預(yù)制橋墩不同承插式連接構(gòu)造試驗研究

曾 增 王志剛 余 堅 黃遵義 殷曉峰

（1.同濟大學(xué)橋梁工程系，上海200092；2.中交第二公路勘察設(shè)計研究院有限公司，武漢430058；3.湖北交投江北東高速公路有限公司，武漢430040）

0 引 言

為了適應(yīng)時代發(fā)展需求，橋梁工程的建設(shè)趨勢走向施工標(biāo)準(zhǔn)化以及生產(chǎn)工業(yè)化，因此橋梁工程快速施工技術(shù)［1］（Accelerated Bridge Construction）應(yīng)運而生。事實上，西方發(fā)達國家早在20世紀(jì)60年代已經(jīng)開始采用這項技術(shù)［2］，而我國起步相對較晚，始于90 年代的北京積水潭橋試驗工程。近年來，我國已經(jīng)逐步成為世界橋梁建設(shè)的中心，橋梁建造技術(shù)持續(xù)發(fā)展，預(yù)制拼裝的相關(guān)技術(shù)和經(jīng)驗得到不斷完善與累積，先后采用橋梁快速建造技術(shù)建設(shè)了東海大橋［3］、杭州灣大橋［4］、港珠澳大橋［5］等幾座跨海大橋。然而，預(yù)制拼裝技術(shù)不可避免的存在多處連接部位，這顯然不利于橋梁抗震，因此有必要深入研究連接部位抗震性能的可靠程度。由于地震作用主要影響橋梁下部結(jié)構(gòu)，因此橋墩與基礎(chǔ)承臺連接構(gòu)造的抗震問題更為突出。

承插式連接構(gòu)造［6］是常用的墩臺連接方式之一，其應(yīng)用研究主要集中在西方國家。值得注意的是，不論是工程結(jié)構(gòu)還是試驗構(gòu)件，橋墩承插段接觸面的構(gòu)造幾乎都是粗糙化處理，諸如Mashal等［7］有關(guān)預(yù)制橋墩與預(yù)制基礎(chǔ)的承插式連接研究，Haraldsson 等［8］有關(guān)預(yù)制橋墩與現(xiàn)澆基礎(chǔ)的承插式連接研究，Khaleghi等［9］有關(guān)在排架墩橋梁中應(yīng)用承插式連接的研究。國內(nèi)有關(guān)承插式連接的研究成果主要體現(xiàn)在規(guī)范［10-11］的相關(guān)條文，規(guī)范中主要對承插孔高度以及承臺底板厚度做了相關(guān)規(guī)定，而未對接觸面構(gòu)造提出要求。因此，在實際工程應(yīng)用中承插段是否有必要采用粗糙面構(gòu)造處理值得商榷。為此，本文以江北高速公路東延伸工程為依托，針對承插式接觸面構(gòu)造，通過擬靜力試驗研究比較承插段粗糙處理和承插段光滑處理的抗震性能，從而為工程應(yīng)用提出合理建議。

1 試驗方案設(shè)計

本文依托的工程采用離心預(yù)制空心橋墩，預(yù)制橋墩與承臺采用承插式連接，且承插段的接觸面擬定為鋸齒形波紋狀。墩壁采用C70 混凝土，墩內(nèi)部分填充C40混凝土。預(yù)制橋墩的內(nèi)外徑分別為140 cm、90 cm。橋墩縱筋設(shè)置為外側(cè)36 根28 mm HRB400 鋼筋，內(nèi)側(cè) 18 根 16 mm HRB400鋼筋。橋墩箍筋采用間距為10 cm 的螺旋箍筋，其材料選用10 mm 的HPB300 鋼筋。待預(yù)制橋墩插入承插孔后，再灌入高強無收縮水泥灌漿料［12］。

根據(jù)實驗室條件，首先確定了1∶2 的相似比，并且結(jié)合截面能力等效原則得到試驗構(gòu)件的尺寸。橋墩的外徑為70 cm，壁厚為12.5 cm，橋墩縱筋設(shè)置為外側(cè)18 根20 mm HRB400 鋼筋，內(nèi)側(cè)10根10 mm HRB400 鋼筋，橋墩螺旋箍筋的間距和直徑分別改為7.5 cm 和6 mm。承臺的尺寸為210 cm×238 cm×75 cm，承臺中心孔的直徑為77 cm，高50 cm。承臺底部布置了鋼筋混凝土圓柱模擬實際工程的樁基礎(chǔ)，圓柱伸出承臺20 cm。另外，根據(jù)加載條件設(shè)計了長方體加載頭，其尺寸為70 cm×70 cm×50 cm。

為了研究不同承插式連接構(gòu)造的抗震性能，本文試驗設(shè)計了兩個試件，分別為波紋構(gòu)造（S2）和光滑構(gòu)造（S6）。S2 的構(gòu)造特點是承臺中心預(yù)埋波紋管，波紋管規(guī)格為內(nèi)徑76 cm，壁厚1.6 mm，高50 cm，波形68 mm×13 mm，待預(yù)制橋墩插入承臺后，澆筑高強無收縮水泥灌漿料，隨后養(yǎng)護完成試件制作。S6 的構(gòu)造特點是承臺與預(yù)制橋墩的接觸面不是鋸齒波紋狀，而是光滑的。試件構(gòu)造如圖1所示。

圖1 試驗試件構(gòu)造（單位：cm）Fig.1 Specimens（Unit：cm）

2 試驗現(xiàn)象概述

本節(jié)將簡要概述兩個試件的加載過程以及試驗現(xiàn)象。為了更好地觀察試驗現(xiàn)象，描述試件破壞過程和破壞形態(tài)，加載前使用墻面漆粉刷并繪制間隔為5 cm 的網(wǎng)格，加載過程中使用黑色、紅色、藍色等不同顏色的油性筆描繪裂縫的開展情況，同時還通過裂縫測寬儀測量不同加載等級下的裂縫寬度。試驗加載方式采用混合加載制度，即先采用力加載控制，當(dāng)試件屈服后改為位移加載控制，直至試件破壞。另外，試件加載方向定義為南北方向。

2.1 S2試件

先緩慢施加豎向荷載，每級250 kN。第一級加載到250 kN時，承臺底出現(xiàn)了2條微裂紋，裂縫寬度分別為0.027 mm、0.041 mm，隨著荷載增大，這些微裂紋緩慢變寬。當(dāng)加載到1 000 kN 時，最大裂縫寬度達到0.056 mm。當(dāng)加載到1 935 kN時，最大裂縫寬度達到0.082 mm。而后繼續(xù)進行水平加載。

當(dāng)水平荷載達到+325 kN 時，試件南側(cè)距墩底20 cm 和30 cm 處出現(xiàn)兩條裂縫，裂縫寬度分別為0.055 mm 和0.096 mm。當(dāng)水平荷載達到+390 kN 時，南面鋼筋屈服，最大裂縫寬度達到0.20 mm。當(dāng)水平荷載達到-390 kN 時，北面鋼筋屈服，最大裂縫寬度達到0.23 mm，試件屈服位移為18 mm，隨后采用位移加載控制模式。

在加載過程中，隨著水平力的不斷增大，新裂紋出現(xiàn)且舊裂紋擴張。當(dāng)加載位移達到36 mm 時，最大裂縫寬度達到0.60 mm。當(dāng)位移達到72 mm 時，試件周圍的主裂縫寬度大于2 mm，試件破壞嚴(yán)重，墩底保護層混凝土局部嚴(yán)重剝落，如圖2 所示。隨后繼續(xù)加載至橋墩破壞后停止，試件周圍的裂縫分布情況為，距墩底1.5 m 高度范圍內(nèi)，每隔10～15 cm 存在水平裂縫，同時存在少量的斜裂縫。

圖2 S2試件保護層混凝土剝落圖Fig.2 Spalling of the concrete cover of S2

2.2 S6試件

首先進行軸壓加載，當(dāng)軸壓力加載到1 000 kN時，承臺底部發(fā)現(xiàn)裂縫，最大裂縫寬度為0.062 mm。當(dāng)軸壓力加載到1 935 kN 時，最大裂縫寬度為0.084 mm。然后繼續(xù)水平加載。

當(dāng)水平荷載達到+325 kN 時，試件南側(cè)距墩底15 cm、30 cm、60 cm處出現(xiàn)三條裂縫，裂縫寬度分別為0.132 mm、0.133 mm和0.104 mm。當(dāng)水平荷載達到-325 kN時，試件北側(cè)距墩底10 cm、45 cm、60 cm處出現(xiàn)三條裂縫，裂縫寬度分別為0.152 mm、0.148 mm 和0.088 mm。當(dāng)水平荷載達到+390 kN時，南面鋼筋屈服，最大裂縫寬度達到0.19 mm。當(dāng)水平荷載達到-390 kN 時，北面鋼筋屈服，最大裂縫寬度達到0.25 mm，試件屈服位移約為18 mm，隨后采用位移加載控制模式。

在加載過程中，隨著水平力的不斷增大，新裂紋出現(xiàn)且舊裂紋擴張。當(dāng)加載位移達到36 mm時，最大裂縫寬度達到1.14 mm。當(dāng)位移達到72 mm 時，試件周圍的主裂縫寬度大于2 mm，試件破壞相當(dāng)嚴(yán)重，墩底保護層混凝土局部幾乎完全剝落，如圖3 所示，且已經(jīng)無法繼續(xù)加載。試件周圍的裂縫分布情況為，距墩底1.5 m 高度范圍內(nèi)，每隔10～15 cm 存在水平裂縫，同時存在少量的斜裂縫。

圖3 S6試件保護層混凝土剝落圖Fig.3 Spalling of the concrete cover of S2

3 試驗數(shù)據(jù)分析

3.1 滯回曲線

在擬靜力循環(huán)荷載作用下，預(yù)制橋墩的滯回曲線如圖4 所示。顯然，在加載初期兩個試件表現(xiàn)為近似線彈性，滯回曲線基本是重疊的。隨著混凝土開裂、鋼筋屈服以及保護層混凝土剝落等現(xiàn)象的產(chǎn)生，滯回曲線逐漸呈現(xiàn)出弓形，這表示橋墩具備良好的抗震性能和塑性變形能力。對比可知，S2 與S6 的滯回曲線重合程度較高，這表示兩者的滯回性能相近，但是兩者的最大位移有差距，S2接近100 mm，而S6僅為75 mm左右。

圖4 滯回曲線Fig.4 Hysteretic curve

3.2 骨架曲線

骨架曲線由滯回曲線的頂點相連得到，如圖5 所示。骨架曲線能直觀地反映結(jié)構(gòu)的初始剛度、屈后剛度、屈服位移、屈服荷載、極限位移、極限荷載以及位移延性系數(shù)等抗震指標(biāo)。觀察發(fā)現(xiàn)，兩條曲線形狀大體重合，大致呈三線性，有非線性拐點和強度退化段。根據(jù)骨架曲線可得表1，表中屈服荷載點依據(jù)能量法計算得到，極限荷載點即為骨架曲線荷載最大值點，并將荷載下降到最大荷載的85%定義為極限位移點。對比S2和S6 的數(shù)據(jù)可以看出，接觸面設(shè)置為鋸齒凹槽之后，初始屈服位移差別不大，但是峰值位移和極限位移均有顯著的增加。試件延性系數(shù)的提高說明粗糙接觸面對改善墩柱抗震性能是有益的。

圖5 骨架曲線Fig.5 Skeleton curve

表1 骨架曲線關(guān)鍵指標(biāo)Table 1 Key indicators of skeleton curve

3.3 耗能能力

結(jié)構(gòu)在彈塑性變形過程中耗能能力是衡量其抗震性能的又一個重要指標(biāo)，耗能能力越高意味著結(jié)構(gòu)在地震過程中所耗散的地震能量越多，對保證結(jié)構(gòu)的安全越有利。事實上，耗能能力大小等價于滯回曲線的面積大小，因此通過觀察前述的滯回曲線便可以對比S2 和S6 的耗能能力。顯然，在75 mm 位移加載等級以前兩條滯回曲線幾乎重合，但加載至 90 mm 時，S6 已經(jīng)破壞而 S2 仍然能夠繼續(xù)承載，因此S2的耗能能力強于S6。

3.4 殘余位移

殘余位移值等價于滯回曲線與X軸的交點坐標(biāo)，因此可以根據(jù)滯回曲線獲取殘余位移發(fā)展趨勢圖（如圖6 所示）。眾所周知，殘余位移越小越有利于震后的結(jié)構(gòu)修復(fù)與運營，保證救援工作的開展，最大程度地減小經(jīng)濟損失。根據(jù)圖6 可以直觀地發(fā)現(xiàn)，在加載等級較低的階段，兩者的殘余位移相近，隨著加載等級增大，S6 的殘余位移明顯大于S2的殘余位移。

圖6 殘余位移與位移荷載的關(guān)系曲線Fig.6 Residual displacement of pier with loading displacement

3.5 墩柱裂縫

統(tǒng)計橋墩在水平加載階段出現(xiàn)的最大裂縫寬度，得到表2 以及圖7。由圖7 可知，S6 的裂縫寬度大于S2 的裂縫寬度，只是在位移加載等級為27 mm時，S6的裂縫寬度相對較小。

3.6 承臺裂縫

經(jīng)過水平加載之后，又進行豎向加載并觀察承臺底板的裂縫發(fā)展情況。承臺底部裂紋理想情況下應(yīng)該呈中心對稱分布，但由于施工誤差等原因，實際情況與理想情況有出入。試件的初始裂縫分布近似中心對稱，有沖切的跡象。圖8給出了承臺最大裂縫的發(fā)展趨勢。顯然，S6的承臺底部裂縫較大，這很可能是由于S6 豎向荷載主要由承臺底板承擔(dān)，使得S6的承臺底板承擔(dān)的荷載比較大。

4 結(jié) 論

圖7 墩柱最大裂縫寬度發(fā)展趨勢Fig.7 Maximum crack width of pier

表2 橋墩最大裂縫寬度Table 2 Maximum width of crack of pier

圖8 承臺最大裂縫寬度發(fā)展趨勢Fig.8 Maximum crack width of platform

本文以江北高速公路東延伸項目的橋梁工程為背景，通過對原型橋墩的縮尺進行承插式橋墩的擬靜力試驗研究。本文試驗設(shè)計了兩個試件研究承插段細部構(gòu)造對橋墩抗震性能以及裂縫發(fā)展的影響。結(jié)合上述試驗現(xiàn)象以及試驗數(shù)據(jù)分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）根據(jù)試驗過程的觀察以及后續(xù)數(shù)據(jù)分析可知，水平往復(fù)荷載或豎向荷載較小的情況下不論接觸面是否光滑，兩者的試驗現(xiàn)象、抗震性能以及最大裂縫寬度均比較相近，可以認為兩者的力學(xué)性能相近，幾乎沒有區(qū)別。因此，當(dāng)抗震設(shè)防要求較低時，可以考慮采用光滑接觸面以簡化施工。

（2）隨著水平往復(fù)荷載不斷增大，由力加載轉(zhuǎn)為位移加載，就抗震性能而言，承插段采用波紋面構(gòu)造逐漸表現(xiàn)出比光滑接觸面更優(yōu)異的性能，前者的位移延性系數(shù)更大、滯回耗能水平更高而且殘余位移更小。因此，當(dāng)強震地區(qū)欲使用承插式構(gòu)造時推薦使用粗糙接觸面，如波紋面構(gòu)造。對于裂縫發(fā)展，波紋面構(gòu)造同樣比光滑面更優(yōu)，因此出于對裂縫控制的考慮，承插段亦應(yīng)采用粗糙接觸面構(gòu)造。

（3）不同的接觸面之所以表示出上述特點的原因可能是，當(dāng)水平往復(fù)荷載或豎向荷載較小的時候，接觸面的剪力較小，僅需要灌漿料的粘結(jié)作用提供抗力。隨著水平往復(fù)荷載或豎向荷載的變大，接觸面的剪力變大，從而粗糙接觸面開始發(fā)揮其優(yōu)越性，表現(xiàn)出抗震性能更優(yōu)以及裂縫寬度小且數(shù)量少的特點。