装配式砼桥墩冻融循环破坏研究综述

 装配式砼桥墩冻融循环破坏研究综述

李弘钦,王宁,王浩宇,王金灿

华北理工大学 建筑工程学院 唐山063210

摘要：对近年来装配式砼桥墩及混凝土冻融破坏的相关研究进行了简要总结，指出了冻融循环对装配式砼桥墩抗震性能影响研究的必要性，归纳整理了装配式混凝土桥墩在冻融破坏研究中的关键问题，对冻融循环对装配式砼桥墩抗震性能的研究前景进行了展望。

关键词：冻融循环、装配式桥梁、混凝土桥墩

1 引言

近年来，装配式桥梁结构已经成为我国新型工业化产业发展的重要组成部分，对其桥墩冻融循环后的力学性能，尤其是抗震性能研究还较少，一定程度上阻碍了其快速发展。按照桥墩自重，桥墩可分为重力式桥墩和轻型桥墩，双柱式桥墩是轻型桥墩中的一种，由帽梁和双柱组成的钢筋混凝土构架式桥墩，具有低消耗、易施工、自重小等优点。基于此，就冻融循环对装配式砼桥墩抗震性能影响进行了综述。

2 国内外研究现状

2.1 装配式砼桥墩的应用及研究现状

徐文靖等[1]比较了由灌浆套管连接的预制装配式桥墩和整体现浇桥墩之间的性能差异，以及不同直径的灌浆套管对此类预制拼装桥墩抗震性能的影响。认为当预制组装桥墩与嵌入墩身的灌浆套管连接时，由于套管刚度大，墩身套管连接段容易形成刚性区域，并会出现墩身曲率重新分布的现象，这将导致桥墩底部接缝处曲率的增加和应变的集中，并导致桥墩的最终破坏形式从传统的塑性铰区混凝土破坏转变为桥墩底部接缝钢筋的拉断。

李嘉维[2]对灌浆套筒连接的装配式双柱桥墩进行了双向拟静态试验。研究发现，在强轴方向上，桥墩的能耗、强度、变形和延性等指标与现浇桥墩相似；然而，在弱轴方向，其性能明显弱于现浇桥墩。

李宁等[3]提出了一种带有耗能钢筋的预制拼装钢管混凝土自复位桥墩，并提出了一个无需迭代的变形分析模型。与循环荷载试验、现有变形分类模型和OpenSees建立的纤维模型相比，该模型可以准确预测和分析预制装配式CFST自复位桥墩在不同阶段的荷载-变形关系曲线，具有一定的保守性。

Ahmadi等[4]使用有限元模型研究了预制后张桥墩的非线性静态和动态特性，并认为后张拉力、高宽比、桥墩轴向力和节段数对预制后张墩的非线性行为有很大影响。高水平激励振幅在预制张拉桥墩共振频率处和附近呈现出共存的振幅响应，并逐渐变薄，这提高了预制张拉墩的动态失稳概率。

2.2 混凝土冻融破坏的国内外研究现状

意大利学者Luisa Berto等人[5]通过研究钢筋混凝土结构冻融损伤后的劣化情况，建立起了有关混凝土新的冻融—力学损伤模型，这个模型主要考虑冻融对混凝土结构强度（抗拉、抗压强度）的影响，进而得出一种新的关系，这种关系可以对不同冻融条件下的等效数量进行正确地评价。用数值模拟方式对冻融循环后的钢筋混凝土简支梁进行分析，并加以理论推导，证明了假设的准确性。这个模型的建立为混凝土结构破坏分析及冻融损伤分析提供了可靠的数值工具。

施士升[6]对混凝土在经受不同次数冻融循环后的微观结构变化及力学性能进行研究，并系统分析了二者之间的关系，其研究为我国混凝土冻融相关课题的开展奠定了基础。

邹超英[7]在前人的基础上，研究了冻融循环后混凝土的力学性能，研究内容包括反复荷载作用下的混凝土抗劈裂性能等。研究结果表明，随着冻融循环次数增加，混凝土结构的劣化程度随之增大，最终使结构丧失安全性能。

杨威等[8]对冻融损伤后混凝土剪力墙的抗震性能进行分析。本次试验首先分别对剪力墙进行0次、100次、200次、300次冻融循环，再对冻融循环后的剪力墙反复施加荷载。实验过程中可以观察到最初墙体的破坏形式主要为弯曲开裂，后期变为剪切开裂，墙体试件的损伤形式会随着冻融循环次数的增加而发生变化，由对角线拉伸失效变为压缩破坏。作者分析了冻融循环对试件刚度退化、滞回性能、延性、强度退化和损伤特性的影响。得到冻融循环次数的增加会加剧其对剪力墙抗震性能的影响。

Li Y 等[9]为研究遭受冻融循环作用和冲击载荷共同作用下的混凝土的分形特征和能量耗散情况，以C35混凝土为研究对象，冻融循环温度范围为 -20°C〜20°C。得到了各种冻融循环条件下混凝土材料的降解特性和基本物理参数的变化规律。利用 SHPB 试验装置，进行了不同冻融循环作用下混凝土试件的冲击压缩试验，然后分析了冲击破碎的过程和损伤演化的机理。研究结果表明，在不同的冻融循环条件和冲击加载速度下，混凝土具有从微观破坏到宏观断裂的特性。

张攀[10]基于ABAQUS二次开发，对装配式混凝土桥墩抗冻耐久性进行研究，从混凝土的冻融机理及冻融影响因素出发，通过采用 ABAQUS有限元软件进行装配式混凝土桥墩的建模，使用Fortran语言写出USDFLD子程序计算冻融循环总损伤量，分别设置50次、100次、150次、200次的热传导分析及热应力耦合分析。随着冻融循环次数的增加，桥墩损伤越来越严重、性能逐渐降低。由此分析得出桥墩节点处为桥墩结构的薄弱部位。

包龙生等[11]基于热力学理论，建立适用于数值模拟的热分析表达式，结合实际工程，采用ABAQUS有限元软件建立1∶6的缩尺模型，从应力、内外温差、塑性应变和位移等方面对装配式桥墩的不同部位开展冻融循环作用下的温度场和冻融损伤分析。结果表明：一次冻融循环作用下，墩帽、墩柱和承台的外表面温度应力与中心点相比，中心点的温度应力变化趋势滞后于外表面；温度对尺寸较大的构件内部影响较小；随着冻融循环次数的增加，桥墩损伤越来越严重，200次冻融循环作用下，桥墩节点的塑性应变和极限位移均大于其他部位。综合结果来看，装配式桥墩节点是下部结构的薄弱部位。

3 结论与展望

综合来看，中国北方地区，尤以东北地区为甚，冬季温度太低，早晚气温变化范围大，几乎每一座混凝土桥梁结构均受到不同程度冻融损伤。同时中国北方有部分区域位于华北地震区、环太平洋地震带，而环太平洋地震带覆盖了东北的一部分，存在一定地震风险。目前，国内外关于寒冷环境下钢筋混凝土构件在冻融作用下力学性能方面的研究成果较少，特别是对于严寒和大温差条件下的相关成果更是少见。因此，开展北方地区冻融循环作用下装配式混凝土桥墩抗震性能影响的研究有着深远意义。

参考文献

[1]徐文靖,马骉,黄虹,等.套筒连接的预制拼装桥墩抗震性能研究[J].工程力学,2020,37(10):93-104.

[2]李嘉维,夏樟华,余舟扬.灌浆套筒连接装配式混凝土双柱墩的双向拟静力试验研究[J].地震工程与工程振动,2020,40(3):193-203.

[3]李宁,张双城,李忠献,等.预制拼装钢管混凝土自复位桥墩变形分析模型及验证[J].工程力学,2020,37(4):135-143.

[4]AHMADI E, KASHANI M M. Numerical investigation of nonlinear static and dynamic behaviour of self-centring rocking segmental bridge piers[J].Soil Dynamics and Earthquake Engineering,2020,128:105876.

[5]Berto L, Vitaliani R, Saetta A, et al. Seismic assessment of existing RC structures affected by degradation phenomena[J]. Structural Safety,2009,31(4):284-297.

[6]施士升.冻融循环对混凝土力学性能的影响.土木工程学报[J].1997, 30(4):35-42.

[7]Zou C Y, Zhao J, Luo J L. Experimental Studies on Mechanical Properties of Concrete under Freeze-Thaw Action. Proceeding of the Ninth International Symposium on Structural Engineering for Young Exports[C]. Fuzhou Science Press.2006:759-1764.

[8]Yang W, Zheng S, Zhang D, et al. Seismic behaviors of squat reinforced concrete shear walls under freeze-thaw cycles: A pilot experimental study[J]. Engineering Structures,2016,(124):49-63.

[9]Li Y, Zhai Y, Liu X, et al. Research on Fractal Characteristics and Energy Dissipation of Concrete Suffered Freeze-Thaw Cycle Action and Impact Loading[J].Materials,2019,12(16):2585.

[10]张攀.基于ABAQUS二次开发的装配式混凝土桥墩抗冻耐久性研究[D].沈阳建筑大学,2021.

[11]包龙生,赵家康 等.装配式混凝土桥墩节点的抗冻性能研究[J].广西大学学报(自然科学版),2022,47(06):1459-1470.

项目：大学生创新创业训练计划项目“冻融循环对装配式砼桥墩抗震性能影响的有限元分析”（X2022302）