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摘要:为提升预制拼装桥墩在地震作用下的延性和耗能能力，构思一种结合整体现浇桥墩与预应力节段拼装桥墩体系的混合体系预制拼装桥墩很重要。本文介绍混合体系预制拼装桥墩的设计思路、构造和力学行为特征，分析其三水准性能目标，探讨其对混合体系拼装桥墩和预应力拼装桥墩抗震性能的影响规律。
关键词:桥梁工程；节段拼装桥墩；混合体系；抗震；设计参数
前言:混合体系预制拼装桥墩与预应力拼装桥墩相比，可同时利用接缝非线性行为和底部塑性铰机制来抵抗地震作用，其初始弹性刚度和水平承载力更大，具有更强的延性和耗能能力；本文提出一种结合现浇与预制桥墩优势的混合体系预制拼装桥墩，通过理论和数值分析对其抗震性能进行评估，以期为工程设计提供参考。
1混合体系的预制拼装桥墩抗震性能优势劣势
1.1混合体系的预制拼装桥墩抗震性能优势
混合体系预制拼装桥墩与预应力拼装桥墩相比，可同时利用接缝非线性行为和底部塑性铰机制来抵抗地震作用，其初始弹性刚度和水平承载力更大，具有更强的延性和耗能能力；混合体系预制拼装桥墩底部节段的长细比大于1.2时，随着长细比的增大，位移延性降低，残余位移增大；初始预应力水平对2种桥墩水平承载力、位移延性、初始弹性刚度等的影响有差异，对于混合体系预制拼装桥墩，40%的初始预应力水平较为合适；混合体系预制拼装桥墩的预应力束在截面边缘布置可减小接缝位置混凝土的损伤，同时可有效提高桥墩的水平承载力。研究结论可为预制拼装桥墩的抗震设计和性能优化提供参考。桥梁预制拼装技术将工厂化预制构件运输到施工现场进行快速拼装，在保证构件质量的同时，最大程度加快了桥梁建设速度，减小了现场施工对周边环境的影响。预制拼装桥墩具有施工安全性好、建造效率高、质量有保障、周期短、环境污染小、养护及修复成本低等优点。由于预制拼装桥墩发展起步较晚，针对其抗震性能的系统性研究尚不充分，因此，目前预制拼装桥墩主要应用于非震区的桥梁工程中。与传统现场浇筑桥墩相比，地震作用下预制拼装桥墩的节段连接构件通常需要承受较大的局部应力，较易发生损坏和劣化。根据连接方式及力学行为的差异。
1.2混合体系的预制拼装桥墩抗震性能劣势
预制拼装桥墩在抗震方面主要存在以下劣势:(1)延性和滞回耗能的能力较弱；(2)由于摇摆作用，损伤集中于柱脚刚性转动处的拼接缝保护层混凝土；(3)对于采用预应力束连接的体系，其抗剪能力相对较弱。近年来，为了提升预制拼装桥墩体系的延性耗能和抗损伤能力，有学者提出将钢管混凝土应用于预制拼装桥墩，亦有学者提出引入新型高性能材料，如纤维增强复合材料、水泥基复合材料、混杂纤维混凝土和超高性能混凝土等。然而，由于目前新型材料造价相对较高，可考虑结合各类预制拼装桥墩连接方式的优点，探索能兼顾传统桥墩设计方法的新型预制拼装桥墩体系。
2 混合预制拼装桥墩体系
2.1混合预制拼装桥墩体系的构思
对于传统现浇桥墩，地震作用下其墩柱可形成塑性铰，通过塑性铰机制来耗散能量，但震后残余位移较大。考虑到当前桥梁延性抗震设计理论应用广泛，工程师能够使用现有规范中的设计方法和建议参数来进行抗震设计，如墩柱强度和变形验算中的弯矩、剪力计算系数等。此设计理论及方法较为成熟，可较准确计算结构强度要求和相应尺寸。预应力节段拼桥墩具有自复位能力强、残余位移小等优点，但其滞回耗能的能力相对较差；并且，预应力节段拼装桥墩结构复杂，体系不确定性和技术难点多，导致传统墩柱设计施工规范中的相关规定无法适用于此类桥墩体系。
工程中常对预应力节段拼装桥墩采取弹性设计理念，以避免地震作用下墩柱混凝土受拉边缘出现拉应力，防止节段接缝发生开合现象，但弹性设计时需要设计较大的墩柱截面来满足其性能要求，从而增加结构材料用量及造价。在以往研究的基础上，本文考虑一种采用混合体系的预制拼装桥墩结构，采用多个预制混凝土节段，通过截面中心配置的体外预应力束连接，但底部节段与承台一同浇筑，以期在地震作用下形成塑性铰，耗散地震能量，而墩柱上部仍采用预制节段拼装技术。此外，地震作用下混合体系预制拼装桥墩与现浇桥墩主要破坏区域均为墩柱底部，但二者在抗震机理上有明显差异:前者可利用底部节段塑性铰机制和其上方接缝张开闭合行为来共同抵抗地震作用，而现浇桥墩主要依靠底部塑性铰机制抗震；前者通过竖向配置的后张预应力束将各节段连接，较大提升了其自复位能力，减小了其残余位移。鉴于这些差异，有必要对混合体系预制拼装桥墩的抗震性能开展深入研究。
2.2性能目标分析
对于混合体系预制拼装桥墩，其与承台一同浇筑的底部节段是影响墩柱力学性能的重要部位。在配筋率和轴压一定的情况下，底部节段高度Hb的选取至关重要。针对Hb的临界值，通截面极限弯矩Mu不仅与扣除预应力损失后的有效预加应力、上部结构荷载、墩身自重有关，还与水平荷载作用下预应力束伸长所引起的张拉力有关。根据既有试验结果，本文将初始张拉应力增加50%作为伸长后的张拉应力值。开裂弯矩Mcr可通过接缝截面受拉边缘混凝土纤维应变为0时的截面临界消压弯矩来求得。此时，截面竖向将保持如下的受力平衡条件
2.3性能目标限值
参考中国建筑结构抗震设计中小震不坏、中震可修、大震不倒的三级性能目标抗震设计理念，结合《公路桥梁抗震设计细则》(JTG/TB02-01—2008)，针对所提出的混合体系预制拼装桥墩的潜在破坏特点，对其进行三水准划分，如表1所示。其中，性能目标Ⅰ对应小震情况，到达此性能目标所标定的限值，混合体系预制拼装桥墩将发生轻微破坏，体系无需修复可继续使用，性能目标Ⅱ和Ⅲ分别对应中震和大震情况。预应力水平是指预应力束张拉力与钢绞线材料的屈服强度之间的关系；墩柱残余变形是指水平荷载卸载至0时墩顶残余位移与墩柱有效高度的比值，此处以日本规范]中标定的1%作为残余变形限值。
3 讨论
(1)混合体系预制节段拼装桥墩与普通预应力节段拼装桥墩相比，可同时利用接缝非线性行为和底部塑性铰机制来抵抗地震作用，在初始弹性刚度、延性与耗能等方面的优势较为明显。
(2)对于混合体系预制拼装桥墩，当底部节段长细比大于1.2时，随着底部节段高度(长细比)的增加，桥墩的位移延性降低，残余位移增大，底部节段长细比为1.7时超过了设计要求的1%限值。
(3)初始预应力水平对预应力节段拼装桥墩和混合体系预制拼装桥墩的水平承载力、位移延性、初始弹性刚度等的影响有差异。对于混合体系拼装桥墩，40%的初始预应力水平较为合适，边缘布置预应力束可保护此类桥墩接缝位置混凝土避免损伤，还可有效提高其承载力。
(4)本文分析了不同形式节段拼装桥墩的抗震性能，探讨了关键设计参数对其抗震性能的影响，下一步还可深入研究各设计参数之间的相互关系，基于实际工程应用，考虑桥墩中预应力钢束的耐久性和预应力损失，并开展相关试验研究，以期为此类预制拼装桥墩在中强震区桥梁工程中的运用提供依据。
参考文献
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