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节段预制桥墩的性能评估


具有预制基础的预应力混凝土预制节段桥墩的性能评估
姓名:T.-H. Kim*, S.-J. Park*, Y.-J. Kim* and H. M. Shin? 院校:大宇建筑技术研究所;韩国成均馆大学

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本文目的在于研究具有预制基础的预应力混凝土预制节段桥墩的性能评估。 这项提出的 预制混凝土基础体系是为

了发展节段式桥梁并且提供一个可以替代目前现浇混凝土的方案, 尤其是在那些需要缩短工期的项目中。对该模型(节段预制混凝土桥墩)进行了一个恒定的 轴向载荷和周期性往复水平荷载的测试。采用 RCAHTEST(钢筋混凝土高级评估分析程序) 分析钢筋混凝土结构。 采用基于有限元方法的有粘结或无粘结钢筋单元, 该单元可以表示出 钢筋和预应力混凝土构件之间的相互作用。 采用接缝连接单元来预测具有抗剪连接节段接缝 的非弹性行为。 本文主要进行具有预制基础的预制节段桥墩的拟静力试验研究, 然后基于试 验研究和理论分析方法,提出设计建议。考虑到工程中是足尺构件,进一步的研究是对该种 施工方法的细节构造进行研究, 荷载不限于拟静力试验荷载而是实际地震荷载, 最终提出设 计步骤和指南。

1. 简介:
近年来, 节段预制拼装法在混凝土桥梁施工中使用有所增加, 这是出于要满足缩短施工 工期和对创新设计的安全,经济,以及结构的高效及可靠的要求。(Billing ton 等, 2001)在缩 短工期的同时,反过来,当交通中断或者需要改道通行时也导致了重大的安全和经济问题。 预制体系使得桥梁下部结构对高性能混凝土使用量的增加, 从而提高了桥梁耐久性。 配 合高质量控制的预制厂家,让高性能混凝土的供应源源不断。此外,更高强度的高性能混凝 土可以用来减少装卸时的自重和结构单元静荷载,从而便于了施工。(Billing ton 等, 1999) 最近,大量的非弹性行为和节段预制桥墩性能方面的研究已经在国外开始了。(Billing ton and Yoon, 2004; Cheng, 2008; Chou and Chen, 2006; Hewes, 2002; Wang 等, 2008; Yamashita and Sanders, 2006) 。预制节段的混凝土桥墩是一种桥墩在场外分段预制好,并且 在现场拼接,其通常使用的是后张法。最近这方面的发展,虽然在数量上有限,却已经展示 了预制节段桥墩的可行性,并且更适合多种项目类型的桥梁。 本文的目的是确立具有预制基础的预应力混凝土预制节段桥墩在地震荷载作用下的表 现性能,并且制定一个设计程序。抗剪连接结构,这是贯穿整个接缝段来提高剪力的传递能 力,也被引入了预应力筋管道中。 预制混凝土基础体系意在支持预应力混凝土预制节段桥墩, 并且提供一个现行的现浇体 系,尤其在要求缩短工期的时候。 此论文将大规模进行具有预制基础的预应力桥墩方面的模拟实验。 通过实验研究以及理 论分析的方法研究具有预制基础的预应力混凝土桥墩在地震荷载下的表现。 作者将会提出一个具有与之基础的预应力混凝土桥墩的性能改良技术。 这项技术用到了 有限元分析程序。RCAHEST(钢筋混凝土高级评估分析程序)由 Kim 等开发(Kim 等,2003, 2005, 2006, 2007b, 2007c, 2008b)。 修改后的接缝连接单元纳入了 RCAHEST 程序的结构单元 数据库,这样就能用来预测具有抗剪连接结构接缝段的非弹性为。

2. 预制节段的预应力混凝土桥墩:
(图 1)所示的就是预应力混凝土预制阶节段桥墩。每个墩柱的末端都有一个抗剪力 连接结构用来促进节段间的剪力传递如(图 2) 。抗剪力连接结构是贯穿节段之间接缝的结

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构,并且以此来增加桥墩的能量消散能力,还能提早判断重要接缝段的破裂。一旦要在桥墩 中运用节段连接, 因为考虑到后张法需要贯穿整个桥墩的原因, 则将节段与定向的导管一起 预制在整个桥墩中。 后张法在桥梁下部结构同样能减少残余变形并且改善接缝连接结构的抗 剪能力。抗剪连接结构同样在预制桥墩的延性和能量消散方面起着很重要的作用。

(图 1)改进后的预应力混凝土桥墩

(图 2).抗剪连接结构详图

样品: 截面:mm 有效高度:mm 预应力钢筋 材料: 屈服强度:MPA 预应力:MPA 纵向钢筋 材料: 屈服强度:MPA 配筋率:% 材料: 屈服强度;MPA 体积比:% 材料: 屈服强度:MPA 混凝土强度

普通钢筋混凝土桥 墩 600 1500

预制节段桥墩

6 根Φ 12.7mm 的 七芯钢绞线 1600 4800 D10 400 0.605 D10 400 0.66 STK490 (60.5/76.3 mm) 315 24 35 取最小配筋率

横向钢筋

抗剪钢筋

(表 1)测试样本的属性 试件的力学性能列于(表 1) 。所有桥墩试件在一个仪器中接受恒定不变的 0.10 fc`Ag 轴向压力荷载作用下来模拟出来源于桥梁上部结构的自重荷载。 试件的侧向荷载-位移曲线如(图 3,4)中所示。这些数据也显示出了桥墩的抗剪强度设 计值和试件的破坏形态。由韩国道路桥梁设计院得出(交通部及建设部,2005,韩国)的剪 力设计值是对桥墩试件的保守估计值。只有在桥墩与基础的接缝处损伤才比较集中。
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(图 3)预制节段桥墩试件的荷载-位移图

(图 4)普通混凝土桥墩试件的荷载-位移图

预制系统的自复位体系特性在靠近原本的夹点滞环中得以证明。 自复位体系特性表现是 由于作用在桥墩上使之转向外侧的压应力的水平分量。 这些水平回复力在整个测试过程中持 续作用直到预应力钢筋屈服。节段接缝结构被誉为可以确保不会发生接缝剪切破坏。 对桥墩试件的滞回能量消散评估方法是基于累积消散的能量值,如(图 5)所示。从数据中可 看出, 滞回能量的消散随桥墩侧移值增长而增加。 改进后的预制节段的预应力混凝土桥墩展 现出很好的延性和滞回能量消散能力。此外,若使用抗剪连接结构,滞回能量的消散能力愈 加显著。

(图 5)滞回能量消散程度示意图

3. 推荐使用的预制混凝土基础体系:
本文的目的是发展预制混凝土基础这一体系。 (图 6)展示了该体系在中度地震地区的 设计理念。该体系由三部分组成:预制混凝土基础节段,衔接处钢筋的连接和基础混凝土现 浇。
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(a)

(b)

(c)

(d)

(e) 图 6.推荐的预制混凝土基础体系(a)预制混凝土基础节段; (b)基础形式; (c)预制混凝土基础节段的定位; (d)基础现浇; (e)预制混凝土桥墩节段的安装 在转轴被钻入之后,桩,承台,基础可以现场浇筑完成,预制的混凝土基础节段则拉到 现场安装。预制的基础节段垂直装配到对应的位置。纵向浇筑有许多优势:最终形成的桥墩 表面都是可见的; 混凝土能更好的固定周围的导管; 并且由于节段会被竖立安放在浇筑时同 样的位置,所以操作起来将变的更加容易。 这个体系意在支持预制节段的预应力混凝土桥桥墩系的同时提出一个现行的现浇体系 (Saiidi 等, 2001; Xiao 等, 1996),尤其是在要求缩短工期之时。 推荐的预制混凝土基础的标准是能与改进后的具有预制基础的预应力混凝土预制桥墩 相兼容的。节段式预制混凝土基础体系是由更小,更容易处理的节段组成。
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4. 具有预制基础的预应力混凝土预制桥墩: 4.1 实验研究:
这项实验项目包括将四个试件进行拟静力实验, 改变基础现浇时所用的混凝土还有桥墩 和基础接缝处的混凝土强度。试件的设计是根据规范(KRBD,2005,韩国) 。 三个具有预制混凝土基础的桥墩节段试件被设计出来进行侧向荷载的测试, 分别命名为 试件-2,试件-3,试件-4。另外,还有一个具有现浇基础的桥墩试件,命名为试件-1。该试 件被寄以期望展现最小的能量消散能力以及侧向抗压强度, 并且打算凭此提出一个与其他几 个试件相比的最低标准。 约束钢的设计是确保混凝土芯块在压力作用下有足够的延性。 中度 地震区的预制节段桥墩在潜在的塑性铰接区域使用现行的混凝土限制规范是被认为适当的 (交通部及建设部,2005,韩国) 试件的力学性能列于(表 2),具体形状见(图 7-9) 。所有的桥墩试件都在 0.75fc`Ag 的 恒定轴向荷载作用下模拟来自桥梁上部结构传下来的自重。 试件 截面直径:mm 有效高度:mm 预应力钢筋 材料 屈服强度: MPa 预应力 纵筋配筋 材料 屈服强度: MPa 配筋率:% 材料 屈服强度: MPa 体积比:% 材料 屈服强度: MPa 材料 屈服强度: MPa 混凝土强度: MPa 地基 预制段 桥柱 48.1 48.1 1 2 600 2100 6 根Φ 15.2mm 的七芯钢绞线 1745 811.2 D10 545 0.2(最小配筋率) D13 476 1.2 D29 517 STK490 (60.5/76.3 mm) 315 29.1 48.3 48.3 48.2 48.2 48.2 47.9 47.9 47.9 3 4

横向加固

地基加固 抗剪钢筋

(表 2)测试试件的属性 试件由预制节段和基础块组成。基础的长宽高分别 1200mm,2600mm.900mm。这个预制 节段与抗剪连接结构相连,在节段接缝结构处没有连续粘结加固。 试件的预制节段是装配式的。为了最大限度提升建造速度以及桥梁下部结构的耐久性, 目前正在发展一项具有环氧树脂涂层接缝结构的配对浇筑节段体系。 环氧树脂涂层接缝结构 的提出是为了配对浇筑节段而不是为了使接缝凝固, 因为涂有环氧树脂的接缝有更好的耐久 性。在接缝结构位置的材料必须耐久性良好,钢绞线必须有保护层。当桥墩组装完毕后张拉 预应力钢筋达到预期的应力值来同时满足耐用性和桥墩的极限状态要求。 然后基于运行后产

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(图 7)试件-1 详图

(图 8)试件-2,试件-3 详图 生的侧向位移所用采用人工测量进行控制。 此外, 还有一些措施是用来确保桥墩的非弹性行 为的。

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(图 9)试件-4 详图 每一项测试, 基础都会用高强度钢筋连接到实验室的地板上。 伺服液压千斤顶的出力为 2600kN,最大行程为± 375 毫米,通过一端支撑在侧向反力墙上,另一端在柱顶施加侧向 循环加载。 加载器的水平荷载等级在整个测试过程中通过一个传感器进行监控, 并且加载器 上显示的水平位移量也是由一个位移传感器通过与独立的参照桥墩比较而来。 轴向加载的总 共包括一根分配梁,两根高强度拉杆,手动加载的千斤顶和压力传感器。荷载施加在试件两 侧的高强度拉杆上,同时荷载将会通过分布梁传递到桥墩上。 因为试件通过拟静力实验, 在位移控制的情况下加载的产生的偏移等级有 0.25%, 0.5%, 1.0%,1.5%,2.0%,2.5%,3.0%,3.5%,4.0%,4.5%,5%,6%,7%和 8%。偏移的定义 是加载点高度(从基础顶部到加载点的距离)产生的侧向位移。每次实验都重复两次,这样 可以观察在用相同振幅的重复荷载下试件的强度降低。 样品的侧向荷载-位移曲线如(图 10-13)。这些数据也反映了桥墩抗剪强度的设计值和起 破坏形态。这四个桥墩试件的抗剪强度的设计值是较为保守的,它来自于设计规范(交通部 及建设部,2005,韩国)。 通过测试我们可以得知,滞回曲线(如图 10-13)的形状相同主要是因为实验所建立的 几何模型。 预制体系的自复位体系特性被开始处的滞回圈证实。 自复位体系行为是由于作用 在桥墩上使其折向外侧的压应力的水平分量。 所有这四个节段试件都在拟静力试验中表现出延性。 延性因素从 5.9 到 6.6, 可见(表 3)。 试件的滞回能量消散的评估方法是基于累积能量的消散,见(图 14) 。从数据中可看出,滞 回能量的消散随着桥墩的侧移量增加而增强。相比试件-1,其他三个试件显示出相似的滞回 行为,在能量消散方面的能力更好。一项新的改进混合体系是一种预制混凝土体系,它结合 预制节段桥墩和预制混凝土基础展现出令人满意的滞回能量消散能力。 另外, 随着抗剪连接 结构的运用,滞回能量的消散能力增强了。

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(图 10)试件-1 的侧向荷载-位移关系图

(图 11)试件-2 的侧向荷载-位移关系图

(图 12)试件-3 的侧向荷载-位移关系图

(图 13)试件-4 的侧向荷载-位移关系图

(图 14)滞回能量消散示意图
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在基础与桥墩接缝处的开口随着作用处的侧向位移增加而增大。 几乎整个接缝的开口都 集中基础和桥墩衔接段。 其他的接缝段指导实验结束都没有出现明显的开口。 最明显的开裂 处是在侧移量为 1.5%时在基础和桥墩的衔接处。裂缝在拟静力实验中持续扩大贯穿整个铰 接的区域。当达到 4.5%的侧移时混凝土的剥落更加严重。直到 8.0%的侧移,预应力钢绞线 发生断裂。不会发现节段的剪划破坏或桥墩节段的剪切破坏。 在基础加固中产生的拉力用应变仪在 FR1,FR2,FR3 三个位置测量。如(图 15)

(图 15)基础构造图 基础应变量的观察结果是: (1)预制基础和现浇基础的荷载-应变曲线非常相近; (2) 桥墩底部的水平位移造成了基础的拉应变。 试件的测试结果显示基底的最大应变远低于屈服 应变(2000 微应变),所以基础加固只有在较大侧移的情况下才有效。 样品 Vmax 1 2 3 4 386.2 379.3 372.4 384.8 实验 μ 5.9 6.3 6.6 6.1 均值 变异系数 (表 3)实验和分析结果 Vmax 396.9 403.7 399.1 400.1 分析 μ 6.4 5.8 6.0 6.5 试验和分析结果比 Vmax 0.97 0.94 0.93 0.96 0.95 0.02 μ 0.92 1.09 1.10 0.94 1.01 0.09

4.2 分析研究:
本文改进了一个具有预制基础的预应力混凝土预制节段桥墩的二维有限元模型。 这个模 型的建立运用了通用的有限元软件 RCAHEST(kim 等,2003,2005,2007b,2007c,2008d)。 RCHEST 是一款应用于分析普通钢筋混凝土结构的非线性有限元分析程序。 RCAHEST 的结构数据库是建立在一个由 Taylor(2000 年)开发出的名叫“FEAP”的 有限元分析程序。 为了普通钢筋混凝土桥墩的非线性有限元分析而改进的单元是用于钢筋混 凝土的平面单元和界面单元。 伴随着这项研究, 作者试图创造一个有粘结或无粘结的钢筋单 元(Kim 等, 2008b)并且为节段接缝结构设计一个改进的接缝单元。 预应力混凝土的非线性模型由混凝土模型和钢筋模型组成。 混凝土模型可分为非开裂混 凝土和可开裂混凝土。可裂混凝土方面,有三种模型描述混凝土在正常开裂平面的方向,沿 开裂平面的方向, 和沿分裂平面剪力方向。 应用在开裂方式上的基本模型是非正交直线的固 定混凝土开裂理论,这个理论是以加固裂缝为主 (Maekawa 等, 2001).。混凝土的钢筋屈服
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后还应考虑其粘结性的作用, 与此同时要注意这是一个双线型模性。 考虑到预应力钢筋没有 确切的屈服点, 所以需要用多线性近似值。 这个三线性模型将被用来测预应力钢筋的应力应 变关系。 非线性物质模型的细节由作者在先前实验(Kim 等,2003, 2005, 2006, 2007b, 2007c, 2008b)中得出。具有预制基础的预应力节段桥墩的模型技术将会在下文提及。 (图 16-18)展示了桥墩试件的二维非线性平面应力分析的有限元离散化和边界条件, 在预制节段的接缝处的抗剪连接结构都被作为模型用来改良的六点接缝单元。 在预制节段混 凝土基础与现浇基础之间的界面单元底使得模型的局部不连续变形的效果更显著。 预应力钢 筋被建成两点桁架单元来粘结在混凝土单元的锚具的位置。

(图 16)试件-1 的有限元效果图: (a)有限元效果图分析; (b)将一个圆形截面的桥墩理想等 效为矩形截面的桥墩

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(图 17)试件-2,试件-3 的有限元效果图: (a)有限元效果图分析; (b)将一个圆形截面的桥墩理想等效为矩形截面的桥墩 数据也显示了一种当使用平面应力单元时把一个圆形截面变成矩形的方法。 对于矩形截 面,使用等效计算 ,当内力计算出来时,在进行平衡计算。 通过多步骤分析, 桥墩节段的真实行为可以被模拟出来。 一个初始应力等于预应力的单 元被应用于桁架单元。随后,自重荷载被加到桥墩节段的顶部并且通过模拟保持垂直。最后 桥墩顶部收到侧向位移的影响,而对应的侧向力由来自基础底部的剪力决定。 通过比较试件的模拟和实验,得到的荷载-位移值见(图 19-20) 。所有通过试件得出的值都 是与分析的相似的。对比数据在(表 3)中做出总结。试件的预测结果实验分析比较得到的最 大值是 0.95,变异值(COV)为 2%。而精确的实验理论分析的延性是 1.01,变异值(COV) 为 9%。

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(图 18)试件-4 的有限元效果图: (a)有限元效果图分析; (b)将一个圆形截面的桥墩理想等效为矩形截面的桥墩 一般来说, 本文中所提及的模型分析和相关理论都是的与实验结果相符合的。 预测的强 度也比实际桥墩的强度要大。分析结果和实验数据的应力-位移在中等水平或者更高的侧移 值都小于 8%。据此,原预应力的不确定度以及之前测试过的桥墩,可以说分析预测的值与 试验所得到的数据相吻合。在这次模拟计算中刚度大大超过了这个实验本身的值。 在离基础最近的预制节段间的接缝结构发生了裂缝和开口, 正如预期的那样因为缺少连 续性的粘结钢筋。 在模拟实验中, 接缝单元的使用代表这些节段的接缝单元也会有裂缝或开 口。此外,更高的轴向力可以在正常工作时保护桥墩节段的接缝避免开裂,但是容易降低桥 墩的延性。

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(图 19)试件-1 的实验结果比较

(图 20)试件-2 的实验结果比较

(图 21)试件-3 的实验结果比较

(图 22)试件-4 的实验结果比较

在运用基础的最新的评估技术中,鉴定和评估模拟方法的准确性的是重要且必要的一 步,所以自复位体系系统被考虑使用。

5. 结论:
本文主要研究中等地震设防区域具有预制基础的预制混凝土拼装桥墩的应用。 本文推荐 的节段桥桥墩系的设计目的是达到具有一定程度的能量消散同时保证有粘结体系的延性。 通过实验与理论分析结果,可得到以下结论。 1. 进行了试验和分析研究,对预制体系某个方面的行为进行了定量分析。所有的推荐 设计方案表现出延性行为和满意的能量耗散能力。 可以推断本文的设计理念和施工方法可以 较好地实现具有节段基础的预制节段桥桥墩系。 2.推荐的预制墩柱体系的一个重要优势在于它的地震性能。所以,具有预制混凝土基础 的预应力混凝土桥墩在中等地震发生之后,只需要少量维修即可恢复使用功能。 3.理论分析和试验得到的荷载位移曲线吻合程度较好。 采用的接缝连接元件能对具有抗 剪力连接的节段接缝的弹塑性进行预测准确。这样的评估工具能加快推荐体系的工程应用。 4.需要继续进行大量的大尺寸试验研究,特别是在工程实践领域,来优化和评估设计构 造细节。

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6. 参考文献:
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