豎向配預(yù)應(yīng)力筋鋼筋混凝土橋墩prc橋墩在橋梁工程中的應(yīng)用

豎向配預(yù)應(yīng)力筋鋼筋混凝土橋墩prc橋墩在橋梁工程中的應(yīng)用

預(yù)應(yīng)力混凝土橋墩隨著基于性能的位移設(shè)計(jì)的發(fā)展，許多科學(xué)家在鋼筋混凝土橋墩的有限變形能力研究方面取得了許多成果，并開(kāi)始關(guān)注不同加固階段的橋梁損壞。1995年日本Kobe地震中Hanshin高速公路高架橋中有大量橋墩盡管僅遭受輕微或中度破壞,但由于殘余位移過(guò)大(大于1%)而不得不拆除重建,并由此引起了人們對(duì)橋墩殘余位移估計(jì)及控制問(wèn)題的重視。2008年我國(guó)汶川大地震中較多按現(xiàn)代規(guī)范設(shè)計(jì)的橋梁嚴(yán)重破壞亦為橋墩抗震亦提出了較多課題。鋼筋混凝土橋墩中配置豎向預(yù)應(yīng)力筋(簡(jiǎn)稱PRC橋墩),一方面是在偏心受壓的情況下防止出現(xiàn)拉應(yīng)力和混凝土的過(guò)早開(kāi)裂,另一方面則是滿足施工方便、快捷需要而采用預(yù)制拼裝混凝土橋墩。研究表明配置豎向預(yù)應(yīng)力混凝土橋墩在減少震后殘余位移等方面具有特殊優(yōu)勢(shì)。本文簡(jiǎn)要綜述PRC橋墩抗震研究進(jìn)展,并分析預(yù)加壓力、預(yù)應(yīng)力筋用量、預(yù)應(yīng)力度、擺放位置等因素對(duì)PRC橋墩殘余變形、屈服后剛度、耗能能力等的影響,以期推動(dòng)及促進(jìn)這種新型結(jié)構(gòu)在我國(guó)橋梁工程的應(yīng)用。1橋墩殘余位移研究針對(duì)Kobe地震中大量橋墩殘余位移過(guò)大的問(wèn)題,日本學(xué)者Ikeda等率先開(kāi)展了在整體現(xiàn)澆鋼筋混凝土橋墩中配置豎向預(yù)應(yīng)力筋以減少橋墩殘余位移的研究;而預(yù)制拼裝預(yù)應(yīng)力混凝土橋墩則首先在美國(guó)提出,最初是為了滿足施工方便、快捷的需要,后來(lái)為克服此類結(jié)構(gòu)耗能能力低,不利于抗震的缺點(diǎn),不同學(xué)者進(jìn)行了一系列的專門研究。1.1試驗(yàn)結(jié)果及分析日本Ikeda等認(rèn)為,同普通鋼筋混凝土柱相比PRC墩柱具有更強(qiáng)的抗彎、抗剪能力,并具有較小的殘余位移。為了證實(shí)預(yù)應(yīng)力墩柱在抗震方面的優(yōu)良性能,Ikeda等進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)研究與數(shù)值分析。試驗(yàn)構(gòu)件截面尺寸為400mm×400mm,高度為1.5m,主要考察參數(shù)是混凝土強(qiáng)度、預(yù)加應(yīng)力及預(yù)應(yīng)力筋有無(wú)粘結(jié)。試驗(yàn)結(jié)果及后續(xù)數(shù)值分析表明,PRC柱的滯回曲線中出現(xiàn)明顯的捏縮段,這說(shuō)明PRC墩柱具有良好的屈服后剛度,可以極大的減少結(jié)構(gòu)的殘余變形。但是橋墩中加入預(yù)應(yīng)力筋后削弱了結(jié)構(gòu)的耗能能力,試驗(yàn)中預(yù)應(yīng)力筋始終處于彈性階段,能量耗散主要由普通鋼筋承擔(dān)。試驗(yàn)另一個(gè)重點(diǎn)考察因素是預(yù)加應(yīng)力的影響,當(dāng)預(yù)加應(yīng)力分別為4MPa與8MPa時(shí),結(jié)構(gòu)的殘余變形及耗能能力變化都不顯著,因此作者得出結(jié)論:增加預(yù)加應(yīng)力可以提高結(jié)構(gòu)的水平承載力,但對(duì)殘余變形及耗能能力影響不明顯。日本Zatar認(rèn)為,當(dāng)前各國(guó)規(guī)范已能確保普通鋼筋混凝土橋墩在地震過(guò)程中不產(chǎn)生超出限值的位移,但結(jié)構(gòu)震后的可用性通常都遭到破壞,因此采取減少殘余變形措施具有重要的經(jīng)濟(jì)意義。Zatar提出,確定一個(gè)精確的滯回恢復(fù)力模型以準(zhǔn)確模擬PRC橋墩的受力性能,是PRC橋墩在工程實(shí)踐中推廣應(yīng)用的前提。據(jù)此設(shè)計(jì)了包含7根PRC墩柱的抗震試驗(yàn),試件類型從RC柱到PRC柱不等,加載主要為低周反復(fù)方式,另有2根柱采用擬動(dòng)力加載。試件的抗剪與抗彎能力比設(shè)計(jì)為1.5∶1,以確保試件彎曲破壞。試件截面尺寸400mm×400mm,剪跨比為4,軸向應(yīng)力1MPa,混凝土抗壓強(qiáng)度35MPa。試驗(yàn)結(jié)果仍可以看到PRC墩柱滯回曲線有明顯的捏攏現(xiàn)象,Zatar也認(rèn)為添加預(yù)應(yīng)力筋使得試件即使在遭受較大的非線性變形的時(shí)候,仍然具有較好的復(fù)位能力。在試驗(yàn)分析的基礎(chǔ)上,Zatar總結(jié)出了一個(gè)恢復(fù)力模型,該模型建立在Takeda三線性模型基礎(chǔ)上,采用兩卸載剛度,以確保在結(jié)構(gòu)位移較小時(shí),仍能精確計(jì)算能量耗散。進(jìn)一步的數(shù)值分析結(jié)果顯示,該模型能夠較精確的模擬出試件的殘余位移和耗能能力。Zatar最后總結(jié)認(rèn)為:(1)PRC橋墩的自復(fù)位性和較小的殘余位移使其具有應(yīng)用在實(shí)際橋梁工程中的潛質(zhì);(2)與普通混凝土墩柱相比,PRC墩柱具有更小的殘余裂縫,并且預(yù)應(yīng)力度越高,其殘余裂縫寬度越小;(3)PRC墩柱通常具有較小的耗能能力,這取決于構(gòu)件所配預(yù)應(yīng)力筋的數(shù)量。Iemura則開(kāi)展了UBRC(unbondedbarreinforcedconcrete)墩柱的研究與推廣工作。UBRC墩柱系指在普通鋼筋混凝土墩柱中增設(shè)豎向無(wú)粘結(jié)筋(或無(wú)粘結(jié)高強(qiáng)鋼棒),并在其錨固端頭設(shè)置空隙,使之形成具有良好屈服后剛度的結(jié)構(gòu)。Iemura認(rèn)為UBRC結(jié)構(gòu)具有良好屈服后剛度的原因是:無(wú)粘結(jié)筋在兩錨具之間均勻變形,不出現(xiàn)應(yīng)力集中,變形由墩柱全長(zhǎng)均勻承受;并且由于錨固處空隙的存在,相對(duì)于普通縱筋而言,在塑性鉸區(qū)的應(yīng)變非常小,在普通鋼筋屈服后仍然處于彈性階段。Iemura通過(guò)分析,認(rèn)為這種新型結(jié)構(gòu)的受力可概括為普通混凝土理想彈塑性行為與預(yù)應(yīng)力鋼筋彈性行為的疊加,因此具有較高的屈服后剛度。在對(duì)UBRC墩柱進(jìn)行擬靜力試驗(yàn)和偽動(dòng)力試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,發(fā)現(xiàn)即使大震情況下,UBRC墩柱仍具有良好的抗震能力,且由于無(wú)粘結(jié)筋提供的彈性恢復(fù)力,墩柱殘余變形很小。另一個(gè)值得關(guān)注的結(jié)論是,由于具有良好的屈服后剛度,使得按第一階段強(qiáng)度設(shè)計(jì)的UBRC結(jié)構(gòu),在罕遇地震下仍可能表現(xiàn)出較好的抗震能力。Sakai和Mahin等在太平洋地震工程研究中心(PEER)資助下,首先對(duì)256根不同參數(shù)的預(yù)應(yīng)力混凝土橋墩進(jìn)行了低周反復(fù)及動(dòng)力加載下抗震性能的數(shù)值分析,涉及參數(shù)是:預(yù)應(yīng)力筋(鋼絞線)位置、無(wú)粘結(jié)長(zhǎng)度、預(yù)加應(yīng)力、預(yù)應(yīng)力筋比率、縱筋配筋率等。得出的主要結(jié)論如下:(1)橋墩殘余位移隨縱筋配筋率或軸向力的減小而減小;(2)在截面中心加入鋼絞線其抗彎強(qiáng)度最好但需要以更好的方式約束核心混凝土,以防止較早壓壞;(3)截面中心植入鋼絞線束以替換等量的普通鋼筋,可以使殘余位移減小至原來(lái)的14%,并可以提高結(jié)構(gòu)抗彎能力;(4)將普通鋼筋采用無(wú)粘結(jié)處理方式(即采用UBRC結(jié)構(gòu))也可明顯減少殘余位移;(5)為獲得較小的殘余位移及綜合的優(yōu)良抗震性能,預(yù)加軸壓比宜保持在0.05~0.1之間,普通縱筋配筋率不宜大于0.59%,預(yù)應(yīng)力筋和普通縱筋配筋率不宜超過(guò)0.7%。他們還進(jìn)行了5跟在截面中心配置無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋的橋墩模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn),除了驗(yàn)證預(yù)應(yīng)力筋對(duì)橋墩提供的復(fù)位能力外,還考慮了對(duì)普通縱筋采用無(wú)粘結(jié)的形式和外包鋼套管對(duì)橋墩抗震能力的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明,預(yù)應(yīng)力橋墩在強(qiáng)烈地震作用下表現(xiàn)出良好的自復(fù)位能力,外包鋼套管和普通縱筋采用無(wú)粘結(jié)方式的橋墩抗震能力更突出些。預(yù)制拼裝預(yù)應(yīng)力混凝土橋墩因施工快捷亦得到廣泛研究。Wang、Ou等針對(duì)節(jié)段拼裝預(yù)應(yīng)力混凝土橋墩延性耗能能力差的特點(diǎn),提出在拼裝段的接縫處設(shè)置連續(xù)的耗能鋼筋(ED筋)來(lái)改善橋墩的抗震能力,首先基于數(shù)值分析手段對(duì)這種結(jié)構(gòu)的抗震能力進(jìn)行了驗(yàn)證,其后又分別設(shè)計(jì)了4個(gè)高墩和4個(gè)普通墩試件,通過(guò)擬靜力試驗(yàn)驗(yàn)證了這種新型結(jié)構(gòu)的抗震能力。試件截面均為矩形空心形式,所不同的是,在高墩試件中預(yù)應(yīng)力筋位于空心墩的薄壁之內(nèi),且預(yù)應(yīng)力筋與ED筋均與周圍混凝土粘結(jié);而在后來(lái)進(jìn)行的普通墩試件中,預(yù)應(yīng)力筋位于截面空心部分,類似于體外預(yù)應(yīng)力筋,且ED筋在節(jié)段連接處也與周圍混凝土不粘結(jié)。試驗(yàn)結(jié)果表明,采用ED筋可有效改善節(jié)段拼裝預(yù)應(yīng)力混凝土橋墩的延性和耗能能力。Kim等在節(jié)段拼裝橋墩的接縫處設(shè)置連續(xù)的剪力連接裝置以增強(qiáng)橋墩的抗剪能力,進(jìn)行了5個(gè)試件的擬靜力試驗(yàn),并建立了精細(xì)化的有限元分析模型。試驗(yàn)結(jié)果表明這種結(jié)構(gòu)形式在顯著降低橋墩殘余位移的情況下,還可有效提高橋墩的延性和耗能能力,其建立的有限元模型較好的模擬了橋墩的滯回曲線和接縫處的非線性力學(xué)行為。1.2節(jié)段拼裝預(yù)應(yīng)力混凝土橋墩抗震性能試驗(yàn)研究早在20世紀(jì)70年拼裝預(yù)應(yīng)力混凝土橋墩已在我國(guó)鐵路橋梁中獲得了應(yīng)用,主要出于節(jié)約材料和人力,加快施工進(jìn)度等考慮。蘭州交通大學(xué)陳興沖等針對(duì)拼裝預(yù)應(yīng)力混凝土橋墩梁-柱接頭的抗震問(wèn)題進(jìn)行了早期的研究工作,包括數(shù)值分析與模型試驗(yàn)等,為此類結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。近期王志強(qiáng)、葛繼平等針對(duì)節(jié)段拼裝預(yù)應(yīng)力混凝土橋墩的抗震問(wèn)題進(jìn)行了研究。而蘇小卒、葉列平等則是針對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土建筑結(jié)構(gòu)柱的抗震問(wèn)題開(kāi)展了相關(guān)研究,結(jié)構(gòu)形式為整體現(xiàn)澆。王志強(qiáng)、葛繼平等[13,14,15,31,32,33,34,35]對(duì)節(jié)段拼裝預(yù)應(yīng)力混凝土橋墩的抗震問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)性的研究,他們通過(guò)模型擬靜力試驗(yàn)和振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn),證實(shí)了節(jié)段拼裝預(yù)應(yīng)力混凝土橋墩的自復(fù)位能力,同時(shí)發(fā)現(xiàn)節(jié)段拼裝預(yù)應(yīng)力混凝土橋墩的破壞現(xiàn)象主要表現(xiàn)為塑性鉸節(jié)段接縫的張開(kāi)閉合,而不會(huì)發(fā)生現(xiàn)澆鋼筋混凝土橋墩出現(xiàn)的塑性鉸現(xiàn)象,且在節(jié)段拼裝橋墩的接縫位置布置縱向耗能鋼筋,可以延緩接縫的張開(kāi),增強(qiáng)構(gòu)件的耗能能力。在數(shù)值分析技術(shù)上,他們發(fā)展了基于實(shí)體有限元模型,纖維模型和集中塑性鉸模型的節(jié)段拼裝橋墩數(shù)值分析技術(shù),通過(guò)與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比,證實(shí)了模型的準(zhǔn)確性。張榮、蘇小卒針對(duì)在高層和超高層鋼筋混凝土外柱常常出現(xiàn)拉力而對(duì)結(jié)構(gòu)不利的情況,考慮在柱中加預(yù)應(yīng)力來(lái)改善此種情況。研究者設(shè)計(jì)了4根小尺寸豎向配預(yù)應(yīng)力筋懸臂柱試件,通過(guò)變軸力的擬靜力試驗(yàn)考察有無(wú)粘結(jié)及預(yù)應(yīng)力束數(shù)量對(duì)柱抗震性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),由于預(yù)應(yīng)力筋的高強(qiáng)特性,加入后結(jié)構(gòu)的受拉承載力明顯增強(qiáng),滯回環(huán)寬度較窄,復(fù)位能力較強(qiáng)。因此,可在柱中加豎向預(yù)應(yīng)力筋以改善其受力性能,該工作為豎向加預(yù)應(yīng)力混凝土柱的進(jìn)一步應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。葉列平,汪訓(xùn)流等對(duì)PRC結(jié)構(gòu)的自復(fù)位性能進(jìn)行了較為詳盡的闡述和研究。汪訓(xùn)流制作了15根300mm×300mm尺寸的PRC柱試件,分為6組,分別討論了外加軸壓比、預(yù)加軸壓比、預(yù)應(yīng)力度、配筋指標(biāo)、預(yù)應(yīng)力筋配筋位置及方式等因素對(duì)試件受力性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在柱中配置高強(qiáng)鋼絞線,能夠有效控制結(jié)構(gòu)的殘余變形,并明顯改善結(jié)構(gòu)的抗震性能,研究者還就各因素對(duì)結(jié)構(gòu)受力性能的影響做了詳細(xì)的討論。2抗震性能的影響在總結(jié)國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上,分別討論預(yù)加壓力、預(yù)應(yīng)力度、預(yù)應(yīng)力筋位置等一系列因素對(duì)PRC墩柱的初始剛度、屈服后剛度、殘余變形、水平承載力、耗能能力等抗震性能的影響。需要注意的是,由于豎向配置預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土橋墩本身分為整體現(xiàn)澆和預(yù)制拼裝2種結(jié)構(gòu)形式,對(duì)預(yù)應(yīng)力筋而言又可分為有粘結(jié)和無(wú)粘結(jié)2種,且不同研究者的研究手段、試件數(shù)量、關(guān)注重點(diǎn)也不盡相同,因此得出的結(jié)論可能會(huì)有所差別,這里主要針對(duì)現(xiàn)澆整體式橋墩的研究成果進(jìn)行討論。2.1預(yù)應(yīng)力度f(wàn)dyappope預(yù)應(yīng)力度是指在預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中施加的預(yù)應(yīng)力的大小程度。對(duì)PRC墩柱預(yù)應(yīng)力度λ通常指預(yù)應(yīng)力筋所能承受的彎矩與截面所能承受的彎矩之比,其公式為:λ=fpyAp/(fpyAp+fyAs)(1)λ=fpyAp/(fpyAp+fyAs)(1)式中,fpy為預(yù)應(yīng)力筋屈服應(yīng)力,Ap為預(yù)應(yīng)力筋面積;fy為普通縱筋屈服強(qiáng)度,As為普通縱筋面積。Zatar設(shè)計(jì)的PRC墩柱試驗(yàn)中,將預(yù)應(yīng)力度作為主要的考察變量,分布范圍從0.00至0.86。通過(guò)4根對(duì)比件的研究發(fā)現(xiàn),預(yù)應(yīng)力度值發(fā)生改變,能對(duì)結(jié)構(gòu)的延性抗震性能產(chǎn)生顯著影響。當(dāng)λ值處于較高水平時(shí),PRC墩柱的卸載剛度會(huì)明顯降低,而結(jié)構(gòu)的殘余變形與裂縫寬度相應(yīng)小很多。Sakai通過(guò)改變耗能鋼筋數(shù)量和預(yù)應(yīng)力筋數(shù)量?jī)煞N方式改變預(yù)應(yīng)力度,并進(jìn)行了數(shù)值模擬,得出的基本結(jié)論基本同Zatar一致,但是并沒(méi)有相應(yīng)的量化分析。2.2預(yù)加軸壓比對(duì)殘余變形的影響預(yù)加軸壓力Np指張拉時(shí)在預(yù)應(yīng)力筋上所施加的力。預(yù)加軸壓比ζ的定義為:ζ=Np/fcA(2)ζ=Νp/fcA(2)式中,fc為混凝土抗壓強(qiáng)度,A為截面面積。Iemura指出,PRC墩柱的殘余變形主要取決于試件的預(yù)應(yīng)力筋數(shù)量,即使預(yù)應(yīng)力筋不張拉,PRC墩柱殘余變形的減少仍然非?？捎^。Sakai數(shù)值模擬結(jié)果顯示,當(dāng)預(yù)應(yīng)力筋不張拉,即預(yù)加軸壓比為0時(shí),試件的殘余變形仍能減少50%左右,此后隨預(yù)加軸壓比增加而快速降低,但預(yù)加軸壓比超過(guò)10%以后,其殘余變形反而會(huì)有所增大。另外,預(yù)加軸壓比還與結(jié)構(gòu)的屈服后剛度和初始屈服力關(guān)系密切。當(dāng)預(yù)加軸壓比增大時(shí),初始屈服力增大,屈服后剛度減小且變化劇烈。綜合考慮到預(yù)加軸壓力可以控制裂縫,減小裂縫寬度等優(yōu)點(diǎn),將預(yù)加軸壓比控制在5%~10%之間是比較合理的。2.3大時(shí)結(jié)構(gòu)的屈服分析這里用預(yù)應(yīng)力筋配筋率:ρPS=Ap/A,作為預(yù)應(yīng)力筋用量的度量方法。根據(jù)Sakai分析結(jié)論,當(dāng)保持總配筋量不變,預(yù)應(yīng)力筋配筋率增大時(shí),結(jié)構(gòu)的屈服后剛度明顯增大,而殘余變形、初始屈服力、最大水平力、耗能能力等因素沒(méi)有明顯變化。PRC墩柱的屈服后剛度主要由處于彈性階段的預(yù)應(yīng)力筋提供,因此其值增大是顯而易見(jiàn)的,而其他主要抗震性能沒(méi)有明顯變化,這與一般設(shè)想并不相符。綜上,增大預(yù)應(yīng)力筋比率對(duì)提高結(jié)構(gòu)的抗震性能并沒(méi)有明顯效用,盲目增大預(yù)應(yīng)力筋配筋率并不明智。將預(yù)應(yīng)力筋配筋率保持在0.3%-0.6%之間是比較合理的選擇。2.4普通鋼筋配筋率在PRC結(jié)構(gòu)及UBRC結(jié)構(gòu)中,普通鋼筋一般用作耗能鋼筋以保證結(jié)構(gòu)延性耗能能力。據(jù)Sakai的分析,當(dāng)普通鋼筋配筋率在0.18%~0.92%之間變化時(shí),若普通鋼筋配筋率增大,PRC墩柱的殘余變形、水平承載力、屈服后剛度、耗能能力等都有所增加,總體來(lái)說(shuō),這對(duì)震后的修復(fù)不利。但如果減少普通鋼筋用量,結(jié)構(gòu)的承載力和耗能能力都會(huì)降低,所以必須經(jīng)過(guò)更深入的研究,才能確定合適的普通鋼筋配筋率。2.5結(jié)構(gòu)的屈服分析Iemura等將無(wú)粘結(jié)筋的位置發(fā)生改變以研究其對(duì)結(jié)構(gòu)受力性能產(chǎn)生的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),當(dāng)預(yù)應(yīng)力筋用量不同時(shí),結(jié)構(gòu)的屈服后剛度幾乎沒(méi)有變化;而當(dāng)無(wú)粘結(jié)筋擺放位置更接近邊緣時(shí),其屈服后剛度明顯增大。據(jù)此,Iemura認(rèn)為,結(jié)構(gòu)的屈服后剛度與預(yù)應(yīng)力筋的擺放位置有很大關(guān)系。Zatar推薦的滯回模型中考慮了預(yù)應(yīng)力筋擺放位置的影響,與Iemura得出的結(jié)論相似,當(dāng)預(yù)應(yīng)力筋更靠近邊緣時(shí),會(huì)導(dǎo)致計(jì)算的預(yù)應(yīng)力筋比率增大,從而導(dǎo)致屈服后剛度增大。而Sakai的研究結(jié)果表明