致试件刚度退化快,卸载后刚度即可恢复;混凝土开裂至混凝土剥落阶段(侧向位移比介于 1%至 4%之间),试件刚度退化的主因在于张角和混凝土损伤双重因素作用;混凝土剥落至塑性铰形成,侧向位移增量主要由塑性铰的转动引起,塑性铰充分发展引起的刚度退化远大于张角引起的刚度退化,此时刚度退化较为平缓。2.5 预应力损失由于混凝土损伤和塑性铰的形成,预应力在地震作用下均会表现出不同程度的预应力损失,因此可采用预应力损失率这个指标对预应力节段拼装桥墩的预应力损失进行评价。C-PT1 和 C-PT2 试件预应力损失率分别如图 9 和图 10 所示。图 9 中,锚具实心锚孔钢绞线为预应力测试钢绞线,从左至右编号为 P1、P2、P3;C-PT2 试件中,预应力监测传感器损坏,数据丢失。分析图 9 可知,在混凝土损伤前,预应力基本未出现明显损失;随着混凝土开裂、剥落和塑性铰的发展,预应力损失率曲线上升明显,预应力损失速率加快;随着塑性铰的形成,预应力损失率趋于平稳,不再继续出现预应力损失情况。分析图 10 可知,对于初始预应力较高的 C-PT2 试件,预应力损失率明显较低。(a)C-PT1 试件预应力损失率(b)C-PT2 试件预应力损失率图 9 预应力损失率随侧向加载位移的变化关系Fig.9 Relationship between prestress loss rate and lateral loading displacement图 10 初始预应力大小对预应力损失率的影响Fig.10 Effect of initial prestress on the rate of prestress loss2.6 耗能能力采用等效粘滞阻尼比和累计耗能对试件耗能能力进行评价,初始预应力对等效粘滞阻尼比和累计耗能能力的影响如图 11 和图 12 所示。摒弃异常数据,由图 11 和图 12 可以看出,初始预应力的大小对于等效粘滞阻尼比和累计耗能能力的影响极小,对于干接缝预应力节段拼装桥墩,耗能主要在于混凝土的损伤和塑性变形能力,与文献12中预应力度对耗能能力影响的数值分析结果基本相符。图 11 初始预应力对等效阻尼比的影响Fig.11 Effect of initial prestress on equivalent viscous damping ratio88公 路 交 通 技 术 第 39 卷图 12 初始预应力对累计耗能能力的影响Fig.12 Effect of initial prestress on cumulated energy dissipation capacity由于该类型拼装桥墩具有低耗能的显著特点,初始预应力的大小对耗能能力贡献不再是研究重点,若想提高该类型桥墩耗能能力,可采用外置可更换耗能装置或内置机械连接耗能钢筋的方法实现18。3 结论通过对 2 组不同初始预应力的节段拼装混凝土桥墩模型试件拟静力试验结果的分析,得到如下结论:1)2 组试件的破坏形态均表现为典型的弯曲破坏,且最终表现为承载能力下降至极限承载能力的 85%而破坏,未发生节段间相对错动的剪切破坏。2)本文中模型试件未出现传统现浇墩柱拟静力试验典型的纵向钢筋拉断、箍筋屈曲和核心混凝土压溃破坏现象,模型试件破坏的主要原因在于混凝土塑性损伤发展形成稳定塑性铰后,塑性铰转动引起侧向位移增大而预应力钢绞线不能提供足够的侧向恢复力而导致承载能力下降。3)高水平的初始预应力有益于提高墩柱屈服强度和抗剪能力,可获得较低的预应力损失,但不利于墩柱延性性能,且会增加残余位移,不建议通过提高预应力初拉力的方式提高墩柱水平承载能力。4)初始预应力大小对刚度退化和耗能能力影响不显著。参 考 文 献References1 王志强,葛继平,魏红一,等.节段拼装桥墩抗震性能研究进展J.地震工程与工程振动,2009,29(4):147-154.WANG Zhiqiang,GE Jiping,WEI Hongyi,et al.Recent development in seismic research of segmental bridge columns J.Earthquake Engineering and Engineering Vibration,2009,29(4):147-154.2 葛继平.节段拼装桥墩抗震性能试验研究与理论分析D.上海:同济大学,2008.GE Jiping.Experimental and theoretical research on seismic performance of precast segmental columnsD.Shanghai:Tongji University,2008.3 HEWES J T,PRIESTLEY M J N.Seismic design and performance of precast concrete segmental bridge columnsD.San Diego:California:University of California,2002.4 BU Z Y,OU Y C,SONG J W,et al.Cyclic loading test of unbonded and bonded posttensioned precast segmental bridge columns with circular section J.Journal of 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