預制墩柱承插式杯口連接在城市橋梁中的應用

肖翔 馬晶 吳睿麒 王勝男 龔翔箭

(1. 北京市市政工程設計研究總院有限公司 100082；2. 北京市城市橋梁安全保障工程技術研究中心 100082；3. 北京市城市道路養(yǎng)護管理中心 100068)

引言

預制裝配式墩柱具備縮短施工工期、 現(xiàn)場施工工作量少、 提高工程質量、 綠色環(huán)保的特點，在城市橋梁建設中有較強的優(yōu)勢。 裝配式鋼結構橋梁的一個關鍵點問題就是預制墩柱與承臺或基礎之間的連接方式， 目前主要的連接方式為法蘭盤連接與承插式杯口連接。 法蘭盤連接方式力學傳導模型明確， 便于計算， 但需提前在承臺預埋較多的螺栓， 并逐個與墩底法蘭盤孔位對準連接， 對施工精度要求較高； 承插式杯口連接方式施工簡便， 將墩柱吊裝就位即可， 但墩底杯口處受力情況較復雜， 需對其進行詳細計算。

本文以北京市已建成的某自行車專用路為例， 該工程下部結構為裝配式鋼結構墩柱， 與承臺之間采用了承插式杯口連接方式。 采用數(shù)值模型對承插式杯口連接部位建模計算， 分析裝配式鋼結構墩柱及墩底杯口構造在外力作用下的受力情況， 核算杯口構造承載能力及分析結構抗震性能， 并依據(jù)計算結果對杯口承臺構造及墩柱、 杯口混凝土、 承臺之間的連接面構造進行了設計，并總結出設計要點， 相關經(jīng)驗總結可為以后相關類型的工程提供參考。

1 工程概況

本工程為北京市第一條自行車專用路工程，全線內包含一段2.7km 長的高架橋。 高架橋多為3 跨或4 跨一聯(lián)的連續(xù)鋼梁， 邊支座與中支座均采用板式橡膠支座。 本文結構計算以4 ×25m的連續(xù)鋼主梁為例， 主梁構造如圖1 所示。 下部結構采用預制的鋼結構箱型截面墩柱， 內部灌注混凝土。 墩柱以插槽的形式插入承臺杯口， 墩柱吊裝就位后， 杯口內澆筑混凝土。 承臺下接鉆孔灌注樁基礎。 承臺杯口尺寸構造如圖2 所示。

圖1 主梁構造(單位： mm)Fig.1 The structure of main girder(unit: mm)

圖2 承臺杯口構造(單位： cm)Fig.2 The structure of socket-cup connection in pile caps(unit: cm)

2 結構計算分析

2.1 整體結構模型

承插式杯口連接部位受力情況較復雜， 結構計算分析分為兩步， 第一步采用MIDAS/Civil 建立整體結構模型， 上下部結構均為梁單元模擬， 進行全橋整體分析， 提取墩柱在各荷載工況下的墩底彎矩及墩底反力。 全橋整體結構模型如圖3 所示。

圖3 全橋整體結構模型Fig.3 FEM of the bridge structure

2.2 局部結構模型

結構計算分析的第二步是采用ABAQUS 建立墩柱及杯口承臺構造局部結構模型， 將整體模型中墩柱在地震作用下的上部軸壓及墩底彎矩代入局部模型， 對結構抗震性能進行Pushover 分析。鋼板、 混凝土等部件等均采用實體單元， 內部鋼筋采用桁架單元。 混凝土采用塑性損傷本構， 鋼板及鋼筋采用彈塑性本構。 墩柱鋼板與填充混凝土、 墩柱與杯口、 杯口與承臺之間采用tie 固接，墩柱鋼板與加勁板采用內置區(qū)域連接。 承臺底部采用實體單元固結模擬。 杯口局部結構模型如圖4 所示。

圖4 杯口局部結構模型Fig.4 FEM of the socket-cup connection

Pushover 分析通過位移加載方式進行， 在參考點(墩頂)處施加上部結構的軸壓及水平位移， 達到極限加載情況(水平位移達到墩柱高度的5%， 313.9mm)后計算終止， 以獲取力-位移關系曲線， 從而得到結構極限承載能力。

提取全橋整體結構模型中墩柱在E1、 E2 地震作用下的墩底彎矩， 等效為參考點(墩頂)處的水平力， 再利用力-位移關系曲線找到該水平力所對應的荷載步， 對該荷載步下墩柱關鍵部位及杯口構造位置的損傷(或破壞)情況進行研究， 進而對結構抗震性能進行判斷。

3 計算結果分析

3.1 整體模型結果分析

提取整體模型中墩柱在基本組合下的應力值如圖5 所示， 基本組合下墩柱最大拉、 壓應力分別為86.5MPa、 101.7MPa， 均小于墩柱鋼材的強度設計值320MPa， 墩柱滿足承載能力要求。 提取墩柱在基本組合下底部反力值， 根據(jù)規(guī)范驗算，杯口壁厚及承臺滿足相應要求。 根據(jù)墩柱、 杯口壁厚及承臺的驗算結果， 說明該結構在基本組合下能夠滿足承載能力， 在工程上具備可行性。

圖5 基本組合下墩柱應力值(單位： MPa)Fig.5 Diagram of stress value of pier under the basic combination (unit: MPa)

3.2 局部模型結果分析

1. 墩柱力-位移關系曲線

墩柱在E1、 E2 地震作用下的墩底彎矩及等效水平力如表1 所示。

表1 E1、 E2 地震作用下的墩底彎矩及等效水平力Tab.1 Bending moment of pier bottom and equivalent horizontal force under E1、 E2 earthquake effects

在局部模型中， 通過施加5%墩柱高度的位移(313.9mm)， 墩柱的力-位移關系曲線如圖6所示。 從計算結果中能看到， 橫橋向屈服狀態(tài)對應的水平力為 1414.37kN， 墩底彎矩為8879.84kN·m， 其側向變形為96.83mm， 側移率1.542%； 順橋向屈服狀態(tài)對應的水平力為774.93kN， 墩底彎矩為4865.24kN·m， 其側向變形為76.61mm， 側移率1.220%， 屈服狀態(tài)對應的承載力遠大于E1、 E2 地震作用下的地震力。說明墩柱在E1、 E2 地震作用下處于彈性階段，未發(fā)生屈服。

圖6 力-位移曲線Fig.6 Curve of the force-displacement

2. 墩柱應力、 應變情況

墩柱在E2 作用下的應力、 應變情況如圖7、 圖8 所示。 在E2 狀態(tài)下， 墩柱鋼板最大拉應力橫橋向、順橋向分別為 69.64MPa、60.59MPa， 此時鋼板未屈服。 混凝土最大拉應變分別為1.319e-4、 2.255e-4， 大于C40 混凝土的開裂應變7.98e-5， 此時墩柱內混凝土受拉側發(fā)生開裂。

圖7 墩柱鋼板應力情況(單位： MPa)Fig.7 The stress of pier steel plate(unit: MPa)

圖8 填充混凝土應變情況Fig.8 The strain of filled concrete

3. 杯口應變情況

杯口部分在E2 作用下的應變情況如圖9 所示。 在E2 狀態(tài)下， 杯口混凝土最大拉應變橫橋向、 順橋向分別為4.647e -4、 3.163e -3， 大于C40 混凝土的開裂應變7.98e -5， 此時杯口混凝土發(fā)生開裂， 開裂部位集中在受拉側上部。

4. 承臺應變、 應力情況

承臺在E2 作用下的應變、 應力情況如圖10、 圖11 所示。 在E2 狀態(tài)下， 杯口混凝土最大拉應變橫橋向、 順橋向分別為2.065e - 5、6.408e-5， 小于C35 混凝土的開裂應變7.17e -5，此時杯口混凝土未發(fā)生開裂。 承臺鋼筋最大應力分別為2.049MPa、 2.814MPa， 此時承臺鋼筋未屈服。

根據(jù)計算結果， E1 地震作用下， 墩柱整體結構保持彈性狀態(tài)， 關鍵部位未出現(xiàn)損傷情況，結構狀態(tài)完好； E2 地震作用下， 墩柱整體結構保持彈性狀態(tài)， 墩柱填充混凝土下部受拉側與杯口混凝土的上部出現(xiàn)裂縫， 整體結構保持完好。E1 與E2 地震作用下結構承載力并未下降， 表明整體結構抗震承載力滿足要求。

圖9 杯口混凝土應變情況Fig.9 The strain of concrete of cup-mouth

圖10 承臺混凝土應變情況Fig.10 The strain of concrete of caps

圖11 承臺鋼筋應力情況(單位： MPa)Fig.11 The stress of rebar in caps(unit: MPa)

4 構造要點小結

預制墩柱通過承插式杯口的方式與下部承臺或基礎連接， 設計關鍵點一是杯口承臺構造， 目前橋梁相關規(guī)范暫無相關規(guī)定。 參考相關文獻[3-5]并結合計算結果， 杯口承臺配筋及構造要點分為兩點: (1)杯口深度需大于2 倍墩柱寬度；(2)在杯口頂部1/4 杯口深度范圍內配置水平環(huán)形筋， 水平環(huán)形筋的直徑與承臺杯口受力鋼筋的直徑一致。

通過計算發(fā)現(xiàn)， 承插式杯口的薄弱點是墩柱、 杯口混凝土、 承臺之間的連接面， 設計關鍵點二便是如何加強各構件之間的聯(lián)系。 參考相關文獻[6]中的試驗結論及結合計算結果， 墩柱、 杯口混凝土、 承臺之間的連接面的構造要點總結分為三點: (1)為有效提高墩柱與承臺的連接性能，對于鋼結構預制墩柱， 在墩底設置剪力釘； 對于混凝土預制墩柱， 在墩底采用梯形剪力紋并拉毛處理； (2)為提高杯口混凝土與承臺之間的連接性， 可將承臺杯口面的混凝土進行鑿毛處理， 并在澆筑混凝土前涂刷一層界面膠， 并采用鋼纖維混凝土填充杯口。 (3)為進一步加強墩柱與承臺的聯(lián)系， 在承臺杯口四周預埋鋼板， 并設置連接鋼板將墩柱與杯口的預埋鋼板焊接， 該措施還便于施工時墩柱定位。 連接鋼板數(shù)量不宜過多， 一側設置一道即可， 鋼板數(shù)量過多易導致澆筑杯口混凝土時形成空洞、 澆筑不密實。

5 結語

預制墩柱與承臺或基礎之間采用承插式杯口連接施工簡便， 對周圍環(huán)境影響小， 在城市橋梁中優(yōu)勢明顯， 但連接部位受力情況較復雜， 進行此類型設計時需對結構分別進行整體承載能力核算與局部結構抗震性能分析。 承插式杯口連接在構造上可通過大于2 倍墩柱寬度的杯口深度、 杯口頂部1/4 杯口深度范圍內配置水平環(huán)形筋、 墩底設置剪力釘、 杯口表面混凝土鑿毛、 設置連接鋼板等措施加強各構件之間的聯(lián)系， 提高連接部位承載能力。