李宁，王苏安，范佩东，张孝航
（1.天津大学 建筑工程学院，天津 300350；
2.滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室，天津 300350；
3.中国地震局地震工程综合模拟与城乡抗震韧性重点实验室（天津大学），天津 300350）
我国“十四五”规划纲要中提出了“加快发展现代化产业体系，巩固壮大实体经济根基”，“完善新型城镇化战略，提升城镇化发展质量”以及“推动绿色发展，促进人与自然和谐共生”等要求。随着经济的快速发展，要求作为交通枢纽关键环节的桥梁结构建设日趋高效、绿色、节能。装配式结构可以部分解决上述问题，预制拼装技术在我国已有较成熟和完善的应用，但桥梁下部结构的抗震性能仍有许多问题需要解决［1］。
预制节段拼装桥墩（precast segmental bridge column，PSBC）成为实现桥梁下部结构装配式建造的有效方法。PSBC是将桥墩墩身部分沿纵向划分为若干节段进行分段预制，在工厂进行墩身以及基础的建造施工，再将其运输至施工现场通过机械将基础以及各节段拼装，通过后张拉预应力钢绞线、混凝土后浇带及孔道灌浆等连接方式将其拼装成一个整体。
PSBC只需要进行现场拼装连接，建造效率高，交通干扰和环境污染少［2］。而且PSBC是自复位体系［3－6］，能够降低结构震害损伤、减小残余位移、实现震时功能可持续、震后功能可恢复等。目前，我国各类型结构普遍采用“三水准，两阶段”设计方法，但是以此为目标的抗震设计并不能完全满足抗震需求。基于延性和考虑能力保护构件的抗震设计方法，虽然可以有效的防止倒塌，但是强震过后，塑性铰区损伤严重，残余位移过大。
诸多学者开展了提高节段拼装桥墩耗能能力的研究。Billington等［6］将节段拼装桥墩的塑性铰区的普通混凝土替换成纤维韧性混凝土以期提高节段拼装桥墩的耗能能力。Ou等［7］在Hewes桥墩的节段内增设贯通节段接缝的普通钢筋以提高耗能能力，节段间接缝张开使得钢筋被拉进入塑性阶段耗散能量，但增加桥墩的耗能能力也相应的增加了桥墩的残余位移。Marriott等［8］提出了一种新型可更换防屈曲保险丝软钢阻尼器，试验结果表明其可显著提高桥墩的耗能能力。Sideris等［9－10］利用相邻节段之前发生错动的摩擦来消耗地震能量。试验表明：随着位移角的增加，摩擦耗能所能提供的耗能占比逐渐减小。Guo等［11］、Zhang等［12］均在桥墩外部使用耗能装置来提高桥墩的耗能能力，此种做法受到桥墩研究者们的青睐，因为外置耗能装置具有可更换的优势。
节段接缝处混凝土破坏严重这一问题也不容忽视［13］，特别是底部节段的脚趾处，Hewes等［14］和张丹等［15］底部节段采用了钢管混凝土节段。Chou等［16］为避免塑性铰上移的情况发生，将钢管发展至桥墩全身，且增加底部节段外部钢管的厚度。Guo等［11］采用FRP包裹来提高混凝土的容许损伤能力。Billington等［6］将节段拼装桥墩的塑性铰区的普通混凝土替换成纤维韧性混凝土，提高了桥墩的容许损伤能力。Ou等［7］将底部节段的普通混凝土替换为超高性能纤维混凝土（UHPFRC）。
目前对节段拼装墩柱的水平双轴加载研究较少，Goto等［17］对四根薄壁钢柱开展了试验研究，其中3根柱采用环形加载路径进行水平加载试验，Rodrigues等［18－20］对RC柱进行水平双轴加载试验，分析RC柱在水平加载下柱的抗震性能；
Li等［21］采用数值方式对节段拼装柱在水平双轴加载条件下的抗震性能进行了分析。
文中对设计和加工的6个矩形空心截面预制拼装桥墩，进行水平双轴加载的拟静力试验研究，详细阐述节段拼装桥墩在试验过程中的损伤演化、节段间开合以及水平力－位移关系变化等，阐明水平双向加载下各参数对墩柱抗震性能的影响规律，分析其承载能力和抗震性能。
PSBC由混凝土节段、刚性基础、加载端、预应力钢绞线和耗能钢筋组成。本试验设计共计6个试件。部件几何尺寸为：刚性基础（长×宽×高=1 500×1 000×500 mm），通过4个高强螺栓固定于地面，在基础中依据图纸中的位置预先布置耗能钢筋；
节段截面尺寸b×h=400 mm×600 mm、壁厚t=130 mm，节段高度600 mm；
加载端（长×宽×高=800×800×400 mm），试件拼装后总高度为2 900 mm。水平加载位置位于加载端中心，有效加载高度为2 000 mm。水平双向加载构成的荷载在强轴和弱轴方向上的剪跨比分别为3.33和5。详细信息可参见图1。
图1 空心截面节段预制拼装桥墩设计尺寸图（单位：mm）Fig.1 Design diagram and size of PSBC with hollow section（Unit：mm）
根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》［22］规定，预应力混凝土构件所使用的混凝土强度等级不低于C40，本试验设计用混凝土等级为C40。节段内箍筋和纵筋均选用HRB400E抗震钢筋，纵筋配置为328，总面积As为1 608 mm2，纵筋配筋率ρl为0.84%，符合《公路桥梁抗震设计细则》［23］建议取值范围（0.6%～4%）；
箍筋配置为6@70 mm，体积配箍率ρv为1.27%。考虑到水平双轴加载，受限于试验场地条件，试验中桥墩上部的重力荷载由预应力筋施加。
为了最大化预应力筋提供的自复位能力，备选多种预应力配置模式，如图2所示，最终选取最后一种预应力筋对称布置，4股每股2束的最大化提供自复位能力。
图2 空心截面节段预制拼装桥墩截面预应力筋布置（单位：mm）Fig.2 Hollow sections with different prestress tendon configurations（Unit：mm）
预应力筋直径15.2 mm，节段拼装桥墩后张预应力施加3等级（400、600、800 kN），Ou等［5］建议节段拼装桥墩初始预应力设置为50%以下，保证预应力筋处于弹性节段避免进入塑性阶段。桥墩在底部节段设置150 mm脱粘段。对节段拼装桥墩各试件的信息如表1所示。加载路径采用回字形加载。试件编号中N后数字表示不同的轴压比；
E后数字表示不同耗能钢筋配置。混凝土、灌浆料和钢材试验材料特性如表2与表3，构件制作过程如图3所示，加载装置和加载制度如图4所示，应变片及位移计布置如图5所示。
图3 PSBC制作过程Fig.3 Fabrication process of PSBC
图4 加载装置和加载制度示意图Fig.4 Loading facilities and loading pattern
图5 应变片及位移计布置示意图Fig.5 Strain gauges and displacement sensor setup plot
表1 试验设计工况Table 1 Experimental design and conditions
表2 混凝土和灌浆料材料特性Table 2 Concrete and grouting material property
表3 钢材材料特性Table 3 Steel material property
本试验中节段拼装桥墩预应力钢绞线为弹性部件，其余部件如耗能钢筋和混凝土为塑性部件。在拟静力试验过程中应保证钢绞线处于弹性范围，而混凝土及耗能钢筋会进入塑性阶段用于耗散地震能量。为区别各接缝与节段底接缝以上按从下往上顺序定义为接缝2、接缝3，底节以上按从下往上顺序定义为节段2、节段3。墩柱出现以下状态停止加载：（1）桥墩某一侧向承载力下降至峰值承载力的80%；
（2）节段间内部耗能钢筋断裂。
以PN3E1试件试验过程为例，双轴加载路径下节段拼装桥墩加载至20 mm（1%位移角）的位移时底接缝打开，同级加载位移下出现第一条裂纹，如图6（a）、（b）所示，随着加载位移的增加接缝开合逐渐增大且裂纹逐渐增多，同一级加载位移过程中，边角处接缝开合最大，且混凝土裂纹多出现于边角处；
当加载位移为30 mm（1.5%位移角）时，底部节段边角处混凝土开始出现剥落，如图7（c）所示，随着加载位移的增加，混凝土裂缝和剥落继续发展；
当加载位移为70 mm（3.5%位移角）时，钢筋断裂，如图7（d）所示，且承载力出现骤降，停止加载。
图6 PN3E1试验现象Fig.6 Experimental phenomenon of PN3E1 specimen during the test
试验结束时，节段拼装桥墩的最终破坏形式如图7所示。边角处混凝土损伤严重，PN3E1混凝土剥落最高为44.9 cm。主要由于边角处在双轴加载下混凝土受力最大，导致较早的损伤以及最严重损伤出现于该处。试验中耗能钢筋初次屈服以及断裂出现于边角处。由上可知，在进行矩形截面桥墩设计时应考虑在边角处进行加强。
图7 PN3E1节段拼装桥墩最终破坏形态Fig.7 Final damage of PSBC column PN3E1
3.1 滞回性能分析
在拟静力水平双轴加载作用下，可得到墩顶水平力－位移曲线即滞回曲线。通过分析滞回曲线可得到骨架曲线、初始刚度、屈服后刚度、耗能能力、残余位移及承载力水平等抗震性能。
图8为PN3E1试件在水平双轴加载试验下强弱轴方向的滞回曲线。节段拼装桥墩屈服点位置为耗能钢筋初次出现屈服时滞回曲线对应的水平力－位移点。图8中显示了桥墩在各破坏特征下对应其滞回曲线中的位置，PN3E1试件中耗能钢筋屈服时对应强轴及弱轴的加载位移分别为10 mm和8.9 mm；
本试验中节段拼装桥墩加载至3.5%位移比时出现耗能钢筋断裂，且强弱轴方向承载力均已下降至峰值承载力的80%以下。
图8 PN3E1节段拼装桥墩滞回曲线Fig.8 Hysteretic curve of PSBC PN3E1
通过分析PN3E1滞回曲线可得到其屈服位移、屈服强度、极限强度、屈服位移和最大残余位移，并记录于表4中，用于后续分析。
表4 PN3E1试验结果Table 4 Test results of PN3E1
3.2 残余位移分析
残余位移指的是在地震作用结束后墩顶的水平位移，本试验取水平力卸载为零时对应的墩顶位移。过大的残余位移会导致结构无法使用，严重时导致结构倒塌等危险，必须拆除。为评价构件自复位能力，反应构件塑性耗能，文中采用最大残余位移角予以讨论，其计算式由式（1）可得，
式中：D为每级加载对应滞回曲线中最大残余位移值；
L为试件的剪跨高度。
PN3E1强轴与弱轴方向各级加载位移下节段拼装桥墩的最大残余位移比如图9所示。X方向基本高于Y方向下的各级残余位移角，加载至3.5%的位移比下，桥墩残余位移角可达到1.98%和1.42%。
图9 残余位移角Fig.9 Residual drift ratio of test specimen
3.3 耗能能力分析
结构的耗能能力作为结构抗震性能的一项重要指标可通过累积耗能和等效黏滞阻尼比来进行评判。其中累积耗能值可由水平力－位移滞回曲线所包围的面积计算得出。根据式（2）～式（4）计算可得出给定位移下等效黏滞阻尼比，PN3E1强弱轴方向累积能量耗散值及等效黏滞阻尼比如图10、图11所示。
式中：ED为滞回曲线所包围的面积；
Keff为有效刚度；
D0为每级加载位移下平均位移幅值；
Dp、Dn为每级加载位移下最大正负位移值；
Fp、Fn为Dp和Dn对应的侧向力。
由图10可知，X轴与Y轴方向上的累计滞回耗能在10 mm前无较大差别，随着加载位移的增加，X轴方向上滞回耗能要明显高于Y轴方向上的滞回耗能。加载位移为3.5%时，X轴方向上的滞回耗能值为22.56 kN·m，Y轴方向上的滞回耗能值为8.54 kN·m。由图11可知，X轴与Y轴方向上耗能黏滞阻尼比增加趋势基本一致，X方向的耗能黏滞阻尼比要显然高于Y方向上的耗能黏滞阻尼比。X轴与Y轴方向上最大耗能黏滞阻尼比最大为0.35和0.29。
图10 累积滞回耗能Fig.10 Cumulative hysteretic energy plot
图11 等效黏滞阻尼比Fig.11 Equavlent damping ratio
3.4 刚度特性分析
由滞回曲线可得到试件骨架曲线，图12为PN3E1试件的骨架曲线。由骨架曲线与滞回曲线可知，在水平双轴加载下随着加载位移的增加刚度出现明显的降低，可见水平双轴加载下刚度退化较为严重。刚度退化主要由于混凝土、钢筋的损伤，以及混凝土的损伤带来的预应损失等。文中使用初始刚度及等效刚度来对节段拼装桥墩的刚度进行分析。
图12 PN3E1骨架曲线Fig.12 Skeleton curve of PN3E1
由滞回曲线可得桥墩的初始刚度K0和等效刚度Ks，其中初始刚度为骨架曲线中原点的切线，等效刚度为骨架曲线上点与原点连线的斜率。图13为PN3E1试件X方向和Y方向的等效刚度变化情况。文中PN3E1试件X方向与Y方向初始刚度分别为17.59、6.09 kN/mm。
图13 Ks/K0－水平位移曲线Fig.13 Ks/K0－lateral displacement curve
3.5 节段接缝开合分析
本试验中通过布置位移计来测量节段拼装桥墩节段间接缝的开合状态，位移计布置如图14所示。由于文中试验为水平双轴加载，所以桥墩的4个方向均有布置竖向位移计，底接缝每个边角处布置2个位移计，其余接缝处边角处仅布置1个位移计。为测量节段间滑移在桥墩的西方向和南方向上于接缝上下布置水平拉线位移计，基础相邻也布置位移计，用于测量基础的位移量。
图14 位移计布置图Fig.14 Displacement sensors location
图15为各位移计的测量值。由图15（a）可知在2%的位移角前各位移计测量值变化趋势基本一致，当加载位移达40 mm时，底接缝张角打开最大值为11.57 mm。由图15（b）、（c）可知，接缝2位移值明显高于接缝3的位移，可知接缝2在桥墩加载过程中张角打开，但随着加载位移增加，混凝土剥落，接缝2的张角打开逐渐降低，接缝基本可视为未打开的状态。由图15（e）可知，在桥墩的运动过程中2 l－S与1 l－S位移计示值差别很小，可判断节段间无滑移发生，图15（d）中差值较大主要由于位移计布置位置较远。
图15 位移计记录到的变形量Fig.15 Recorded deformation with displacemernt sensors
图15 （续）Fig.15（Continued）
3.6 预应力合力变化分析
使用压力传感器测量钢绞线的合力变化，由于接缝张开造成钢绞线被拉长，钢绞线合力逐步增加，在双向加载中合力变化情况如图16所示。图16（b）基本对称而图16（a）基本不对称，这主要是由于双向加载每级荷载总是在强轴方向先达到最大、混凝土剥落导致预应力损失，强轴方向的预应力值及损失将会更低。PN3E1初始预应力合力为778.51 kN，加载结束时钢绞线的合力为642.97 kN，由混凝土损伤导致的预应力损失为17.41%。
图16 墩柱顶部处预应力合力Fig.16 Total prestress forces on top of the column
文中对空心预制节段拼装RC桥墩进行了水平双向加载下的拟静力试验，记录并分析了节段拼装桥墩在试验过程中的损伤演化过程、通过试验的滞回曲线可分析其滞回特性、耗能能力、自复位能力等，可得到以下结论：
（1）试验过程中节段拼装桥墩的各损伤特征出现在较小的位移角下，混凝土在加载位移角仅为1.5%下开始剥落，且在3.5%的位移角下耗能钢筋出现被拉断现象。试验停止加载后，节段拼装桥墩损伤严重，且多集中于边角处，边角处混凝土剥落高度最高为449 mm，边角处耗能钢筋最先出现屈服和被拉断破坏；
（2）试验滞回曲线并未呈对称分布，较为饱满，桥墩X轴与Y轴累计耗散最大值分别为22.56 kN·m和8.54 kN·m，耗能黏滞阻尼比最大值分别为0.35和0.29。桥墩X轴与Y轴方向最大残余位移角分别为1.98%和1.42%；
（3）运动过程中桥墩刚度退化较大，3.5%的位移角下，桥墩刚度退化约90%。由于混凝土损伤导致的预应力损失可达17.41%。
综上，RC预制构件建议对易损伤节段使用更高标号的混凝土、钢管混凝土或UHPC，以此减低混凝土材料塑性损伤影响构件的韧性。
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