摘要：为了研究预制拼装桥墩与整体现浇桥墩抗震性能方面的差异，以常见城市高架桥为工程背景，制作完成了3个缩尺比为1∶3.5的试件模型，进行了整体现浇桥墩和无粘结预应力钢绞线预制拼装桥墩拟静力循环加载试验。通过给墩顶施加强迫往复位移，从5个方面研究了预制拼装桥墩与整体现浇桥墩抗震性能的差别，并对试验结果进行了纤维模型计算分析。结果表明：无粘结预应力预制拼装混凝土桥墩混凝土破坏轻微，耗能能力较弱，残余位移小，适合低烈度地区；无粘结预应力带耗能钢筋预制拼装混凝土桥墩墩底混凝土有明显压碎，耗能能力强，残余位移相对于钢筋混凝土现浇桥墩较小，适合中高烈度地区。
关键词：预制拼装混凝土桥墩；拟静力；循环加载；抗震性能
中图分类号：TU311文献标志码：A
Abstract： In order to study the difference of seismic behavior of precast segmental bridge piers and integral cast insitu bridge piers， three 1∶3.5 scale specimens were fabricated according to the urban viaduct bridge practice. The integral cast insitu and unbonded prestress precast segmental bridge pier specimens were used for quasi static cyclic loading test. The seismic behavior differences of precast segmental bridge pier and integral cast insitu bridge pier were investigated in five aspects through imposing cyclic displacement on the column top. The test results were also compared with fiber model calculation results. The results show that the unbonded prestressing precast segmental concrete piers have minor damage， lower energy dissipation， little residual displacement， and are fitted for low earthquake intensity area. The unbonded prestressing precast segmental concrete piers with energy dissipation bars show obvious concrete crush， higher energy dissipation， relatively lower residual displacement compared with monolithic reinforced steel concrete piers， and are fitted for moderate to high earthquake intensity area.
Key words： precast segmental concrete bridge pier； quasi static； cyclic loading； seismic behavior
0引言
目前桥梁施工中，由于施工工期或施工场地的限制，希望在短时间内完工，并且尽量减少现场作业工作量，现场浇筑施工很难满足这种需要，预制拼装施工能适应这种需求，因而预制拼装结构的设计和抗震研究越来越受到重视。从中国的桥梁工程预制施工应用来看，预制拼装箱梁的技术相对成熟，而预制拼装桥墩则处于发展阶段，并且从梁式桥抗震的角度来看，地震作用下桥梁上部结构一般发生整体刚体位移，较少发生破坏，桥墩则由于传递和承受地震地面运动激励，因此是桥梁抗震设计的重点。
Hewes等[1]进行了无粘结预应力预制拼装桥墩拟静力试验，底部首节段外包钢管，研究了高宽比、钢管厚度、预应力张拉应力等因素对抗震性能的影响。Ou等[2]进行了无粘结预应力带耗能钢筋预制拼装桥墩拟静力试验研究，主要参数包括耗能钢筋材料和耗能钢筋无粘结长度，研究发现，耗能钢筋适当的无粘结长度能延缓钢筋的疲劳断裂。葛继平[3]通过试验研究了矩形截面预制拼装混凝土桥墩的抗震性能，考虑的因素包括预应力筋的布置位置和存在方式、附加耗能装置等。Bu等[45]基于截面弯矩曲率分析，建立了预制拼装桥墩推倒分析的简化计算方法，考虑了混凝土、钢筋、预应力筋非线性特性以及耗能钢筋无粘结长度。Bu等[67]基于OpenSees纤维模型进行了预制节段拼装桥墩中耗能钢筋配筋率、预应力筋配筋率、预应力筋张拉控制应力、恒载轴压比、剪跨比和预应力筋粘结情况等参数分析，比较了推倒分析和规范的抗剪强度设计计算公式的计算结果。Bu[8]研究了预制节段拼装桥墩中部分耗能钢筋用等截面积碳纤维筋代替时的抗震性能，结果表明，碳纤维筋能提高桥墩侧向承载力，增大有效刚度，同时降低等效粘滞阻尼比和能量耗散，时程分析结果表明，碳纤维筋能帮助桥墩在较大地面运动强度地震作用下不致倒塌。Billington等[9]开展了延性纤维加筋水泥基复合材料用于预制节段拼装桥墩塑性铰区域的抗震性能拟静力试验，结果表明，这种复合材料预制拼装桥墩与常规混凝土预制拼装桥墩相比具有更多的能量耗散能力，并且在反复拉压荷载作用下保持了较好的完整性。
欧美国家自20世纪60年代就开始了大量预制拼装桥梁下部结构的工程应用，如1971年美国德克萨斯Corpus Christi JFK 堤道桥、北卡莱罗纳Linn Cove 高架桥、德克萨斯奥斯汀美国国家183号高速公路桥、249号州高速公路休斯敦Louetta 街桥、科罗拉多Vail通道桥、1996年英国塞文二桥引桥、1994年丹麦大贝尔特海峡大桥、丹麦―瑞典厄勒海峡双层公路铁路两用桥等。中国节段拼装桥墩的使用是从东海大桥开始，后来上海长江大桥、杭州湾跨海大桥及舟山大陆连岛工程的金塘大桥也陆续大量使用，以适应海上施工空间狭小、气候恶劣的施工条件。根据初步设计方案，正在建设的港珠澳大桥也将采用节段拼装桥墩。 预制拼装桥墩由于构件连接的需要，一般设置部分或全预应力钢筋构造。本文通过3个缩尺比为1∶3.5的圆形截面现浇混凝土桥墩和无粘结预应力预制拼装桥墩拟静力试验，比较现浇桥墩和预制拼装桥墩的承载力、延性、耗能、损伤等抗震特性，为此类桥墩的工程应用提供技术参考。
1试验概况
1.1试件简介
试验设计制作了3个圆形截面混凝土桥墩试件，分别为钢筋混凝土现浇桥墩（试件1）、无粘结预应力钢绞线预制拼装桥墩（试件2）、无粘结预应力钢绞线带耗能钢筋预制拼装桥墩（试件3）。整体现浇桥墩为在工地分步依次浇筑承台、墩身、盖梁形成桥墩；预制拼装桥墩是在工地浇筑好承台、墩身和盖梁等部件，运至实验室张拉钢绞线，然后穿耗能钢筋灌浆拼装而成。桥墩试件由承台、墩身和盖梁组成，承台尺寸均为1 500 mm×1 000 mm×600 mm，墩柱截面直径均为350 mm，墩高1 600 mm，墩底距墩顶加载点距离1 850 mm。现浇桥墩墩高范围内为整体，预制拼装桥墩墩高分为4个预制节段S1，S2，S3，S4，每个节段高400 mm，盖梁为500 mm×500 mm×500 mm的立方体，承台、墩身、盖梁均采用C40混凝土。整体现浇桥墩纵筋采用1012HRB 335带肋普通钢筋，无粘结预应力预制拼装桥墩一个采用3j12.7无粘结钢绞线，另一个采用3j12.7无粘结钢绞线加612HRB335粘结带肋普通钢筋作为耗能钢筋，墩柱箍筋直径为6 mm，底部400 mm范围内层距为50 mm，其余部分层距为80 mm，3个试件的构造和设计参数分别如图1和表1所示，其中P为荷载。
2.2.1钢筋混凝土整体现浇桥墩
试件1墩身形成等间距的贯通裂缝，裂缝间距约为200 mm，底部裂缝较大，局部混凝土压碎，最外侧纵筋断裂，沿墩柱向上裂缝宽度逐渐变小，墩顶附近环状裂缝宽度极小，墩身刚度下降较多，但尚能支撑自身重量而不致倒塌，墩身配筋量适合，基本同时发生纵筋拉断与受压区混凝土压溃，承载力在钢筋拉断前无明显下降，纵筋拉断导致水平荷载侧向位移曲线骤降。塑性铰集中在墩底范围，未发生墩底混凝土沿高度方向的压溃，破坏比较均匀，如图4（a）所示。
2.2.2无粘结预应力钢绞线预制拼装桥墩
试件2加载分为2个阶段：第1阶段侧移幅值为0%～3%，加载至1%侧移幅值时S1节段顶部S1S2节段接缝张开，同时S1节段顶部局部混凝土压碎；第2阶段侧移幅值为3%～7%，加载至3%侧移幅值时S1节段与底部承台接缝张开，S1节段底部局部混凝土压碎，但破坏程度较小，直至最大侧移幅值为7%时试验终止，混凝土破坏情况为S1节段顶部开裂严重，S1节段底部轻微开裂。原因可能与接缝浇筑质量有关，由于S1S2节段接缝的接触不平整，首先形成转动点，导致混凝土局部压溃。随着水平荷载的增大，S1S2节段接缝的接触变得紧密，承台与S1节段接缝由于弯矩较大而张开，S1节段底部局部混凝土形成微裂缝。整个加载过程S2S3节段接缝和S3S4节段接缝都未明显张开。卸载后墩身能自动复位，基本无残余位移，如图4（b）所示。
3结语
（1）钢筋混凝土整体现浇桥墩破坏形式为裂缝较分散，从墩底至墩顶每隔一定间距出现1道环状裂缝，墩底形成集中塑性铰，刚度小，耗能能力强，残余变形大，损伤严重。破坏原因是受拉主筋断裂而不能继续承载。
（2）无粘结预应力预制拼装混凝土桥墩的破坏主要集中在墩底承台S1节段接缝和S1S2节段接缝，混凝土压碎程度较轻，耗能能力较弱，残余变形小，损伤较轻。破坏原因是变形过大，无明显的预应力筋或混凝土损伤。
（3）无粘结预应力带耗能钢筋预制拼装混凝土桥墩破坏集中在墩底承台S1节段接缝，墩底混凝土有明显的压碎，耗能钢筋提供了额外的耗能能力，刚度大，耗能能力强，残余变形较小，损伤较轻。破坏原因是耗能钢筋断裂，墩底混凝土压碎范围较大，墩顶变形过大而不能继续承载。
（4）试件2无粘结预应力预制节段拼装桥墩耗能能力低，位移需求较大，适合抗震设防烈度较低的地区；试件3无粘结预应力筋带耗能钢筋预制节段拼装桥墩具有与现浇桥墩类似的耗能能力，适合中高烈度地区。
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