相较于现浇桥梁，装配式桥梁具有施工快、工期短、质量高和绿色环保等优点，对于城市桥梁，装配式结构又可降低对现有交通的干扰，并减轻施工噪声对居民生活的影响．目前，装配式桥梁下部结构的预制拼装技术已在国内外城市桥梁中得到初步应用，如美国休斯顿249号高速公路桥、纽约州I-287高架桥和我国上海嘉闵高架桥、长沙湘府路改造工程等．干接缝连接是装配式桥墩常用连接方式之一，桥墩的纵筋在接缝处不连续，混凝土节段通过后张预应力筋连接，具有施工方便且震后易于快速修复的优势．由于接缝处整体性较差，其抗震性能相比于现浇桥墩较弱，为此，各国学者开展了一系列试验和理论研究．试验结果表明[1-2]：基于无粘结预应力筋连接的干接缝预制拼装桥墩具有良好的自复位能力，但耗能能力较小，震后损伤主要为墩底接缝处混凝土局部破坏．而钢管混凝土(concrete filled steel tube，CFST)结构可延缓核心混凝土微裂缝的发展，从而避免接缝开合过程中因应力集中引起的混凝土局部损伤．因此，HEWES等[3]首次将CFST结构应用于干接缝拼装桥墩的底节段，通过拟静力试验研究发现，底节段核心混凝土损伤较小且易于修复，但引起塑性铰区域上移，导致倒数第二节段的混凝土保护层剥落严重．CHOU等[4]在此基础上发展了全节段拼装CFST桥墩，以减轻底节段上方混凝土的剥落和压溃，但桥墩在循环荷载作用下出现绕底节段上下两个接缝转动的现象．GUERRINI等[5]发展了后张自复位节段拼装双层CFST桥墩，以降低夹层混凝土损伤并减轻结构自重．贾俊峰等[6-7]设计了基于后张预应力筋连接和螺栓连接的节段拼装CFST桥墩的试验模型，前者具有良好的水平承载能力和自复位能力，但桥墩会出现双塑性铰效应，耗能能力较小；后者连接钢管可提高桥墩的耗能能力和抗剪能力，当水平加载位移较大时，螺栓与连接钢管挤压会导致螺栓孔局部屈服，墩顶残余位移较大．在试验研究的基础上，文献[4]和[8]分别研究了节段拼装CFST桥墩墩顶荷载-墩底位移分布的理论模型．梳理既有研究可发现：普通干接缝预制拼装桥墩在震后易出现墩底接缝处混凝土局部破坏的问题，文献[3]和[4]针对底节段和全节段拼装CFST桥墩的试验结果表明，CFST结构的应用可有效降低应力集中引起的混凝土局部损伤，但同时会导致塑性铰上移或者双塑性铰出现，贾俊峰等[7]提出的节段间螺栓连接方式具有启发意义，后续仍须进一步优化．现有针对节段拼装CFST桥墩的抗震研究基本为单柱墩，适用于双柱式桥墩科学可靠、施工方便的连接方案还有待深入研究．这里设计了一种仅受拉耗能的滑动螺栓连接装置，并提出对应的新型双柱式节段拼装CFST桥墩的结构方案，基于ABAQUS平台建立考虑复杂接触行为的精细化数值分析模型，系统探讨是否设置连接装置、连接钢管厚度、连接钢管长度、滑动螺栓槽长度和预应力筋配筋率对桥墩抗震性能的影响规律，检验所提方案的可行性，并为此类桥墩的推广应用提供参考．1 新型双柱式节段拼装CFST桥墩1.1　既有干接缝拼装桥墩连接方案表1对比总结了不同连接方式的优缺点．对于干接缝拼装桥墩，由于其接缝处整体性较差，导致桥墩的抗剪能力和耗能能力明显不足．国内外学者通常将抗剪和耗能措施单独考虑，抗剪连接方案主要采用混凝土剪力键和钢剪力键两类；耗能连接方案主要采用内置式和外置式两类．可以发现：剪力键可有效增强预制拼装桥墩的抗剪能力，但无法限制接缝开合变形，对桥墩耗能能力提升作用有限．对于混凝土剪力键而言，局部应力集中可能导致其严重破坏，震后难以修复．部分钢销棒、钢管剪力键对施工精度要求较高，螺栓连接在加载过程中螺栓孔周围可能产生较大塑性变形．耗能装置能够保证桥墩具有良好的耗能能力，但内置式耗能钢筋须二次填筑灌浆料，破坏后无法更换；部分仅在墩底设置的外置式耗能装置会引起桥墩塑性铰上移，其耐久性也须进一步考察．10.13245/j.hust.220322.T001表1干接缝预制拼装桥墩不同连接方式的优缺点对比连接方式优点缺点抗剪措施混凝土剪力键[9]施工方便，可有效防止节段间出现滑移由于应力集中导致凸键剪断，凹键产生严重裂缝，难以修复钢剪力键钢管[10-11]、钢销棒[12]钢材性能优良，相比于混凝土剪力键，可降低接缝处损伤对施工精度要求较高螺栓连接[7]可提供足够抗剪、抗扭刚度，接缝处整体性较好适用于CFST结构，螺栓孔为薄弱区域，可能产生较大塑性变形耗能措施内置式耗能钢筋[13]可有效提高桥墩耗能能力，贯穿桥墩多个接缝耗能钢筋破坏后不易更换，节段拼装后须对耗能钢筋进行二次灌浆形状记忆合金[14]兼具耗能和自复位功能造价高昂，其力学性能易受周围环境影响外置式低碳钢[4]、耗能钢棒[15]与内置耗能钢筋相比，稳定更好、耗能能力更可观，震后易于检测，必要时可及时更换仅在墩底设置时，会产生塑性铰上移或多塑性铰问题1.2　试验桥墩模型概况对上述连接方式的对比分析可知：文献[7]提出的螺栓连接方式可为节段拼装CFST桥墩提供足够的抗剪和耗能能力，但螺栓孔塑性变形导致残余位移增大的问题亟待解决．这里对其构造形式进行改进优化，使连接钢管仅在受拉时变形耗能[16]，提出了一种新型滑动螺栓连接装置，该装置具有构造简单、稳定可靠、同时具备良好抗剪和耗能能力、易于震后修复更换等优点，具体设计方案见图1．CFST节段接缝处采用连接钢管拼接，下部采用固定螺栓，上部采用滑动螺栓．该连接装置具有以下特点：受拉侧螺栓可限制桥墩接缝张开变形，并利用钢管产生塑性变形耗散能量；受压侧螺栓可在无阻力状态下自由滑动，确保压力稳定传递；无粘结预应力筋可提供稳定的自复位能力，减小桥墩的残余位移；连接装置可为桥墩提供可靠的侧向承载力，增加桥墩抗剪刚度．10.13245/j.hust.220322.F001图1滑动螺栓连接装置构造图以某城市桥梁双柱式桥墩为工程背景，桥墩为CFST结构，墩高11.2 m，墩身直径为1 m，采用C40混凝土．盖梁和承台尺寸均为5.4 m×2.4 m×1.2 m，采用C50混凝土．这里将桥墩试设计为3个节段，底节段与顶节段高3 m，中间节段高4 m，节段钢管采用Q235钢，相邻节段采用滑动螺栓连接装置相连，每排布置4个螺栓．桥墩截面中心留有预应力筋孔道，预应力筋两端分别锚固在承台与盖梁中，预制拼装桥墩构造如图2所示．10.13245/j.hust.220322.F002图2预制拼装桥墩构造图(mm)2 装配式CFST桥墩模拟方法及验证2.1　试验桥墩模型概况贾俊峰等[6]设计了后张预应力节段拼装CFST桥墩试件，研究桥墩在低周往复荷载下的结构变形和损伤过程．以此模型的试验结果作为对照，桥墩高2 m，分为3个节段，依次高0.6，0.6和0.8 m．钢管混凝土直径为300 mm，内填C40混凝土，节段钢管采用厚12 mm的Q235钢．预应力筋采用4×7Φ15钢绞线，初始张拉力设计值为400 kN，桥墩上部结构恒载为500 kN，水平加载点位于墩顶以下200 mm处，桥墩有效加载高度为1.8 m，试验方案细节详见文献[6]．2.2　试验桥墩精细化数值模拟方法预应力筋、混凝土与钢管均采用C3D8R单元模拟．对于钢管混凝土，关键在于如何合理地模拟钢管对核心混凝土的约束作用，这里混凝土采用损伤塑性模型(concrete damaged plasticity，CDP)，其单轴受压应力-应变曲线采用韩林海模型[16]，具体为y=2x-x2        (x≤1);x/[β0(x-1)η+x]       (x1), (1)式中：y=σc/fc0'，其中，σc为混凝土压应力，fc0'为非约束混凝土抗压强度；x=εc/εc0为混凝土压应变与混凝土峰值压应变的比值；β0和η为与钢管混凝土截面形状相关的参数．钢管及预应力筋均采用双线性理想弹塑性材料模拟，各类材料参数详见文献[6]．根据文献[17-18]的研究，混凝土节段间、预应力筋与预留管道之间采用“面-面接触对”，法向为“硬接触”，切向为“库仑摩擦”，混凝土间摩擦系数为0.5，预应力筋与管道间摩擦系数为0．钢管与混凝土之间采用绑定(tie)约束，预应力筋两端分别耦合在承台与墩顶，并采用初始应力法施加预应力．承台底部节点的所有自由度约束，横向位移荷载通过耦合参考点施加，上部荷载以面力的形式施加于墩顶．桥墩有限元模型如图3所示．10.13245/j.hust.220322.F003图3试验桥墩有限元模型2.3　模拟结果对比及验证为验证上述模拟方法，将数值模拟得出的墩底接缝变形和桥墩滞回曲线与试验结果进行对比．图4为墩底接缝开合变形对比，图中：Δj为接缝变形；Δ为墩顶横向位移．由图4可知：当接缝张开时(正值)，模拟结果与试验结果较为相符，而接缝挤压变形时(负值)，模拟结果略小于试验．究其原因在于：一方面位移计存在测量误差，接缝挤压导致该侧拉线式位移计间距缩短，使位移计测量出现负值[6]；另一方面CDP模型仅能通过缩减混凝土加卸载刚度来考虑混凝土损伤，虽然单元塑性变形可一定程度上考虑接缝处的挤压行为，但仍难以模拟实际混凝土的压溃现象，因此低估了接缝挤压变形．10.13245/j.hust.220322.F004图4墩底接缝开合变形对比图5给出了拟静力试验与数值模拟的滞回曲线对比，图中Q为墩底剪力．可以看出：模拟的滞回曲线正向与试验结果拟合程度较好，桥墩初始刚度、各滞回环的极限承载力比较一致；而负向匹配较差，桥墩卸载路径与残余位移也有所差别．同时，模拟结果两侧中心对称，试验结果的正向水平荷载峰值则明显大于负向．造成这一现象的原因主要有两方面：试验时桥墩垂直度出现偏差以及预应力不严格位于截面中心位置，且加载过程中桥墩发生较小横向滑移[6]，导致试验的滞回曲线不对称；墩底局部混凝土的压溃现象较难模拟，这也是数值模拟技术有待改进的方向之一．10.13245/j.hust.220322.F005图5模拟与试验滞回曲线对比表2为各级偏移率下，桥墩水平承载力的模拟、试验结果及误差对比，最大模拟误差为8.40%．可见本研究数值模拟方法可较为准确地预测节段拼装CFST桥墩的力学特性，为后续工作提供支撑．10.13245/j.hust.220322.T002表2不同偏移率下桥墩水平承载力的模拟误差偏移率/%水平承载力/kN误差/%试验模拟1.151.3054.866.942.855.2853.253.764.450.4746.877.135.846.5342.628.403 装配式桥墩抗震性能影响因素基于提出的滑动螺栓连接双柱式节段拼装CFST桥墩，采用2.2节的数值模拟方法建立精细化模型．在预应力筋初始应力保持不变的前提下，讨论预应力筋配筋率ρ、连接钢管厚度t、连接钢管长度L及滑动螺栓槽长度l对桥墩抗震性能的影响规律．3.1　有限元模型建立连接钢管采用Q235钢材，固定螺栓和滑动螺栓采用8.8级M64高强螺栓，每排布置4组，钢管和螺栓均采用C3D8R单元模拟，材料本构采用双线性理想弹塑性模型．固定螺栓与滑动螺栓绑定(tie)于接缝上下两侧节段钢管的螺栓孔内；连接钢管对应的滑动螺栓处开设孔槽使螺栓能够自由滑动，其与节段钢管、高强螺栓之间采用面-面接触对，法向为硬接触，切向不考虑摩擦．主梁重力及二期恒载施加至盖梁顶面，并考虑桥墩自重，偏移率依次为±0.5%，±1.0%，±1.5%，±2.0%，±3.0%，±4.0%，±5.0%，±6.0%，±7.0%，其余构件及边界条件的模拟方法参见2.2节．为方便下文叙述，将各节段依次排序，桥墩有限元模型如图6所示．工况设置具体如表310.13245/j.hust.220322.F006图6预制拼装桥墩有限元模型10.13245/j.hust.220322.T003表3工况设置讨论参数取值范围不变参数ρ0.29%，0.41%，0.58%，0.86%，1.15%，1.70%t=6 mm，L=500 mm，l=128 mmt2.0 mm，3.0 mm，4.5 mm，6.0 mmρ=0.58%，L=500 mm，l=128 mmL300 mm，400 mm，500 mm，600 mmρ=0.58%，t=6 mm，l=128 mml88 mm，108 mm，128 mm，148 mm，168 mmρ=0.58%，t=6 mm，L=500 mm所示．3.2　滑动螺栓连接装置的影响分析为研究滑动螺栓连接装置对双柱式节段桥墩抗震性能的影响，对比了有无连接装置的桥墩在循环往复荷载作用下的滞回曲线、累积耗能及墩顶残余位移，如图7所示，图中：E为桥墩累积耗能；Δr为墩顶残余位移．10.13245/j.hust.220322.F007图7连接装置对桥墩抗震性能的影响为防止预应力筋在加载过程中发生屈服，预应力筋初始应力水平为其屈服强度的40%[18]，预应力筋配筋率为0.58%．有连接装置节段桥墩的连接钢管长度为500 mm，厚度为6 mm，滑动螺栓槽长为128 mm．可以看出：滑动螺栓连接装置可显著提高桥墩抗剪能力，降低墩顶残余位移．具体地，当偏移率为7%时，有无连接装置桥墩的墩底剪力分别为805和610 kN，墩顶残余位移分别为8和21 mm．设置连接装置可有效限制接缝处变形，提高桥墩整体性．对比图8(a)和(e)可知：由于连接装置可降低节段桥墩接缝处的损伤，混凝土及连接钢管10.13245/j.hust.220322.F008图8偏移率为7%时右墩节段1混凝土受压损伤因子云图塑性耗能较小，连接装置对桥墩的耗能能力影响较小(如图7(b)所示)，须进一步优化其设计参数． 3.3　连接钢管厚度的影响分析图9给出了不同连接钢管厚度下桥墩的滞回曲线、累积耗能曲线及墩顶残余位移曲线随墩顶侧移量的分布．增大连接钢管厚度可轻微提高桥墩抗剪能力，由于桥墩侧向承载力主要与墩身自身刚度和节段间摩擦力有关，通过合理设置预应力产生的摩擦力可保证接缝处具备可靠的抗剪能力[8]，在桥墩摇摆作用下改变连接钢管厚度会影响接缝处的受力特性，对桥墩整体抗剪能力提升作用有限．增加连接钢管厚度可有效提高桥墩耗能能力，如图9(b)所示：当桥墩偏移率为7%时，连接钢管厚度为2.0，3.0，4.5和6.0 mm的节段桥墩累积耗能分别为512.2，539.6，546.7和565.2 kN·m，相较于厚度为2 mm时，后三者分别提高了5.35%，6.73%和10.34%．10.13245/j.hust.220322.F009图9连接钢管厚度对桥墩抗震性能的影响对比图8给出的右墩节段1在偏移率为7%时的混凝土受压损伤因子云图，分析可知：增大连接钢管厚度可改善桥墩在接缝开合时利用混凝土破坏的耗能机理，减小墩底两侧混凝土受压损伤区域(红色区域)，桥墩墩顶残余位移也随之减小．3.4　连接钢管长度的影响分析图10给出了不同连接钢管长度下节段桥墩的滞回曲线、累积耗能及墩顶残余位移曲线，可以看出：增加连接钢管长度可轻微提高桥墩的抗剪能力和耗能能力．具体地，连接钢管长度为600 mm桥墩的初始刚度、极限承载力、累积耗能分别为18.24 MN/m，761.41 kN和570 kN·m，相比于300 mm时分别提高了6.32%，8.05%和3.64%．这是因为桥墩在横向荷载作用下，受拉侧连接钢管和滑动螺栓挤压可限制接缝张口变形，提高桥墩的整体性，同时开孔处会产生一定塑性变形，增加部分能量耗散．由图11右墩底部连接钢管应变云图可知：当偏移率为7%时，连接钢管与滑动螺栓接触位置会出现明显的应力集中现象，增加连接钢管长度可缓解此问题，并降低墩顶残余位移．因此，应对螺栓进行受剪和承压验算，对连接钢管进行净截面强度验算，防止螺栓和螺栓槽端部破坏(如图11(a)所示)．10.13245/j.hust.220322.F010图10连接钢管长度对桥墩抗震性能的影响10.13245/j.hust.220322.F011图11偏移率为7%时右墩底部连接钢管应变云图3.5　滑动螺栓槽长度的影响分析图12为滑动螺栓槽长度不同时桥墩滞回曲线、累积耗能及墩顶残余位移的对比曲线．可以看出：改变滑动螺栓槽长度对桥墩抗剪性能几乎无影响，这是由于只改变滑动螺栓槽长度，桥墩整体刚度基本不变．随滑动螺栓槽长度的增加，桥墩耗能能力和墩顶残余位移逐渐降低，当滑动螺栓槽长度大于2倍螺栓直径时，两者基本保持不变，此时接缝受压及螺栓向下滑动过程中不会挤压螺栓槽产生塑性变形，从而避免了文献[7]中连接钢管螺栓孔局部受压屈服的现象．10.13245/j.hust.220322.F012图12螺栓槽长度对桥墩抗震性能的影响3.6　预应力筋配筋率的影响分析图13为不同预应力筋配筋率下节段桥墩的滞回曲线、累积耗能曲线及墩顶残余位移曲线对比，图14给出了偏移率为7%时的右墩节段1钢管应力云图．可以看出：预应力筋配筋率对桥墩的抗震性能影响显著，增加预应力筋配筋率可显著提高桥墩侧向承载力，进而提高耗能能力．当预应力筋配筋率水平较低时(0.29%~0.41%范围内)，桥墩在加载过程中墩顶残余位移几乎为零，结合图14(a)和(b)可知：此时钢管仍处于弹性状态，桥墩具有良好的自复位能力．随着预应力筋配筋率的增加，墩底钢管局部逐渐屈服(黑色区域)，尤其是螺栓孔附近产生应力集中现象，导致墩顶残余位移逐渐增大，因此应注意对螺栓孔区域进行局部加强．10.13245/j.hust.220322.F013图13预应力筋配筋率对桥墩抗震性能的影响10.13245/j.hust.220322.F014图14偏移率为7%时右墩节段1钢管应力云图(色标单位：MPa)本研究主要结论如下．a．提出的滑动螺栓连接装置具有连接构造简单、抗剪性能优良、耗能稳定可靠等优点，可供装配式CFST桥墩参考使用．b．与既有试验结果对比验证表明，本研究设计的实体模型数值模拟方法可较为准确地预测CFST节段桥墩的力学特性．c．滑动螺栓连接装置可显著提高桥墩的抗剪能力，降低墩顶残余位移．相较于无连接装置的桥墩，设置滑动螺栓连接装置桥墩的侧向承载力可提高31.97%，连接钢管可有效限制接缝变形，提高桥墩的整体性．d．增加连接钢管厚度和长度可一定程度提高桥墩的承载力和耗能能力，较为明显的是，连接钢管厚度为6mm的桥墩相比于2mm时，累积耗能提高了10.34%．e．滑动螺栓槽长度对桥墩抗剪性能的影响基本可忽略，但应保证其大于2倍螺栓直径，此时螺栓槽不会产生塑性变形，有利于控制墩顶残余位移．f．预应力筋配筋率对桥墩的抗震性能影响显著，增加预应力筋配筋率可明显提高桥墩侧向承载力，进而提高其耗能能力，但同时会增加墩顶残余位移．针对本文双柱式节段拼装CFST桥墩，当预应力配筋率小于0.58%，墩顶残余位移基本可忽略，桥墩具有良好的自复位能力．