承插式預(yù)制拼裝橋墩抗震性能研究綜述

姜海西，衛(wèi)張震

（上海城投公路投資（集團(tuán)）有限公司，上海市200020）

承插式預(yù)制拼裝橋墩抗震性能研究綜述

姜海西，衛(wèi)張震

（上海城投公路投資（集團(tuán)）有限公司，上海市200020）

承插式連接構(gòu)造是預(yù)制橋墩與承臺(tái)之間的一種拼接方式，與灌漿套筒和灌漿波紋管等以鋼筋為對(duì)接單元的拼接構(gòu)造相比施工精度要求較低，與現(xiàn)澆濕接縫，預(yù)應(yīng)力節(jié)段干接等構(gòu)造相比現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)少，是橋梁下部結(jié)構(gòu)預(yù)制拼裝的一種有力競(jìng)爭(zhēng)方案?，F(xiàn)從試驗(yàn)研究、理論研究和工程應(yīng)用三個(gè)方面對(duì)承插式構(gòu)造抗震性能研究進(jìn)行綜述，以促進(jìn)該技術(shù)在國(guó)內(nèi)預(yù)制拼裝橋墩建設(shè)中的應(yīng)用。

插入連接構(gòu)造；橋墩；抗震性能；研究綜述

0 引言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程不斷持續(xù)，許多大型城市的交通問題日益突出，城市路網(wǎng)的快速化迫在眉睫。在交通繁忙和居民眾多的城市中心區(qū)域，為了緩解橋梁施工期間對(duì)周圍交通的干擾，降低施工中產(chǎn)生的各種噪聲，消除揚(yáng)塵污染，盡量減少不必要的拆動(dòng)遷，需要縮短現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)間，減少施工作業(yè)面，盡快開放交通。這些都表明，城市橋梁建設(shè)所受到的制約因素在迅速增多，快速施工、綠色施工、文明施工正成為當(dāng)前我國(guó)橋梁建設(shè)面臨的迫切需求，這一需求推動(dòng)了預(yù)制拼裝橋梁技術(shù)的發(fā)展。

節(jié)段拼裝有關(guān)技術(shù)研究和應(yīng)用在我國(guó)相對(duì)較少,已有的應(yīng)用和研究主要集中在上部結(jié)構(gòu)[1],對(duì)于下部結(jié)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)用，工程界在借鑒國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)的基礎(chǔ)上,目前正逐漸增多。橋墩在地震中很容易遭受破壞。因此，預(yù)制拼裝橋墩的抗震研究受到了廣泛關(guān)注。國(guó)內(nèi)外的研究人員和工程設(shè)計(jì)人員依據(jù)橋型特點(diǎn)、施工條件和所處工程環(huán)境等因素，對(duì)預(yù)制拼裝橋墩節(jié)點(diǎn)處的連接構(gòu)造提出了多種方案，主要可歸結(jié)為灌漿金屬波紋管連接、灌漿套筒連接、插槽式連接、承插式連接及混合式連接等幾種連接方式[2,3]。

承插式適用于橋墩與承臺(tái)基礎(chǔ)連接，它最大的特點(diǎn)在于施工精度要求相對(duì)較低，施工工序比較簡(jiǎn)單，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)量少。對(duì)于這種連接構(gòu)造，國(guó)外的一些學(xué)者根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際應(yīng)用的要求提出了幾種具體的構(gòu)造形式，并對(duì)其抗震性能做了初步的研究和分析工作[4-15]。而在國(guó)內(nèi)，對(duì)承插式連接的具體構(gòu)造形式及其抗震性能的研究還幾乎是空白。因此，本文從試驗(yàn)研究、理論研究和應(yīng)用實(shí)踐等方面對(duì)上述構(gòu)造進(jìn)行研究綜述。并對(duì)亟待研究的問題和可能的解決方法進(jìn)行展望,以促進(jìn)該技術(shù)在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用。

1 承插式連接構(gòu)造及特點(diǎn)

承插式接縫連接構(gòu)造是將預(yù)制墩身插入基礎(chǔ)的預(yù)留孔內(nèi)，橋墩與基礎(chǔ)之間沒有鋼筋連接，底部鋪設(shè)一定厚度的砂漿，基礎(chǔ)可以是現(xiàn)澆的，也可以是預(yù)制的，見圖1所示。該連接構(gòu)造優(yōu)點(diǎn)是施工工序簡(jiǎn)單，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)量少。但關(guān)于節(jié)點(diǎn)處的力學(xué)行為、墩柱埋入深度與墩柱尺寸的關(guān)系、插孔界面粗糙度等問題，還有待進(jìn)一步研究。目前，國(guó)內(nèi)外均有一些橋梁已采用了該連接構(gòu)造進(jìn)行建造。

圖1 承插式立柱拼裝示意圖

2 試驗(yàn)研究現(xiàn)狀

2006年，意大利Paolo Riva等[4]研究了承插式連接和灌漿套筒連接的抗震性能。試驗(yàn)結(jié)果表明，承插式連接試件滯回響應(yīng)較穩(wěn)定，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的強(qiáng)度退化現(xiàn)象。與其他試件相比，承插式連接試件在墩底的彎曲裂縫開展現(xiàn)象更為明顯，裂縫長(zhǎng)度與墩柱尺寸幾乎相等。灌漿套筒連接與現(xiàn)澆整體式連接和承插式連接的延性能力相仿，滯回耗能稍差。

2012年，坎貝雷大學(xué)M.Mashal和A.Palermo[5]研究了一種橋梁下部結(jié)構(gòu)預(yù)制拼裝體系，其中，橋墩、蓋梁和承臺(tái)均為預(yù)制構(gòu)件，橋墩與承臺(tái)之間采用承插式連接，如圖2所示。

圖2 預(yù)制橋墩與承臺(tái)連接過程（坎貝雷大學(xué)）之實(shí)景

2013年，華盛頓大學(xué)Haraldsson、Janes等人[6-8]在FHWA資助下研究了預(yù)制橋墩與現(xiàn)澆基礎(chǔ)承插式連接構(gòu)造（Column-to-footing Socket Connection）的抗震性能。該連接構(gòu)造與傳統(tǒng)現(xiàn)澆連接相比，有兩個(gè)突出的特點(diǎn)：（1）橋墩與承臺(tái)之間沒有鋼筋穿過；（2）橋墩的縱筋在墩底沒有向外彎出并延伸至現(xiàn)澆基礎(chǔ)內(nèi)，而是采用錨固頭(headed anchors)的構(gòu)造形式（見圖3）。研究表明，傳統(tǒng)的向外彎出鋼筋的錨固形式，主要依靠彎鉤處鋼筋與混凝土的粘結(jié)作用來提供錨固力，傳力效果不好。而與之相比，采用錨固頭的鋼筋構(gòu)造形式，在節(jié)點(diǎn)處的傳力更為直接和有效。此外，從施工的角度講，后者也更易于澆筑、運(yùn)輸和安裝。

圖3 Socket連接細(xì)部構(gòu)造（華盛頓大學(xué)）之實(shí)景

2013年6月，美國(guó)華盛頓大學(xué)Hung Viet Tran等[9]在聯(lián)邦公路局（FHWA）資助下研究了橋墩與鉆孔灌注樁承插式連接（Column-to-Drilled Shaft Socket，見圖4）的抗震性能。研究人員設(shè)計(jì)了兩個(gè)試件（DS1和DS2），兩個(gè)試件唯一的區(qū)別在于，DS2試件連接處使用的箍筋量要比DS1試件少一半，目的是通過觀察連接區(qū)域的破壞現(xiàn)象來研究其內(nèi)在的傳力機(jī)制。對(duì)兩個(gè)試件進(jìn)行了擬靜力試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果同設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)計(jì)的情況一樣。DS1以墩柱破壞行為為主，在墩底發(fā)生彎曲破壞，而在鉆孔樁內(nèi)的連接區(qū)域基本沒有破壞；DS2的破壞現(xiàn)象以鉆孔樁的變形為主，連接區(qū)域產(chǎn)生了撬動(dòng)效應(yīng)（prying action）。

圖4 預(yù)制墩柱與鉆孔樁Socket連接之實(shí)景

3 理論分析

承插式連接構(gòu)造最早被用于工民建結(jié)構(gòu)，當(dāng)時(shí)人們最關(guān)心的是該構(gòu)造中節(jié)點(diǎn)處的受力機(jī)理。

1996年，日本Yutaka Osanai等[10]對(duì)建筑結(jié)構(gòu)墩柱-基礎(chǔ)Socket連接構(gòu)造進(jìn)行了擬靜力試驗(yàn)研究，繼而基于試驗(yàn)研究的成果，推導(dǎo)出Socket連接墩柱-基礎(chǔ)構(gòu)件在水平力和軸向力作用下的節(jié)點(diǎn)受力計(jì)算公式，最后，基于上述計(jì)算公式提出了一套Socket連接的設(shè)計(jì)方法。該文重點(diǎn)分析了在不同埋深情況下，剪力鍵的傳力機(jī)理。結(jié)論是，當(dāng)埋深大于等于1.5D（D為墩柱直徑）時(shí)，不需要設(shè)剪力鍵，建議摩擦系數(shù)取1.0；當(dāng)埋深在1.25D和1.5D之間時(shí)，需要設(shè)剪力鍵，建議摩擦系數(shù)取1.0；當(dāng)埋深等于1.0D時(shí)，需要設(shè)剪力鍵，建議摩擦系數(shù)取0.5。不足之處在于，沒有討論埋深和墩柱鋼筋錨固長(zhǎng)度的關(guān)系，而且得出的結(jié)論是基于特定尺寸的剪力鍵，不具備代表性。

自2004年起，CANHA,R.M.F.等對(duì)建筑結(jié)構(gòu)墩柱-基礎(chǔ)Socket連接節(jié)點(diǎn)處的受力行為開展了一系列的試驗(yàn)研究和理論分析[11][12][13]。CANHA,R.M.F.等先后研究了有剪力鍵的Socket連接構(gòu)造和無剪力鍵的Socket連接構(gòu)造，并分別提出了相應(yīng)的解析公式。對(duì)于有剪力鍵的Socket連接構(gòu)造，提出了剪力鍵剪力計(jì)算公式，分析了剪力鍵尺寸對(duì)抗剪能力的影響，并給出了剪力鍵最大尺寸和最小尺寸的建議。其結(jié)論指出，墩柱的縱筋在0.5倍埋深附近應(yīng)變最大，由此導(dǎo)出縱筋的錨固長(zhǎng)度約為0.5倍墩柱埋深。

近些年，隨著橋梁施工技術(shù)的不斷提高，承插式連接構(gòu)造被越來越多地應(yīng)用到橋梁結(jié)構(gòu)的施工當(dāng)中。2013年，華盛頓大學(xué)Haraldsson、Janes等人在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)和提出了承插式連接預(yù)制拼裝橋墩-擴(kuò)大基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)公式。

同年，華盛頓大學(xué)Hung Viet Tran等在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，提出了一種針對(duì)樁柱承插式連接構(gòu)造的三維拉-壓桿模型（見圖5），以研究其傳力機(jī)理。分析結(jié)果表明，該模型的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，因而可以用該模型較好地闡釋樁柱承插式連接構(gòu)造的傳力機(jī)制。

圖5 三維拉-壓桿模型

4 應(yīng)用實(shí)踐

在美國(guó)，許多城市高架橋和公路橋梁的基礎(chǔ)形式為擴(kuò)大基礎(chǔ)（Spread Footing），為了加快施工進(jìn)度，一些橋梁工程采用了預(yù)制橋墩與擴(kuò)大基礎(chǔ)承插式連接，如華盛頓州SR520公路的一座橋梁使用了承插式連接構(gòu)造（見圖6）。

圖6 美國(guó)華盛頓州SR520公路橋梁所采用的承插式連接構(gòu)造形式之實(shí)景

此外，2013年，華盛頓大學(xué)的研究人員基于他們的研究成果，做了兩個(gè)示范工程設(shè)計(jì)。一個(gè)是華盛頓州Interstate 5號(hào)公路的US 12橋，采用了預(yù)制橋墩與擴(kuò)大基礎(chǔ)承插式連接（見圖7），另外一個(gè)是US 101 Bone River橋，采用了預(yù)制橋墩與鉆孔樁承插式連接。

圖7 美國(guó)US 12 Bridge所用承插式構(gòu)造連接構(gòu)造形式之實(shí)景

2016年，中國(guó)上海嘉閔高架北二段橋梁工程有3 km采用了橋梁全預(yù)制拼裝技術(shù)，其中一座匝道橋采用了承插式連接構(gòu)造，預(yù)制橋墩與現(xiàn)澆承臺(tái)或預(yù)制橋臺(tái)連接（見圖8）。

圖8 中國(guó)上海嘉閔高架承插式連接構(gòu)造之實(shí)景

5 結(jié)語和展望

預(yù)制節(jié)段拼裝橋墩拼裝施工工期短，可以在預(yù)制場(chǎng)預(yù)制構(gòu)件，受周圍外界干擾少，但對(duì)運(yùn)輸、起重機(jī)械設(shè)備要求較高。節(jié)段拼裝橋墩技術(shù)比較適用于橋梁長(zhǎng)度較長(zhǎng)，橋墩數(shù)量較多的工程，預(yù)制構(gòu)件相對(duì)容易標(biāo)準(zhǔn)化，能更加發(fā)揮預(yù)制工藝的優(yōu)點(diǎn)。

橋墩預(yù)制拼裝研究較多構(gòu)造形式有灌漿金屬波紋管連接、灌漿套筒連接、承插式連接和混合式連接等。其中，灌漿套筒連接和灌漿金屬波紋管連接施工工期特別短（僅需1～2 d），但對(duì)現(xiàn)場(chǎng)拼裝容差和灌漿施工質(zhì)量要求較高。相比之下，承插式最大優(yōu)勢(shì)在于，拼裝施工時(shí)所能容許的誤差較大，施工工序比較簡(jiǎn)單，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)量較少，施工工期僅略長(zhǎng)。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)承插式連接構(gòu)造的抗震性能研究還很少，有必要探究適合國(guó)內(nèi)工程實(shí)際的構(gòu)造形式，通過試驗(yàn)研究找到其變形過程、破壞狀態(tài)、極限承載力和延性指標(biāo)等的規(guī)律性，為實(shí)際工程設(shè)計(jì)提供可靠的基礎(chǔ)性技術(shù)資料。

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U443.22

B

1009-7716（2017）12-0056-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.12.016

2017-09-07

姜海西（1981-），男，江蘇建湖人，博士研究生，高級(jí)工程師，從事公路、橋梁、隧道等基礎(chǔ)設(shè)施投資建設(shè)管理和預(yù)制拼裝技術(shù)研發(fā)工作。