節(jié)段拼裝預應(yīng)力混凝土橋墩地震響應(yīng)分析

節(jié)段拼裝預應(yīng)力混凝土橋墩地震響應(yīng)分析

目前，對該段樁的形狀進行了大量的模擬靜研究。但是擬靜力試驗方法不能全面把握節(jié)段拼裝預應(yīng)力混凝土橋墩的抗震性能,而采用最接近實際地震效應(yīng)的振動臺試驗方法研究節(jié)段拼裝預應(yīng)力混凝土橋墩的研究成果還未見報道[1―4]。已有的普通鋼筋混凝土橋墩的振動臺研究可以指導本文試驗研究的開展[4―8]。本文主要采用振動臺試驗方法研究節(jié)段拼裝橋墩抗震性能,比較不同構(gòu)造方式混凝土橋墩的動力特性和在相同輸入下的地震響應(yīng)特征和規(guī)律,研究各種橋墩的損傷和破壞機理。1試驗計劃1.1預應(yīng)力混凝土橋墩結(jié)構(gòu)以是否存在預應(yīng)力筋、是否是節(jié)段拼裝、是否設(shè)置耗能鋼筋、預應(yīng)力筋有無粘結(jié)等為參數(shù)設(shè)計了5種不同類型橋墩,其中3種為節(jié)段拼裝橋墩(墩身是采用分段預制再拼裝的施工方式),另外2種分別是整體現(xiàn)澆鋼筋混凝土橋墩和預應(yīng)力混凝土橋墩。這5個試件的名稱和特征見表1,試件構(gòu)造和配筋見圖1。預應(yīng)力的存在一方面是為了更好滿足橋墩的使用性能;另一方面是提供自復位能力,因而,預應(yīng)力混凝土橋墩的普通鋼筋配筋率與普通鋼筋混凝土橋墩相同,這樣可以采用比較研究方法研究節(jié)段拼裝預應(yīng)力混凝土橋墩的抗震性能。橋墩采用截面尺寸為180mm×240mm的矩形實心截面、承臺高420mm、墩身和墩帽總高1600mm,考慮到人工質(zhì)量重心高度,實際橋墩的有效高度為1800mm;另一方面沿長邊方向加載,這樣試件的剪跨比為7.5?；炷翗颂枮镃40。縱筋采用HRB335熱軋鋼筋,直徑為10mm。箍筋采用R235光圓鋼筋,直徑為6mm。預應(yīng)力鋼筋采用φj12.7鋼絞線,有效面積為98.7mm2,單根預應(yīng)力筋的有效預應(yīng)力大小為65kN,預應(yīng)力筋產(chǎn)生的軸壓比為11.2%。考慮到恒載軸壓比為10%,相應(yīng)產(chǎn)生的混凝土壓應(yīng)力為2.68MPa,這樣人工質(zhì)量為11.6t。考慮到試驗室地震模擬振動臺的最大承載能力和相似關(guān)系,模型的相似系數(shù)定為1/5。1.2墩底壓力和塑性鉸區(qū)域位移本試驗主要測量不同類型的橋墩通過振動臺加載至破壞狀態(tài)整個過程的墩底受壓混凝土,鋼筋的應(yīng)變,墩柱塑性鉸區(qū)域的曲率,塑性鉸區(qū)域的裂縫出現(xiàn)和開展狀況,沿墩高度方向的關(guān)鍵點位移和加速度時程響應(yīng),詳見文獻。1.3試驗過程和過程本次試驗中采用兩種波:EICentro(N-S)波和白噪聲。其中對EICentro波需按表2進行分級調(diào)幅并按模型相似比要求進行時間步壓縮,形成多條振動臺輸入地震波,模擬橋梁在多個工況下的工作條件,輸入方向是單向輸入。白噪聲的加速度初始幅值采用0.05g,確保模型在白噪聲作用下保持在彈性變化范圍內(nèi)。但是隨著損傷程度的加深,由于重力荷載作用下發(fā)生自復位,小PGA不能掃描出結(jié)構(gòu)的損傷,所以調(diào)整白噪聲峰值為0.1g,這樣可以近似掃描到結(jié)構(gòu)真正的損傷狀態(tài)。試驗過程是根據(jù)加載工況表2,由臺面輸相應(yīng)的水平地震波(沿長邊方向),按以下工況逐級增大加速度峰值(PGA),直到某個橋墩破壞為止:0.1g→0.2g→0.3g→0.4g→0.5g……。在地震波輸入過程中輸入白噪聲信號,以測定模型動力特性的變化情況,并由此識別其損壞程度。在每級地震波輸入結(jié)束后,注意觀察裂縫的開展等破壞現(xiàn)象?？紤]到墩柱塑性鉸區(qū)可能發(fā)生混凝土壓碎或縱筋屈曲,存在較大的殘余位移,可能發(fā)生結(jié)構(gòu)的倒塌,所以在臺面上沿加載方向左右各布置一個鋼框架。整個加載裝置全貌見圖2。2試驗結(jié)果2.1振動臺性能能準確再現(xiàn)期望輸入波形信號在研究結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)之前,首先研究地震模擬振動臺的性能,判斷振動臺的性能是否能準確再現(xiàn)期望輸入波形信號。圖3給出了典型地震輸入時,實際輸入信號同振動臺面得到信號的頻譜特性,可以看出振動臺基本上能夠再現(xiàn)實際需要輸入的地震波。2.2節(jié)段拼裝橋墩的抗震性能對于整體現(xiàn)澆方式施工的RC試件和UBPC試件,其破壞現(xiàn)象大體相似,差異主要是破壞出現(xiàn)的先后時間不同。RC試件和UBPC試件的破壞現(xiàn)象主要是塑性鉸區(qū)混凝土的開裂,隨著地震波輸入的峰值加速度的增加,裂縫不斷的出現(xiàn)、變寬和延伸,如圖4所示?；炷亮芽p是多條細微的裂縫,加載結(jié)束后開裂的裂縫閉合,橋墩仍能繼續(xù)承受豎向荷載,震后基本不需要修補即可馬上使用。由于不可控制的原因,試驗沒能加載到結(jié)構(gòu)倒塌的地震水平。節(jié)段拼裝橋墩UBPC-S試件、UBPC-SD試件和BPC-S試件的總體破壞現(xiàn)象是相似的,都是接縫位置的接縫張開,然后在重力和預應(yīng)力荷載作用下接縫閉合,而墩身除了局部混凝土剝落引起的箍筋外露外基本未出現(xiàn)大的結(jié)構(gòu)損傷,如圖5所示。結(jié)構(gòu)繼續(xù)承受豎向荷載,震后不需要修補即可馬上使用。但是地震過程中,裂縫是集中的大裂縫,因為接縫張開過大,試驗過程結(jié)束?？傮w而言,從試驗現(xiàn)象上看,在相同的地震水平下整體現(xiàn)澆方式施工的橋墩的抗震性能要好于節(jié)段拼裝施工的橋墩。節(jié)段拼裝橋墩在水平地震荷載作用下出現(xiàn)接縫的交替張開閉合,從而產(chǎn)生一定的能量耗散,這種現(xiàn)象稱為“搖擺現(xiàn)象”。預應(yīng)力筋提供的自復位效應(yīng)是產(chǎn)生這種現(xiàn)象的保證,自復位能力的存在使得節(jié)段拼裝橋墩在發(fā)生較大水平位移的情況下,仍能保持一定的豎向承載力。2.3動力特性測試結(jié)構(gòu)的動力特性指結(jié)構(gòu)的自振特性參數(shù),包括了結(jié)構(gòu)的自振頻率(自振周期)、阻尼比和振型等。本次試驗采用白噪聲掃描的方法進行結(jié)構(gòu)的動力特性測試。表3列出了各個試件在彈性狀態(tài)下的動力特性識別結(jié)果?？梢钥闯龈鞣N橋墩截面形式雖然相同,但是接縫的存在和預應(yīng)力筋的位置不同導致各種橋墩的實際頻率有所差異。對沿墩身高度分布的各加速度通道測點分別進行頻率識別,計算各測點的各階頻率及其對應(yīng)的各階模態(tài)阻尼比。將各階頻率所對應(yīng)的沿墩身高度分布的頻響函數(shù)虛部進行歸一化處理,即是各階模態(tài)所對應(yīng)的振型。圖6給出了試驗測得的第1階和第2階振型。2.4節(jié)段拼裝試件圖7給出了隨PGA增加各個試件最大位移響應(yīng)變化趨勢,可以看出在同等加速度激勵下,節(jié)段拼裝試件的最大位移響應(yīng)大于整體現(xiàn)澆鋼筋混凝土試件,主要原因是節(jié)段拼裝試件的整體剛度小于整體現(xiàn)澆鋼筋混凝土試件;帶有耗能鋼筋的節(jié)段拼裝試件UBPC-SD的位移響應(yīng)小于同等沒有耗能鋼筋的預應(yīng)力節(jié)段拼裝試件UBPC-S,主要原因是耗能鋼筋的存在增大了構(gòu)件的剛度、強度和耗能能力;無粘結(jié)預應(yīng)力混凝土橋墩UBPC的位移響應(yīng)小于普通鋼筋混凝土試件RC主要是無粘結(jié)預應(yīng)力筋的存在增大了試件的強度和剛度。隨著PGA增加,節(jié)段拼裝試件的最大位移增加速度大于整體現(xiàn)澆鋼筋混凝土試件。試驗過程中,隨著地震荷載在增大,最大位移隨之增加,但是試件均沒有產(chǎn)生殘余位移。說明結(jié)構(gòu)總體損傷仍處于較低的水平,試件仍能承受較大的地震荷載輸入。2.5中心軸距離b鋼筋應(yīng)變片可以提供加載過程中不同位置的應(yīng)變時程,揭示應(yīng)變同縱筋屈曲斷裂等損傷狀態(tài)之間關(guān)系。但是塑性鉸區(qū)縱筋應(yīng)變可能會在某個最大響應(yīng)時刻失效,從而后續(xù)的應(yīng)變時程數(shù)據(jù)就無法得到。這一點同擬靜力試驗是不同的,擬靜力試驗最大應(yīng)變發(fā)生在最后時刻,應(yīng)變片可以得到最大程度的應(yīng)用。為了克服這個缺陷,可以采用外部位移測量裝置來估算平均應(yīng)變。采用該方法時需假定鋼筋與混凝土之間粘結(jié)完好,保持平截面假定。鋼筋到中心軸距離為b,其鋼筋應(yīng)變εbar可以通過左右兩側(cè)的曲率φ和平均截面應(yīng)變εa來計算得到。如圖8,柱角邊緣纖維混凝土平均應(yīng)變計算公式為:圖9給出了隨PGA增加現(xiàn)澆構(gòu)件縱筋應(yīng)變變化趨勢,可以看出隨PGA增加,現(xiàn)澆構(gòu)件最大受拉縱筋應(yīng)變也增加。在相同PGA激勵下,無粘結(jié)預應(yīng)力混凝土試件UBPC的最大受拉縱筋應(yīng)變小于普通鋼筋混凝土試件RC,主要原因是:無粘結(jié)預應(yīng)力混凝土試件UBPC的最大位移小于普通鋼筋混凝土試件。通過應(yīng)變片測得的最大受拉縱筋應(yīng)變時程可以看出在縱筋屈服后,應(yīng)變片會失效。采用位移計算得到的應(yīng)變可以反映應(yīng)變的變化趨勢和量值,但是該方法得到的縱筋應(yīng)變會大于實際值,主要原因是實際縱筋不能滿足平截面假定,而該方法是基于平截面假設(shè)得到的。圖10給出了隨PGA增加,受壓邊緣混凝土平均應(yīng)變變化趨勢。由圖可以看出,隨PGA增加,各個試件的受壓邊緣混凝土平均應(yīng)變逐漸增大。在相同PGA激勵下,節(jié)段拼裝試件的受壓邊緣混凝土平均應(yīng)變都大于整體現(xiàn)澆試件。在最大位移響應(yīng)相同的情況下,節(jié)段拼裝試件的受壓邊緣混凝土平均應(yīng)變也都大于整體現(xiàn)澆試件。在相同PGA激勵下,無粘結(jié)預應(yīng)力混凝土試件UBPC的受壓邊緣混凝土平均應(yīng)變小于普通鋼筋混凝土試件RC。在相同PGA激勵下,帶有耗能鋼筋的節(jié)段拼裝試件UBPC-SD的受壓邊緣混凝土平均應(yīng)變小于同等沒有耗能鋼筋分預應(yīng)力節(jié)段拼裝試件UBPC-S。2.6試驗構(gòu)件的拉結(jié)和無拉側(cè)筋拉結(jié)圖11給出了隨PGA增加各個試件墩底曲率的變化趨勢,可以看出隨PGA增加,各個試件的墩底曲率也增加。由于節(jié)段拼裝構(gòu)件的受拉側(cè)沒有縱筋的拉結(jié),因而節(jié)段拼裝構(gòu)件的墩底接縫張開較大,所以相同激勵下的墩底曲率節(jié)段拼裝試件較大。在相同PGA激勵下,由于耗能鋼筋的約束,UBPC-SD試件的曲率也比UBPC-S小。接縫沒有普通鋼筋通過的試件UBPC-S和試件BPC-S的曲率增幅較快,在同等質(zhì)心位移響應(yīng)的情況下,試件UBPC-S和試件BPC-S的曲率較現(xiàn)澆構(gòu)件大。2.7對比pga時節(jié)段拼裝橋墩底部縫節(jié)段拼裝預應(yīng)力混凝土橋墩的顯著特征就是在地震荷載激勵下,底部接縫截面邊緣由于沒有縱筋參與受拉,底部接縫會產(chǎn)生明顯的接縫張開現(xiàn)象。圖12給出了隨PGA增加,節(jié)段拼裝橋墩底部接縫張開位移的變化趨勢?？梢钥闯?隨著PGA的增加,各個試件的接縫張開程度逐漸增大,其中BPC-S的接縫張開的增幅越來越大,兩側(cè)的接縫張開程度呈指數(shù)增加的趨勢。在接縫張開較大的一側(cè),同等PGA激勵下,試件UBPC-S的接縫張開程度大于有耗能鋼筋約束的試件UBPC-SD。2.8預應(yīng)力筋對混凝土橋墩能耗能力的影響圖13給出了各個試件的累積滯回能變化趨勢[9―11],可以看出隨著PGA的增加,各個試件的累積滯回耗能基本呈增加的趨勢。比較整體現(xiàn)澆的試件RC和試件UBPC可知,預應(yīng)力筋的存在對整體現(xiàn)澆構(gòu)件的耗能能力影響不明顯,主要原因是兩者的耗能機制是相同的。有粘結(jié)預應(yīng)力節(jié)段拼裝混凝土橋墩的耗能能力大于無粘結(jié)預應(yīng)力節(jié)段拼裝混凝土橋墩。主要是有粘結(jié)試件的預應(yīng)力鋼筋出現(xiàn)了屈服,混凝土的破損程度較大所致。含有耗能鋼筋試件UBPC-SD耗散的能量會大于UBPC-S,說明耗能鋼筋的存在會增大節(jié)段拼裝預應(yīng)力混凝土橋墩的耗能能力。3pga對節(jié)段墩底接頭應(yīng)變的影響(1)對于整體現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu),破壞現(xiàn)象主要是墩底塑性鉸區(qū)域混凝土的開裂,隨輸入增加,裂縫逐漸增多變寬;對于節(jié)段拼裝預應(yīng)力混凝土試件,破壞現(xiàn)象主要是塑性鉸節(jié)