预制分段混凝土管桩（CFST）骨架桥墩的抗震性能：一种用于预测骨架特性的模型

《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》：Seismic performance of prefabricated segmental CFST stiff skeleton bridge pier: A prediction model for skeleton characteristic

　　

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  对预制分段钢筋混凝土（CFST）刚架桥墩进行了力学分析。
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  考虑了桥墩的结构特性，对其变形行为进行了分析。
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  开发了结合桥墩受力和变形特性的刚架模型。

引言

预制桥墩能够加快施工进度并减少对环境的影响，因此在城市、沿海和山区等地区建设桥梁时是最佳选择。[1],[2],[3]。在山区，地理环境复杂，桥墩多为高墩。预制桥墩被设计为分段结构以提高施工效率[4],[5]。由于各桥墩段之间存在连接接头，其工作机理和抗震性能与整体桥墩有所不同[6],[7]。

已有多项研究对分段桥墩的抗震性能进行了探讨。Xiong等人[8]使用机械连接器连接桥墩段内的纵筋，确保了力的连续传递，并在桥墩底部形成了塑性铰链。其滞后行为与现场浇筑的桥墩相似；然而，由于连接器数量众多，因此需要更高的组装精度。Hung等人[9]开发了通过灌浆波纹管连接的分段桥墩，并在段接头处加入了销钉。这种配置不仅抗剪力，还便于组装过程中的段定位。Wang等人[10]和Zhu等人[11]将相邻桥墩段的纵筋搭接起来，然后在搭接接头处放置后浇筑部分。这种连接方式降低了桥墩段的组装精度，但桥墩表现出显著的残余变形和塑性能量耗散。为了进一步减少残余变形和地震后的损伤，Du等人[12]在分段桥墩中引入了钢管填充混凝土（CFST）结构，并在相邻段之间采用了预应力连接。这种桥墩具有较强的自复位能力，显著减少了残余变形。然而，各段之间的协同性能较差，限制了其在高地震风险地区的应用。

在地理环境复杂的山区高墩系统中，也采用了CFST刚架桥墩，这种桥墩由多根CFST立柱通过钢管或垫板连接而成[13],[14],[15]。对于刚架桥墩，Yuan等人[16]在桥墩底部加入了钢筋混凝土（RC）腹板来连接各CFST立柱。每个立柱都表现出良好的协同性能，使桥墩具有更高的抗弯能力、能量耗散能力和刚度。Wei等人[17]在CFST立柱的全高度上设置了RC腹板，以减少刚度变化，并研究了立柱间距对桥墩滞后行为的影响。随着立柱间距的增加，桥墩的抗弯能力和刚度也显著提高。此外，还开发了桥墩的力学分析模型。在确保每个CFST立柱协同作用的前提下，Wu等人[18]在刚架内浇筑了混凝土，以提高其耐久性，使刚架和混凝土共同承受荷载，从而使桥墩具有优良的强度、刚度和能量耗散特性。为了进一步方便CFST刚架桥墩的施工，Zhu等人[19]开发了如图1[19]所示的预制分段CFST刚架桥墩。刚架嵌入桥墩段中，各段之间形成了可靠的连接，利用了刚架的优异力学性能，确保了桥墩的抗震安全性。桥墩段的混凝土起到了保护刚架免受环境侵蚀的作用。

总结来说，通过连接单个桥墩段形成的分段桥墩可以显著提高桥墩的施工便捷性。将CFST刚架整合到桥墩设计中，充分利用了其优异的力学性能，从而确保了桥墩的抗震安全性。以往的研究通过设计分段CFST刚架桥墩并对其进行一系列抗震性能实验评估，已经将这两种组件结合在一起。然而，分段刚架桥墩在循环荷载下的力学性能和变形行为尚未得到充分研究，缺乏进行桥墩抗震设计所需的理论支持。因此，有必要开发桥墩的力学和变形分析模型，并在此基础上建立循环荷载下的刚架特性模型，以预测桥墩的力和变形，从而为其抗震设计提供理论分析方法。

因此，基于分段CFST刚架桥墩在循环荷载下的损伤进展和失效模式，分析了桥墩及其区域的力学和变形特性，从而开发出了桥墩刚架特性的预测模型。主要创新包括：(1) 根据这些组件的应力-应变分布，开发了桥墩段和接头段的力学分析模型；(2) 通过多段曲率积分和Timoshenko梁法，对桥墩和区域进行了变形分析；(3) 将刚架特性模型与桥墩的力学和变形分析相结合。

章节摘录

抗震性能的实验评估

在之前的研究中，开发了一种适用于高地震风险山区的预制分段CFST刚架桥墩试件（S1），如图2[19]所示。该试件的材料属性指标见表1[19]。

桥墩被分为上、中、下三个部分。每个部分都嵌入了CFST刚架。参考现有的刚架桥墩截面设计[18]并满足混凝土覆盖要求...

力学分析

基于桥墩底部段和接头段内的力分布特点，结合材料特定的应力-应变关系，利用应力平衡原理对截面和区域进行了力学分析。

变形分析

分段桥墩在循环荷载下的变形可分解为两部分：桥墩本身的变形和接头段的变形。分别进行了两次变形分析，并根据桥墩变形的协调条件，利用叠加原理得到了分段桥墩的总变形。

刚架特性预测模型

选择了三线性模型来描述CFST刚架分段桥墩在循环荷载下的刚架特性[36],[37],[38]。该模型的控制点对应于屈服、峰值和极限阶段的临界点。通过桥墩段和接头段的力学分析，确定了桥墩在屈服、峰值和极限阶段的整体抗侧向强度为桥墩段抗弯能力中的较小值...

结论

基于预制分段刚架桥墩和接头区域的力学及变形分析，开发了一个理论模型来预测桥墩的非线性刚架特性。主要结论如下：

• 通过结合结构特性、损伤演变、失效机制和应力-应变分布，开发了桥墩段和接头区域的力学分析模型...

作者贡献声明

Zhixin Zhu：写作 – 审稿与编辑，撰写初稿，软件使用，方法论研究，形式化分析。Qiang Han：资源获取，项目管理，方法论研究，概念构思。Guangda Zhang：写作 – 审稿与编辑，监督工作，软件使用，方法论研究。Xianzhuo Jia：可视化处理，概念构思。Li Xu：可视化处理，方法论研究。Xiuli Du：方法论研究，概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本文的研究得到了河北省交通运输投资集团有限责任公司（项目编号：QT2023D1-01）、福建省住房和城乡建设厅的科技计划项目（项目编号：2025-K-151）以及福州大学科研启动基金（项目编号：XRC-24091）的支持。

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