144 地震工程与工程振动第 37 卷 Keywords:precastconcrete;bridgecolumns;mechanicalsplices;connections;seismicperformance 引言与传统现浇式施工相比较, 采用工业化生产, 装配式施工的预制拼装技术具有许

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熏景
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1 第 37 卷第 6 期 2017 年 12 月地震工程与工程振动 EARTHQUAKEENGINEERINGANDENGINEERINGDYNAMICS Vol.37No.6 Dec.2017 文章编号 : (2017) DOI: /j.eeev gejp.016 机械套筒连接的轨道交通预制拼装桥墩抗震性能试验研究葛继平 1, 闫兴非 2,3 4, 王志强 (1. 上海应用技术大学城市建设与安全工程学院, 上海 ;2. 上海市城市建设设计研究总院, 上海 ; 3. 上海工业化装配化市政工程技术研究中心, 上海 ;4. 同济大学桥梁工程系, 上海 ) 摘要 : 预制拼装桥墩能够应用于中高地震烈度区的前提是使预制拼装桥墩具有良好的延性和耗能能力本文采用新型可调节型机械套筒进行轨道交通预制拼装桥墩方案的设计按照 1:3 的大比例尺制作了两个试件, 第 1 个试件是以某在建轨道交通桥墩为原型缩尺的整体现浇试件, 同时也是基准比照的试件 ; 第 2 个试件是采用机械套筒连接的预制拼装桥墩试件采用拟静力试验方法研究了机械套筒预制拼装方法与现浇方法制作的桥墩的抗震性能异同包括破坏过程, 荷载位移滞回曲线, 塑性铰区域内的变形特征等试验结果表明采用该种新型可调节型机械套筒设计的预制拼装桥墩的抗震性能与整体现浇桥墩等同, 所以新型可调节型机械套筒方案可作为轨道交通预制拼装桥墩的备选设计方案关键词 : 预制混凝土 ; 桥梁墩柱 ; 机械套筒 ; 连接 ; 抗震性能中图分类号 :U443.22;P315.9 文献标志码 :A Seismicperformanceanalysisofrailtransitsegmental bridgecolumnswithmechanicalsplices GEJiping 1,YANXingfei 2,3,WANGZhiqiang 4 (1.ColegeofUrbanConstructionandSafetyEngineering,ShanghaiInstituteofTechnology,Shanghai200235,China; 2.ShanghaiUrbanConstructionDesignResearchInstitute,Shanghai200125,China;3.TheIndustrialand PrefabricatedTechnicalResearchCenterofMunicipalEngineering,Shanghai200125,China 4.DepartmentofBridgeEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China) Abstract:Prefabricatedpierscanbeappliedinhighseismicintensityareainthepremisethattheprecastasem bledpiershavegoodductilityandenergy disipationproperties.thispaperpresentsthedesignofprecastandas sembledbridgepierswithanewtypeofadjustablemechanicalsplicesinrailbridges.two1/3scalespecimenswith large barconnectiondetailsweretestedbyusingpseudo staticloading.thefirstwasaconventionalsteelreinforced concrete(rc)columnandservedasareference.thesecondcolumnwasthesegmentalcolumnswithmechanical splices(scmc)andservedasarapidlyconstructibleprecastsystem foruseinseismicregions.thetestsshowed themaximumloadingcapacityandductilityoftheprecastsystemwithmechanicalsplicesareemulatedwiththoseof thecast in placercpiers.basedontheseresults,theprecastsystemwithmechanicalspliceshasbeenfoundto demonstratethesameperformanceasrcpiers.therefore,thenewadjustablemechanicalsplicescanbeusedas designalternativesforprecastandasembledpiersofrailwaybridges. 收稿日期 : ; 修订日期 : 基金项目 : 国家自然科学基金项目 ( ); 上海市科委工程技术研究中心建设专项 (17DZ ) Supportedby:NationalNaturalScienceFoundationofChina( );TheResearchCenterConstructionProgram ofscienceandtechnology CommisionofShanghaiMunicipality(17DZ ) 作者简介 : 葛继平 (1979-), 男, 副教授, 博士, 主要从事预制拼装桥墩抗震研究.E mail:bridgejiping@126.com

144 地震工程与工程振动第 37 卷 Keywords:precastconcrete;bridgecolumns;mechanicalsplices;connections;seismicperformance 引言与传统现浇式施工相比较, 采用工业化生产, 装配式施工的预制拼装技术具有许多优点 : 减少现场交通环境干扰改善工人的施工环境提高工人工作效率确保施工质量缩短工期

国外各种机械接头技术相继出现, 并制定相应的技术标准 [2-3] 据日本焊接学会调查, 目前钢筋连接方法已有 64 种, 其中 60% 是机械连接法美国 LENTON 公司是一家杰出的钢筋连接设计生产公司, 产品广泛应用于建筑结构, 代表性的机械连接方法如图 1(a) 所示 [4] 其余的广泛应用的机械套筒类型还有墩粗套筒 ( 图 1(b)), 锥螺纹套筒 ( 图 1(c)), 直螺纹套筒 (

2 144 地震工程与工程振动第 37 卷 Keywords:precastconcrete;bridgecolumns;mechanicalsplices;connections;seismicperformance 引言与传统现浇式施工相比较, 采用工业化生产, 装配式施工的预制拼装技术具有许多优点 : 减少现场交通环境干扰改善工人的施工环境提高工人工作效率确保施工质量缩短工期降低工程造价等预制拼装技术是城市轨道交通和高架结构, 甚至整个建筑行业的必然发展方向随着桥梁工业化生产, 装配式施工的要求和呼声越来越高预制拼装桥墩需要既能满足桥梁的抗震要求, 又要具有快速施工的特点虽然近些年来对采用灌浆套筒和预应力筋等方式的预制拼装桥墩进行了深入研究和工程应用, 但是仍然需要新的预制拼装桥墩连接技术来满足不同建造情况下的需求 [1] 20 世纪 70 年代, 国外各种机械接头技术相继出现, 并制定相应的技术标准 [2-3] 据日本焊接学会调查, 目前钢筋连接方法已有 64 种, 其中 60% 是机械连接法美国 LENTON 公司是一家杰出的钢筋连接设计生产公司, 产品广泛应用于建筑结构, 代表性的机械连接方法如图 1(a) 所示 [4] 其余的广泛应用的机械套筒类型还有墩粗套筒 ( 图 1(b)), 锥螺纹套筒 ( 图 1(c)), 直螺纹套筒 ( 图 1(d)) 等 90 年代后期, 我国先后自主开发了镦粗直螺纹钢筋套筒和滚轧直螺纹钢筋套筒 [5-9] 2012 年江苏金砼预制装配建筑发展有限公司开发出来 YK 可调组合钢筋套筒, 见图 1(d), 该接头属于墩粗直螺纹的套筒 [10] 镦粗直螺纹工艺克服了锥套筒连接的缺点, 提高了接头的强度丝头提前加工, 现场施工速度快, 工人劳动强度低不足之处有镦偏现象, 镦粗后的钢筋头部金相组织发生变化, 不经回火处理, 会产生应力集中, 延性降低, 对改善接头受力是不利的机械套筒的设计初衷是具有可靠的钢筋连接性能虽然这种基于钢筋连接的预制拼装桥墩技术具有显著的优点, 但在破坏形式方面, 机械套筒的破坏形式有钢筋母材正常由于颈缩的拉断, 钢筋螺纹处的由于截面削弱造成的脆断, 或者钢筋端部墩粗造成的变截面处的脆断应有可靠的质量保证体系来避免后面两种形式的脆断在理想情况下, 该方法都能保证极限拉伸下钢筋发生母材颈缩破坏, 但是由于施工质量问题, 在某些不确定情况下, 机械套筒在墩粗或者螺纹处可能会发生钢筋脆断图 1 常见机械套筒类型 Fig.1 Thecommontypesofthemechanicalsplices

3 第 6 期葛继平, 等 : 机械套筒连接的轨道交通预制拼装桥墩抗震性能试验研究 145 机械套筒连接的薄弱环节是疲劳和抗震能力 TAKATAMOERICHARD 对 85 个钢筋机械连接拉伸试件进行单调及循环加载试验, 研究了初始偏心和弯折对钢筋机械连接接头受力性能的影响 [11] 目前对构件抗 [12] 震研究方面, 主要集中在剪力墙, 柱节点等建筑工程方面李宁波通过 4 个轴压比和截面形状采用钢筋 [13] 套筒挤压连接的预制混凝土剪力墙试件进行了拟静力试验张微敬完成了 7 个不同配箍特征值和轴压 [14] 比的预制柱试件及 1 个用于对比的现浇柱试件的拟静力试验赵作周等进行了 2 个装配整体式中节点和 1 个现浇中节点试件的拟静力试验试验结果均表明 : 套筒挤压连接能有效传递钢筋的拉压荷载作用采用该方法可用于抗震设计的钢筋混凝土柱的纵向钢筋连接相比而言, 机械套筒用于桥墩塑性铰区的抗震性能研究很少美国内华达大学的 Saidi 教授完成了形状记忆合金纵筋与普通钢筋的连接性能拟静力试验和振动台试验, 建议了塑性铰区域机械套筒的最低验收标准, 并完成了世界第一座采用机械套筒连接的形状记忆合金钢筋的三跨连续梁桥的设计建造 [15-16] 目前国内尚未对机械套筒连接的预制拼装桥墩抗震性能进行研究无预应力的预制拼装混凝土桥墩一般认为其抗震性能低于整体现浇普通钢筋混凝土桥墩, 因而在抗震结构中的应用受到限制本研究采用满足 I 级接头的标准机械套筒进行轨道交通预制拼装桥墩的设计, 并采用通过模型制作验证施工工艺的可行性和通过拟静力试验评价其抗震性能的思路以某在建地铁线路的高架桥墩为研究对象, 按照 1:3 的比例尺进行了缩尺模型制作通过试验研究方法, 评价了采用机械套筒方法制作的预制拼装桥墩在模拟地震作用下的力学性能 1 试验设计 1.1 试件设计选取某在建地铁线路高架桥的立柱, 截面尺寸是 2.5m 1.7m, 截面配 84 根 28mm 钢筋, 配筋率 1.23%, 见图 2 按照相似比 1:3 缩尺后的试件截面尺寸是 0.83m 0.56m, 截面面积为 m 2 缩尺图 2 原型截面 Fig.2 Thesectionoftheprototype 图 3 缩尺截面 Fig.3 Thesectionofthescalemodel 过程根据主要抗震指标进行, 以首次屈服为控制指标, 试验模型的弯矩和足尺模型的首次屈服指标最大误差 2%, 极限弯矩最大误差 8%, 可以满足近似缩尺要求截面配 20 根 20mm 钢筋, 采用 HRB400 热轧带肋钢筋, 配筋率 1.32% 拉筋都采用直径 8mm 的热轧光圆钢筋, 箍筋外净保护层 39mm 模型立柱配筋设计见图 3 所示原型墩高 12m, 缩尺后为 4m, 考虑到加载设备的加载空间, 本次试验选择墩高 3.3m, 试件的总体布置图见图 4 沿弱轴加载, 加载宽度 b= 0.56m, 剪跨比 5.89, 属于弯曲破坏承台尺寸为 m 加载端高度端 0.6m, 试件的总高度为 4.3m 试件所用混凝土的强度等级均为 C40 本试验的 2 个试件包括整体现浇钢筋混凝土桥墩 (RC) 和采用机械连接预制拼装桥墩 (SCMC) 其中 RC 试件为现图 4 试件的总体布置图 Fig.4 Generaldrawingofspecimens

146 地震工程与工程振动第 37 卷浇普通钢筋混凝土单柱墩试件, 作为节段预制立柱力学行为的比较基准 SCMC 试件为采用机械套筒连接的预制拼装单柱墩, 重点研究机械套筒连接的节段预制立柱的裂缝开展抗震性能及损伤机理等本文采用的 YHK 可调节型套筒构造中, 内套筒含有导向半球, 在拼装施工对接过程中, 纵筋端头会出现不对中的情况, 导向半球可以发挥作用

拧螺栓 ( 见图 5);(4) 立模板, 后浇带混凝土浇筑, 因该后浇带为水平浇筑, 振捣不便, 可采用高强自流平混凝土图 5 机械螺纹连接拼装构件的施工构造 Fig.5 ConstructionaldetailoftheSCMCspecimens 1.2 材料特性混凝土采用商品混凝土, 由上海建工材料工程有限公司预制构件三厂搅拌站生产, 其中水泥为海螺产 P.I.52.

4 146 地震工程与工程振动第 37 卷浇普通钢筋混凝土单柱墩试件, 作为节段预制立柱力学行为的比较基准 SCMC 试件为采用机械套筒连接的预制拼装单柱墩, 重点研究机械套筒连接的节段预制立柱的裂缝开展抗震性能及损伤机理等本文采用的 YHK 可调节型套筒构造中, 内套筒含有导向半球, 在拼装施工对接过程中, 纵筋端头会出现不对中的情况, 导向半球可以发挥作用外套筒与连接套筒之间在连接前存在较大间隙, 使得钢筋对接比较容易, 相比已有的机械套筒接头, 具有容错能力强的优点在抗震性能方面, 通过钢筋拉伸试验, 满足 I 级接头的标准, 因而在抗震方面能发挥较强的优点 SCMC 试件的构造特点是 :(1) 加工墩柱和承台对接钢筋的螺纹 ;(2) 在承台施工时对应桥墩立柱的主筋位置预埋钢筋, 预制桥墩立柱 ;(3) 拼装施工时, 起吊定位立柱节段, 拧螺栓 ( 见图 5);(4) 立模板, 后浇带混凝土浇筑, 因该后浇带为水平浇筑, 振捣不便, 可采用高强自流平混凝土图 5 机械螺纹连接拼装构件的施工构造 Fig.5 ConstructionaldetailoftheSCMCspecimens 1.2 材料特性混凝土采用商品混凝土, 由上海建工材料工程有限公司预制构件三厂搅拌站生产, 其中水泥为海螺产 P.I.52.5 水泥砂为芜湖申海产中砂石子为鑫山矿业产粒径 5~25mm 的碎石水采用自来水外加剂采用了二级粉煤灰和科之杰 Point 800s 外加剂混凝土的塌落度为 80±20mm 测试力学性能的混凝土与浇注时的混凝土为同一批次, 测试抗压强度的试件为 mm 的立方体试块, 测得整体现浇和机械套筒预制墩的墩身的强度分别为 48.6MPa 和 56.9MPa 测试力学性能所用的钢筋试样在钢筋下料时取样, 直径为 20mm 的纵筋的屈服强度均值为 468MPa, 抗拉强度是 640MPa, 断后伸长率是 33%; 直径为 8mm 的纵筋的屈服强度均值为 382MPa, 抗拉强度是 495MPa, 断后伸长率是 30% 机械套筒制作 3 个拉伸试件, 破坏图见图 6, 2 个试件破坏发生在母材位置,1 个试件破坏位置在加工螺纹处试验结果见表 1, 接头抗拉强度等于被连接钢筋的实际拉断强度或不小于 1.1 图 6 机械套筒破坏形式倍钢筋抗拉强度标准值, 残余变形小并具有高延 Fig.6 FailuremodeofYKadjustablebarcouple 性及反复拉压性能, 满足钢筋连接 I 级接头的要求, 但是加工螺纹处, 可能会发生脆性断裂, 变形能力有所减低表 1 机械套筒拉伸试件结果 Table1 ResultsoftensiletestofYKadjustablebarcouple 拉伸试件序号极限荷载 (kn) 拉断强度 (MPa) 抗拉强度标准值 (MPa) 抗拉强度比

第 6 期葛继平, 等 : 机械套筒连接的轨道交通预制拼装桥墩抗震性能试验研究 147 1.3 加载方案墩柱的轴压比对桥墩的抗震性能有很大影响, 需要准确模拟计算原型的恒载和活载, 按照相似比得到模型的等效荷载为 1080kN, 实验过程中保持竖向力不变试验加载简图见图 7 所示试验加载设备是 10000kN 电液伺服大型多功能结构试验系统净试验空间 ( 长宽高 ):4 2 4.

5 第 6 期葛继平, 等 : 机械套筒连接的轨道交通预制拼装桥墩抗震性能试验研究加载方案墩柱的轴压比对桥墩的抗震性能有很大影响, 需要准确模拟计算原型的恒载和活载, 按照相似比得到模型的等效荷载为 1080kN, 实验过程中保持竖向力不变试验加载简图见图 7 所示试验加载设备是 10000kN 电液伺服大型多功能结构试验系统净试验空间 ( 长宽高 ): m 垂向加载能力: 10000kN 压力和 3000kN 拉力, 最大行程 300mm; 水平向加载能力 :1500kN 推拉力, 最大行程 400mm; 垂向作动器水平向主动跟随 : 最大行程 400mm; 水平向作动器垂向主动跟随 : 最大行程 900mm. 试验力测量范围与示值精度 :4% ~100% 示值 ; 位移分辨率 :0.01mm 试件沿弱轴加载, 加载方向为南北方向, 与之垂直的为东西方向图 7 拟静力加载设备照片 Fig.7 Photoofpseudostaticloadingdevice 水平加载分为力加载和位移加载 2 个阶段第 1 阶段 : 力控制加载, 见图 8 钢筋首次屈服之前, 初定按照最大制动力 (55kN) 的倍数循环加载至钢筋首次屈服, 即 (55kN,110kN,165kN,220kN,275kN, ) 同时确定开裂荷载和裂缝开展情况,( 重点确定开裂荷载 ) 第 2 阶段 : 位移控制, 试件在同时承受轴压和绕弱轴的弯曲循环加载方式下直至破坏, 见图 9 以 , 倍屈服位移加载, 每个等级循环 3 次 (2 次该等级循环和 1 次前一个荷载等级循环 ), 直到构件达到指定的位移或者荷载下降到最大荷载的 85% 通过试验以获得其逐步损伤过程以及力- 位移曲线, 该阶段重点研究地震破坏状态下的特征图 8 力加载历程 Fig.8 Theloadinghistoryofforce 图 9 位移加载历程 Fig.9 Theloadinghistoryofdisplacement 2 试验现象描述对不同构造的桥墩试验加载过程中的试验现象进行了详细描述, 包括裂缝的出现位置和宽度, 裂缝的发

148 地震工程与工程振动第 37 卷生和发展全过程, 钢筋的首次屈服, 试件在最终破坏形态等为了更好的描述试验试件的损伤状态, 首先定义基于构件层次的五水准损伤级别和性能水平 [17], 见表 2 表 2 基于构件层次的性能水平定义 Table2 Definitionofperformancelevelbasedoncomponentlevel 性能水平性能目标性能水平的定性描述

6 148 地震工程与工程振动第 37 卷生和发展全过程, 钢筋的首次屈服, 试件在最终破坏形态等为了更好的描述试验试件的损伤状态, 首先定义基于构件层次的五水准损伤级别和性能水平 [17], 见表 2 表 2 基于构件层次的性能水平定义 Table2 Definitionofperformancelevelbasedoncomponentlevel 性能水平性能目标性能水平的定性描述性能水平的定量描述 Ⅰ - 无损伤开裂出现发丝般裂缝裂缝几乎不可见 Ⅱ - 微小损伤屈服第一根纵筋理论屈服裂缝宽度 <1mm Ⅲ - 中等损伤 Ⅳ - 严重损伤塑性铰开始形成塑性铰完全形成出现非线性变形 ; 保护层混凝土开始剥落 ; 斜裂缝开展形成较大宽度的裂缝 ; 局部损伤区域混凝土全部剥落 Ⅴ - 局部失效 / 倒塌强度退化纵筋屈曲 ; 箍筋断裂 ; 核心混凝土压碎裂缝宽度 1~2mm; 混凝土剥落区高度大于 1/10 截面高度裂缝宽度 >2mm; 距离承台 2/3 截面高度范围内, 斜裂缝开展 ; 混凝土剥落区高度大于 1/2 截面高度核心混凝土裂缝宽度 >2mm; 核心混凝土膨胀 > 5% RC 试件的损伤状态和性能水平描述如下 : 损伤级别 Ⅰ( 位移偏移率 0.35%, 下同 ), 加载到 110kN 时, 试件沿柱身出现发丝般微小裂缝, 卸载后裂缝闭合, 第 1 条裂缝出现在墩柱与承台交界的施工缝位置该级别认为试件无损伤, 不需要修复损伤级别 Ⅱ( 偏移率 0.78%), 试件沿柱身出现多条弯曲裂缝, 并有部分贯穿裂缝, 裂缝间距约 10cm 纵筋在试件水平荷载达到 220kN 时开始进入屈服, 首次屈服位移为 28mm, 在该级别, 试件只需要小修损伤级别 Ⅲ( 偏移率 2.55%), 在 0.8H(H 为试件沿加载方向截面高度 ) 高度内, 多条水平裂缝在水平面内形成闭合圈, 裂缝宽度为 1~2mm, 部分裂缝宽度超过 2mm 立柱底和承台间的接缝张开, 张开高度约 8mm 在 1/6H 高度内, 保护层混凝土及柱脚混凝土开始剥落水平裂缝周边有微细斜向裂缝发展损伤级别 Ⅳ( 偏移率 4.16%), 试件保护层混凝土裂缝宽度超过 2mm, 接缝张开高度约 10mm 保护层混凝土剥落区高度为 1/3H, 且柱脚混凝土剥落在该损伤级别, 为了保证构件的使用功能, 需要必要的修复损伤级别 Ⅴ( 偏移率 5.94%), 核心混凝土没有完全压碎, 纵筋受压屈曲, 柱底与承台间的接缝完全脱开试验结束后, 清除塑性铰区保护层混凝土后试件破坏状态见图 10 所示从图中可以看出, 封闭箍筋一根断裂, 破坏区域主要集中在立柱底和承台的交界处, 破坏区域高度约 30cm, 即 0.53H SCMC 试件损伤状态和性能水平描述如下 : 损伤级别 Ⅰ( 偏移率 0.39%), 加载到 110kN 时, 试件后浇带与墩柱和承台之间的接缝处出现发丝般微小裂缝, 卸载后裂缝闭合该级别认为试件无损伤, 不需要修复损伤级别 Ⅱ( 偏移率 0.88%), 试件沿柱身出现多条弯曲裂缝, 并有部分贯穿裂缝, 裂缝间距约 10cm 纵筋在试件水平荷载达到 220kN 时开始达到屈服, 首次屈服位移为 28mm, 在该级别, 如果试件需要可能的修复, 则只需要小修损伤级别 Ⅲ( 偏图 10 RC 试件裂缝分布图移率 2.54%), 新裂缝不断出现, 旧裂缝 Fig.10 ThecrackdistributionandfailuremodeofRCspecimen 的长度和宽度也得到发展位移达到 84mm 时, 墩底和距墩底 20cm 处混凝土开始剥落, 接缝处最大裂缝宽度达到 8mm 损伤级别 Ⅳ( 偏移率 4.24%), 试件保护层混凝土裂缝宽度超过 2mm, 接缝张开高度约 10mm 保护层混凝土剥落区高度为 1/3H, 且柱脚混凝土剥落在该损伤级别, 为了保证构件的使用功能, 需要必要的修复损伤级别 Ⅴ( 偏移率 5.95%), 核心混凝土没有完全压碎, 纵筋受压屈曲, 柱底与承台间的接缝完全脱开试验结束后, 清除塑性铰区保护层混凝土后试件破坏状态见图 11, 从图中可以看出, 破坏区域主要集中在立柱底和承台的接缝处, 破坏区域高度约 30cm, 即 0.53H

7 第 6 期葛继平, 等 : 机械套筒连接的轨道交通预制拼装桥墩抗震性能试验研究 149 图 11 SCMC 试件裂缝分布图 Fig.11 ThecrackdistributionandfailuremodeofSCMCspecimen 2 个试件的开裂荷载都是 110kN, 两者的开裂荷载是一样的, 可以认为两种形式的桥墩的在运营阶段的使用性能是一致的正常使用阶段最不利设计力为 55kN, 而开裂荷载为 110kN 按正常使用阶段墩柱不开裂的要求, 安全系数为 2 机械套筒的首次裂缝出现在后浇带与预制桥墩接缝处, 机械套筒对塑性铰区域钢筋的压屈有增强作用 3 试验结果分析通过实验数据分析, 围绕表征钢筋混凝土结构抗震性能的几个指标, 包括荷载 - 位移滞回曲线荷载 - 位移骨架曲线耗能能力和残余位移等评价指标, 对两种构造桥墩的抗震性能进行了比较 3.1 荷载 - 位移滞回曲线 2 个试件的实测水平荷载 - 墩顶位移滞回曲线, 见图 12 该批试件中各个试件最大加载位移约为 200mm(6% 偏移率 ), 为便于比较同等偏移率下的结构响应, 加载的位移等级增量相同, 而且所有试件均加载到水平承载力下降到峰值的 85% 以下总体而言, 各个试件在较低荷载阶段, 基本处于弹性阶段, 表现为滞回环的集中和重叠 ; 随着混凝土的开裂普通钢筋的屈服接缝的张开等非现象现象的产生, 滞回环逐渐拉开, 耗能增强整体现浇试件和机械套筒试件的滞回环形状高度相似图 12 荷载 - 位移滞回曲线 Fig.12 Thehysteresiscurveofloadanddisplacement 桥墩的恢复力特性可通过它的恢复力曲线充分体现出来观察图 13 中的水平推力 - 墩顶位移骨架曲线, 可以发现, 各个试件的骨架曲线的形状大体类似, 大致呈三线性, 具有明显的非线性拐点和强度下降点但是这几个试件都没有明显的正的屈后刚度, 是个明显的缺陷骨架曲线中屈服点 Y, 极限荷载点 M 和极限位移点 U 反映了骨架曲线主要特征, 但各特征点的定义不尽相同因此, 对骨架曲线各特征点的确定方

8 150 地震工程与工程振动第 37 卷法作如下说明 : (1) 屈服荷载点 Y 确定屈服荷载点 Y 的常用方法有 3 种 : 定义法能量等值法和通用屈服弯矩法 1) 屈服位移定义为截面最外层受拉钢筋初始屈服时的位移或者定义为截面混凝土受压区最外层纤维初次达到峰值应变时的位移, 对应的荷载为屈服荷载 ;2) 能量等值法的具体做法是 : 从原点 O 作直线 OA 与过极限位移点 U 的水平线交于 A, 使面积 OAB= 面积 BDU, 再过 A 作垂线在 P Δ 曲线上交于点 Y, 点 Y 对应的荷载和位移即为屈服荷载和屈服位移, 如图 14(a) 所图 13 各个试件荷载位移骨架曲线示 ;3) 通用屈服弯矩法 : 从原点 O 做弹性理 Fig.13 Theskeletoncurveofloadanddisplacementofspecimens 论值 OA 线与过最大荷载点 D 的水平线相交于 A, 过 A 作垂直线在 P Δ 骨架曲线上交于点 B, 连接 OB 延长后与 AD 交于 C, 过 C 作垂线在 P Δ 曲线上交于点 Y, 点 Y 对应的荷载和位移即为屈服荷载和屈服位移, 见图 14(b) 采用通用屈服弯矩法确定试件屈服荷载点 Y (2) 极限荷载点 M, 骨架曲线荷载最大值点即为 M 点 (3) 极限位移点 U, 将荷载下降到最大荷载的 85% 定义为极限位移点当下降段未达到最高荷载的 85%, 采用试验得到的极限位移数据图 14 几何作图法确定屈服位移 Fig.14 Thedefinitionoftheyielddisplacementbygeometricmappingmethod 各个试件骨架曲线的强度和变形关键点的数值如表 3 所示 2 个试件的各个强度变形指标非常接近, 说明机械套筒的抗震性能与整体现浇试件等同表 3 强度和变形关键点 Table3 Summaryofstrengthanddeformation 试件编号 RC SCMC 屈服位移 (mm) 屈服荷载 (kn) 极限荷载 (kn) 修正极限位移 (mm) 极限荷载 / 屈服荷载延性系数极限偏移率 (%) 从荷载 - 位移曲线关系可以看到, 刚度与位移关系一直在变化中在位移不断增大的情况下, 旧裂缝不

9 第 6 期葛继平, 等 : 机械套筒连接的轨道交通预制拼装桥墩抗震性能试验研究 151 断发展, 新裂缝不断产生, 刚度一环比一环减少, 这就是刚度退化刚度退化的主要原因是由于混凝土的开裂和压碎使得混凝土退出工作, 从而导致截面有效高度减小在研究时, 采用初始刚度来分析荷载位移曲线在原点的切线的斜率称为初始刚度初始刚度主要针对构件处于弹性阶段的情况 2 个试件的初始刚度分别为 9.4kN/mm 和 9.6kN/mm 可见两者很接近, 由于机械套筒的存在, 局部增大了该截面的刚度, 但是机械套筒长度 ( 约 10cm) 很短, 增加程度仅 2% 每个峰值位移对应的耗能如图 15 2 个试件的耗能能力接近, 因为两者构造接近, 极限位移相同图 16 给出了各个试件拟静力残余位移与位移荷载等级之间的关系可以看出本文中的整体现浇试件的拟静力残余位移, 在位移等级达到 40mm( 偏移率 1.2%) 前, 拟静力残余位移很小, 可忽略不计 ; 但是位移等级超过 40mm( 偏移率 1.2%) 后, 拟静力残余位移增大趋势明显, 最后基本上没有自复位能力, 最大拟静力残余位移 -157mm( 偏移率 -4.8%) 约为最大水平位移 196mm( 偏移率 6%) 的 80% 机械套筒试件的拟静力残余位移是整体现浇试件的 98%, 表明该种构造的试件的自复位能力与整体现浇试件一致图 15 试件耗能能力曲线比较 Fig.15 Comparisonofenergydisipation capacitycurve 图 16 拼装试件与整体现浇试件残余位移的比较 Fig.16 Comparisonofresidualdisplacement ofrcandscmcspecimens 3.2 曲率试件的实测曲率分布曲线如图 17 所示可以看出各个试件同属于混凝土试件, 曲率分布和峰值比较接近在位移等级较低时, 曲率沿墩高呈相对较规则的线形分布当位移等级较高时, 曲率向墩底集中两种桥墩的峰值曲率接近, 约为 0.25(1/m), 机械套筒桥墩略小, 因为该试件存在 0.2m 高的后浇带, 变形没有集中在后浇带与承台交界面, 后浇带与墩柱交界面也存在一定的变形钢筋混凝土构件的塑性变形主要取决于塑性铰区域的截面转动变形和等效塑性铰长度试验结果表明桥墩墩顶的变形主要是塑性铰区域的转动引起的, 根据实测的曲率和变形计算得到的整体现浇桥墩和预制拼装桥墩的等效塑性铰长度分别为 0.50D 和 0.53D, 考虑到测试误差, 可以认为两者在计算墩顶位移时采用的等效塑性铰长度可以认为是相同的图 17 试件曲率分布曲线比较 Fig.17 Comparisonofcurvaturedistributioncurveofspecimens

10 152 地震工程与工程振动第 37 卷 4 结论本研究对整体现浇和采用机械套筒连接的预制桥墩在试验加载过程中的试验现象和试验结果进行了详细描述分析, 包括裂缝的出现位置和宽度, 裂缝的发生和发展全过程, 钢筋的首次屈服, 试件在最终破坏形态, 滞回曲线关系等得到的主要结论如下 : (1) 本试验中, 试件的破坏都发生在墩柱底部, 表现为大偏心受压破坏整体现浇桥墩的破坏形式是纵筋压屈导致箍筋弯钩拉直和核心区混凝土的压碎, 预制拼装桥墩只有混凝土的压碎, 说明机械套筒对塑性铰区域钢筋的压屈有增强作用 (2) 预制墩柱和整体现浇墩柱的保护层混凝土剥落破坏范围都是 0.53 倍的柱宽, 两者破坏范围一样墩顶的变形主要是由约为柱宽的 0.5 倍的等效塑性铰长度处的转动所引起的, 建议两者的等效塑性铰长度取值一致 (3) 整体现浇桥墩的首次裂缝位置出现在墩底, 预制拼装桥墩首次裂缝出现的后浇带与预制墩交界处, 但是两者的开裂荷载是一样的, 可以认为两种形式的桥墩的在运营阶段的使用性能是一致的正常使用阶段, 抗裂安全系数为 2 (4) 机械套筒构造的桥墩的滞回曲线与整体现浇基本相同, 说明机械套筒的抗震性能与整体现浇桥墩等同参考文献 : [1] 王志强, 葛继平, 魏红一, 等. 节段拼装桥墩抗震性能研究进展 [J]. 地震工程与工程振动,2009,29(4): WANGZhiqiang,GEJiping,WEIHongyi,etal.Recentdevelopmentinseismicresearchofsegmentalbridgecolumns[J].EarthquakeEngineer ingandengineeringdynamics,2009,29(4): (inchinese) [2] 王元清, 赵欣月, 周晖, 等. 钢筋机械连接接头的应用与研究进展 [C]// 天津 : 第十一届全国现代结构工程学术研讨会,2011, WANGYuanqing,ZHAOXinyue,ZHOUHui,etal.Theapplicationandresearchprocesinthemechanicalrebarcouplers[C]//Tianjin:TheE leventhnationalsymposiumonmodernstructuralengineering,2011, (inchinese) [3] McDermotJF,MezaP.Mechanicalconnectionsofreinforcingbars[R].ACICommitee439,1999. [4] 陈建伟, 苏幼坡. 预制装配式剪力墙结构及其连接技术 [J]. 世界地震工程,2013,29(1): CHENJianwei,SUYoupo.Prefabricatedconcreteshearwalstructureanditsconnectingtechnology[J].WorldEarthquakeEngineering,2013, 29(1):38-48.(inChinese) [5] JGJ 钢筋机械连接技术规程 [S]. JGJ TechnicalSpecificationforMechanicalSplicingofSteelReinforcingBars[S].(inChinese) [6] 陈善棠, 苏兴矩. 镦粗直螺纹钢筋接头在桥梁工程中的应用 [J]. 华东公路,2001,(2): CHENShantang,SUXingju.Theapplicationoftheupsetingstraightthreadsteeljointinbridgeengineering[J].EastChinaHighway,2001, (2):16-17.(inChinese) [7] 邢怀念. 钢筋直螺纹套筒连接力学行为研究及其应用 [D]. 大连 : 大连理工大学,2004. XINGHuainian.Researchandapplicationofmechanicalbehaviorofrebarstraightthreadedsleeve[D].Dalian:DalianUniversityofTechnology, 2004.(inChinese) [8] 赵宏学, 刘子金. 钢筋机械连接技术现状及发展趋势 [J]. 施工技术,2000,(12): ZHAOHongxue,LIUZijin.Presentstateanddevelopmenttrendofreinforcementconnectiontechnology[J].ConstructionTechnology,2000(12): (inChinese) [9] 张伟. 装配整体式混凝土结构钢筋连接技术研究 [D]. 长安 : 长安大学,2015. ZHANGWei.Thetechnologystudyofreinforcementspliceinasemblemonolithicconcretestructure[D].Chang an:chang anuniversity,2015. (inchinese) [10] 张吉华, 邵劲松, 张晨, 等. 钢筋砼构件装配式建筑构件钢筋连接套筒 :CN U[P],2012. ZHANGJihua,SHAOJingsong,ZHANGChen,etal.Thesteelbarconnectingsleeveusedinthereinforcedconcretecomponent:CN U [P],2012.(inChinese) [11] RICHARDT. 预制框架结构纵筋机械连接接头单调和循环性能试验研究 [D]. 哈尔滨 : 哈尔滨工业大学,2014. RICHARDT.Theexperimentalresearchofthemechanicalrebarjointwithmonotonicandcyclictestinprecastframestructure[D].Harbin:Har bininstituteoftechnology,2014.(inchinese) [12] 李宁波, 钱稼茹, 叶列平, 等. 竖向钢筋套筒挤压连接的预制钢筋混凝土剪力墙抗震性能试验研究 [J]. 建筑结构学报,2016,37(1):31-40.

11 第 6 期葛继平, 等 : 机械套筒连接的轨道交通预制拼装桥墩抗震性能试验研究 153 LINingbo,QIANJiaru,YELieping,etal.TestsonseismicbehaviorofprecastRCshearwalswithverticalrebarsplicingbypresedsleeve.Jour nalofbuildingstructures,2016,37(1):31-40.(inchinese) [13] 张微敬, 郭媛媛, 刘时伟. 钢筋套筒挤压连接的预制 RC 柱抗震性能试验研究 [J]. 工程力学,2016,33(12): ZHANGWeijing,GUOYuanyuan,LIUShiwei.ExperimentalresearchonseismicbehaviorofprecastRCcolumnswithsteelbarssplicedbycom presivesleeves[j].engineeringmechanics,2016,33(12): (inchinese) [14] 赵作周, 韩文龙, 钱稼茹, 等. 钢筋套筒挤压连接装配整体式梁柱中节点抗震性能试验研究 [J]. 建筑结构学报,2017,38(4): ZHAOZuozhou,HANWenlong,QIANJiaru,etal.Experimentalstudyonseismicbehaviorofasembledmonolithicbeam columninteriorjoints withrebarsplicedbypresedsleeve[j].journalofbuildingstructures,2017,38(4):45-53.(inchinese) [15] TazarvM,SaidiMS.Seismicdesignofbridgecolumnsincorporatingmechanicalbarsplicesinplastichingeregions[J].EngineeringStructures, 2016,124: [16] NakashojiB,SaidiM.SeismicperformanceofsquareNickel TitaniumreinforcedECCcolumnswithheadedcouplers[R].ReportNo.CCEER 14-05,CenterforCivilEngineeringEarthquakeResearch,UniversityofNevada,Reno,NV,2014. [17] HoseY,SilvaP,SeibleF.Developmentofaperformanceevaluationdatabaseforconcretebridgecomponentsandsystemsundersimulatedseis micloads[j].earthquakespectra,2000,16(2):

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第 1 期邱发强, 等 : 预应力灌浆波纹管预制拼装桥墩抗震性能分析 145 ingprefabricateasemblypiersconnectedwithgroutingmetalcorugatedpipe.accordingtothejapanesestandard, theformulao 第 38 卷第 1 期 2018 年 2 月地震工程与工程振动 EARTHQUAKEENGINEERINGANDENGINEERINGDYNAMICS Vol.38No.1 Feb.2018 文章编号 :1000-1301(2018)01-0144-10 DOI:10.13197/j.eeev.2018.01.144.qiufq.016 预应力灌浆波纹管预制拼装桥墩抗震性能分析邱发强 1, 夏樟华

144 地震工程与工程振动第 37 卷 Keywords:precastconcrete;bridgecolumns;mechanicalsplices;connections;seismicperformance 引言 与传统现浇式施工相比较, 采用 工业化生产, 装配式施工 的预制拼装技术具有许

144 地震工程与工程振动第 37 卷 Keywords:precastconcrete;bridgecolumns;mechanicalsplices;connections;seismicperformance 引言与传统现浇式施工相比较, 采用工业化生产, 装配式施工的预制拼装技术具有许