預(yù)制裝配式橋墩連接類(lèi)型及抗震性能研究綜述

石 巖，張智超，鐘正午，張瑩瑩，趙彬全

（蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050）

引言

以往破壞性地震中，延性抗震設(shè)計(jì)雖然可以減少直接的人員傷亡，但橋梁的損傷難以控制，更讓人難以接受的是其高額的震后修復(fù)費(fèi)用以及震后功能恢復(fù)能力差、恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)、通行能力不足等缺點(diǎn)［1－2］。例如，在1994 年日本Kobe 地震中，大量鋼筋混凝土橋墩因殘余位移過(guò)大而難以修復(fù)，不得不拆除重建［3］；2011 年新西蘭坎特伯雷地震中，盡管沒(méi)有橋梁倒塌的記錄，但某些橋梁樞紐因喪失功能無(wú)法使用，導(dǎo)致長(zhǎng)達(dá)一個(gè)多月的交通癱瘓，造成的經(jīng)濟(jì)損失更是難以估計(jì)［4］。因此，加快震后修復(fù)和降低交通中斷時(shí)間已成為十分重要的需求。隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化水平的不斷提高和交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投人進(jìn)步加大，確保交通基礎(chǔ)橋梁設(shè)施的優(yōu)質(zhì)、高效和安全建造，盡可能減少建設(shè)過(guò)程中對(duì)周邊環(huán)境及交通通行的影響，降低生產(chǎn)過(guò)程中的環(huán)境污染，是目前橋梁界及政府管理部門(mén)關(guān)注的焦點(diǎn)，也是世界土木建筑業(yè)的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)［5］。

面對(duì)這些新需求，傳統(tǒng)的現(xiàn)澆施工方法便顯得力不能及，而橋梁快速施工（Accelerated Bridge Construction，ABC）技術(shù)則提供了一種新的解決途徑［6］。ABC 技術(shù)是一種采用預(yù)制裝配構(gòu)件，對(duì)橋梁進(jìn)行快速組裝、減少現(xiàn)場(chǎng)交通環(huán)境干擾、確保施工質(zhì)量、提高施工安全和降低全壽命費(fèi)用的集成技術(shù)［7］。該技術(shù)在橋梁上部結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用已較為廣泛與成熟，預(yù)制跨度超過(guò)61m 的預(yù)應(yīng)力混凝土梁已成為可能［8］。ABC 技術(shù)在下部結(jié)構(gòu)的應(yīng)用主要表現(xiàn)為預(yù)制裝配式橋墩，其最早應(yīng)用于1955年美國(guó)新奧爾良Pontchartrain 橋。經(jīng)60余年的發(fā)展，已逐步推廣至非地震區(qū)和低烈度地震區(qū)［9］。在我國(guó)，承插式連接、灌漿波紋管連接這兩種“等同現(xiàn)澆”連接形式已應(yīng)用于上海市嘉閔高架橋梁工程［10］；黃徐路跨線工程采用了外置可更換耗能裝置的“非等同現(xiàn)澆”預(yù)制橋墩，開(kāi)創(chuàng)了我國(guó)搖擺橋梁工程應(yīng)用先例［11］。

雖然預(yù)制裝配式橋墩在低烈度地震區(qū)已有應(yīng)用，但其用于中高烈度地震區(qū)仍面臨質(zhì)疑與挑戰(zhàn)，主要問(wèn)題在于預(yù)制部件之間的連接［12］。對(duì)于中高烈度地震區(qū)，在蓋梁-預(yù)制橋墩連接、預(yù)制橋墩-基礎(chǔ)連接節(jié)點(diǎn)處易出現(xiàn)高彎矩、高剪力以及較大的非彈性循環(huán)荷載變形，從而難以維系結(jié)構(gòu)的整體性能［8］。為加深對(duì)現(xiàn)有連接系統(tǒng)的了解，本文從抗震性能的角度出發(fā)，將連接系統(tǒng)簡(jiǎn)要地分為“等同現(xiàn)澆”連接和“非等同現(xiàn)澆”連接；介紹了3種“等同現(xiàn)澆”連接方式及其試驗(yàn)研究現(xiàn)狀，闡述了“非等同現(xiàn)澆”連接的發(fā)展歷程，總結(jié)了“等同現(xiàn)澆”和“非等同現(xiàn)澆”連接的數(shù)值模擬研究進(jìn)展，梳理了5 種“非等同現(xiàn)澆”預(yù)制橋墩分析模型的建立方法及應(yīng)用情況，即微觀實(shí)體單元模型、集中塑性鉸模型、集中質(zhì)量模型、多彈簧模型和接縫纖維化模型。最后，基于現(xiàn)階段進(jìn)展，結(jié)合橋梁工程領(lǐng)域出現(xiàn)的新理念、新材料和新技術(shù)，展望了預(yù)制裝配式橋墩的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

1 預(yù)制橋墩中連接形式的類(lèi)型

按力的傳遞機(jī)制，可將連接形式分為鋼筋連接器連接、管道灌漿連接、承插式連接、預(yù)留槽孔連接、混雜型連接、整體連接和新興連接技術(shù)，每種連接形式按細(xì)部構(gòu)造不同又可細(xì)分為多類(lèi)，各類(lèi)連接的性能也不盡相同［12］。為保持分類(lèi)的簡(jiǎn)潔性，本文按抗震性能是否與現(xiàn)澆橋墩等同或相似，將預(yù)制橋墩中的連接形式分為“等同現(xiàn)澆”連接和“非等同現(xiàn)澆”連接并進(jìn)行闡述總結(jié)。

1.1 等同現(xiàn)澆連接

采用“等同現(xiàn)澆”連接形成的橋墩在水平承載力、變形能力、剛度、耗能能力等各方面能夠與傳統(tǒng)意義的現(xiàn)澆橋墩保持相同或相近，且“等同現(xiàn)澆”預(yù)制橋墩中也存在塑性鉸機(jī)制，以往的地震實(shí)例已證明延性設(shè)計(jì)可有效防止橋梁倒塌，但在塑性鉸區(qū)域會(huì)發(fā)生嚴(yán)重?fù)p傷，因此“等同現(xiàn)澆連接”也被稱為“高損傷”連接。常見(jiàn)的“等同現(xiàn)澆”連接有承插式連接、灌漿波紋管連接、鋼筋連接器連接等。

1.1.1 承插式連接

承插式連接是指將預(yù)制橋墩徑直插入承臺(tái)或蓋梁的預(yù)留槽孔內(nèi)，因此該連接方式既可用于橋墩與基礎(chǔ)的連接，也可用于橋墩與蓋梁的連接。如圖1所示，承臺(tái)或蓋梁既可采用預(yù)制，也可現(xiàn)澆。若為前者，需在橋墩插入后，在槽孔底部和橋墩四周注漿；若為后者，需用支撐將預(yù)制橋墩垂直固定在開(kāi)挖好的場(chǎng)地，待基礎(chǔ)鋼筋籠布置完畢后再現(xiàn)澆承臺(tái)。承插式連接與現(xiàn)澆橋墩體系不同之處在于：（1）預(yù)制橋墩與承臺(tái)或蓋梁之間無(wú)鋼筋穿過(guò)，通常采用增加承臺(tái)厚度或設(shè)置剪力鍵的方式來(lái)提高其抗剪能力和錨固性，預(yù)制橋墩部分抗彎能力由橋墩與槽孔內(nèi)壁之間的摩擦力提供，因此橋墩底部需粗糙化處理；（2）采用承插式連接構(gòu)造的預(yù)制橋墩豎向承載機(jī)制類(lèi)似于“端承樁”，上部荷載主要由墩底阻力承受；（3）預(yù)制橋墩內(nèi)縱筋是徑直的，縱筋底部無(wú)需彎起。關(guān)于承插式連接的研究，主要集中在預(yù)制橋墩與基礎(chǔ)連接處［13－17］。文獻(xiàn)［13－14］通過(guò)對(duì)試件進(jìn)行包括擬靜力試驗(yàn)在內(nèi)的研究工作，發(fā)現(xiàn)承插式連接的耗能能力、延性、抗震性能近似于傳統(tǒng)整體式連接；CANHA 等［15］采用內(nèi)表面光滑的承臺(tái)預(yù)留槽孔，研究預(yù)制橋墩在大偏心荷載下的破壞模式，并考慮了不同埋置深度的影響，結(jié)果表明試件的破壞是因?yàn)椴劭淄饪v向鋼筋屈服，其橫向鋼筋受力并不大，該研究針對(duì)大偏心荷載下預(yù)制裝配式橋墩嵌入深度給出了建議取值；OSANAI等［16］對(duì)柱-基礎(chǔ)承插式連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了擬靜力試驗(yàn)，重點(diǎn)討論了在不同埋深下柱的性能特點(diǎn)，并基于試驗(yàn)結(jié)果，提出了必須設(shè)置剪力鍵的場(chǎng)合和摩擦系數(shù)的建議取值，雖然該研究是針對(duì)建筑結(jié)構(gòu)，但對(duì)橋梁工程中的承插式連接仍具參考意義；WANG 等［17］在傳統(tǒng)承插式連接的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了高強(qiáng)度砂漿填充的剪切鍵，試驗(yàn)顯示改進(jìn)的承插式連接抗震性能良好。鋼管混凝土柱（Concrete-Filled Steel Tube，CFST）利用鋼管與混凝土之間的相互約束，使兩種材料各自的優(yōu)點(diǎn)充分發(fā)揮，提高了構(gòu)件整體抗震性能，并且建造過(guò)程簡(jiǎn)便。因此，有學(xué)者提出將承插式連接與鋼管混凝土柱結(jié)合使用［18－19］，值得注意的是，采用這種組合結(jié)構(gòu)的墩底可能需要一些特殊保護(hù)。整體上看：承插式連接施工時(shí)能夠容許的誤差較大，且施工簡(jiǎn)便，省時(shí)性與實(shí)用性較強(qiáng)。但是，目前國(guó)內(nèi)對(duì)采用承插式連接的橋梁體系的抗震性能研究尚不充分，要想實(shí)現(xiàn)其在中高烈度地區(qū)的推廣和應(yīng)用，還需要通過(guò)大量試驗(yàn)研究其損傷破壞模式，發(fā)展適用于國(guó)內(nèi)橋梁工程的承插式連接構(gòu)造形式，為實(shí)際橋梁設(shè)計(jì)提供可靠的基礎(chǔ)性技術(shù)資料。

圖1 承插式連接Fig.1 Socket connection

1.1.2 灌漿波紋管連接

灌漿波紋管連接是指將波紋管預(yù)埋至蓋梁或承臺(tái)中（圖2），形成波紋管孔道，將從預(yù)制橋墩端頭伸出的縱筋插入孔道之中，再填筑灌漿料進(jìn)行錨固，由于波紋管可提供一定的約束效果，因此縱筋的錨固長(zhǎng)度較同等條件的現(xiàn)澆橋墩而言，可適當(dāng)縮減。關(guān)于灌漿波紋管道用于橋墩-蓋梁連接的研究中［20－23］，MARSH［20］提出一種可用于地震區(qū)的獨(dú)柱墩設(shè)計(jì)概念圖，其橋墩與蓋梁之間采用灌漿波紋管連接，橋墩與基礎(chǔ)之間為承插式連接；之后的研究中，將此獨(dú)柱墩融入雙柱式排架墩體系，擬靜力試驗(yàn)結(jié)果表明該排架體系具有足夠的抗震性能［21］。PANG 等［22］設(shè)計(jì)了一種新型灌漿波紋管連接，其突出特點(diǎn)在于采用大直徑鋼筋和大直徑波紋管，從而降低施工風(fēng)險(xiǎn)。擬靜力試驗(yàn)結(jié)果表明：在該連接中設(shè)置縱筋無(wú)粘結(jié)段對(duì)橋墩性能影響不大，僅在小位移情況下會(huì)輕微降低橋墩剛度。而文獻(xiàn)［10，24-27］中，灌漿波紋管連接被用于連接橋墩與承臺(tái)。王志強(qiáng)等［10］以上海市新建嘉閔北城市高架橋梁工程為背景，研究了灌漿波紋管的抗震性能，發(fā)現(xiàn)采用該連接形式的預(yù)制橋墩具有向中高地震烈度區(qū)推廣的潛力；賈俊峰等［24］采用灌漿金屬波紋管錨固鋼筋技術(shù)連接預(yù)制拼裝墩柱與承臺(tái)，并進(jìn)行擬靜力試驗(yàn)，得出該技術(shù)可應(yīng)用于高烈度地震區(qū)的結(jié)論；與一般做法不同的是，BELLERI等［25］將波紋管設(shè)置在橋墩內(nèi)，而非承臺(tái)中，但擬靜力試驗(yàn)結(jié)果表明，該連接同樣具有良好的延性和抗震性能，并且橋墩損傷主要集中在橋墩與承臺(tái)間的砂漿墊層上；TAZARV 等［26－27］研究發(fā)現(xiàn)將超高強(qiáng)度混凝土作為波紋管灌漿材料可有效防止鋼筋或管道的拔出，從而減小連接部位的損傷。灌漿波紋管連接中存在粘結(jié)滑移問(wèn)題，在灌漿波紋管連接中存在兩個(gè)滑移面：其一為鋼筋相對(duì)灌漿料而產(chǎn)生的滑移；其二為波紋管與外圍混凝土之間的滑移。TAZARV［28］發(fā)展了灌漿波紋管連接的粘結(jié)滑移模型，并通過(guò)試驗(yàn)證明其有效性；XU 等［29］以鋼筋錨固長(zhǎng)度、施工帶來(lái)的偏心誤差和灌漿后加載時(shí)間為研究參數(shù)，探討了灌漿波紋管連接中局部和整體的粘結(jié)滑移問(wèn)題?？傮w而言，采用灌漿波紋管連接的預(yù)制裝配式橋墩的水平承載能力、位移延性、滯回耗能能力與現(xiàn)澆柱接近，且具有較好的省時(shí)性，但其面臨較大的施工風(fēng)險(xiǎn)；灌漿波紋管連接系統(tǒng)中鋼筋的偏心誤差難以避免，故如何減小偏心誤差及帶來(lái)的不利影響也是進(jìn)一步該考慮的問(wèn)題；另外，灌漿波紋管的粘結(jié)滑移模型及其破壞模式等方面需要進(jìn)一步開(kāi)展理論研究和試驗(yàn)驗(yàn)證，為將來(lái)預(yù)制裝配式橋墩的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

圖2 灌漿管道連接Fig.2 Grouted corrugated ducts connection

1.1.3 鋼筋連接器連接

鋼筋連接器連接是指采用灌漿套筒或其它形式的機(jī)械連接器，將兩根鋼筋從端部連為一個(gè)整體，并允許軸力從一根鋼筋傳遞至另一根，達(dá)到類(lèi)似焊接的效果。灌漿套筒連接是最典型的一種鋼筋連接形式，如圖3（a）所示，該方法通過(guò)在套筒中插入單根帶肋鋼筋并注入灌漿拌合物，實(shí)現(xiàn)鋼筋的連接和力的傳遞。而機(jī)械連接器則依靠機(jī)械鉚合力實(shí)現(xiàn)兩根鋼筋的連接，無(wú)需額外灌注粘結(jié)材料，常見(jiàn)的機(jī)械連接器主要有螺紋連接器、鐓粗螺紋套筒、錐螺紋套筒等。在現(xiàn)有文獻(xiàn)中，一般將這種連接方式用于橋墩與承臺(tái)的連接［30－32］。HABER 等［31］以連接器類(lèi)型（灌漿套筒和鐓粗連接器）和連接器安放位置為研究變量，討論了橋墩在往復(fù)荷載作用下的性能，發(fā)現(xiàn)采用該連接類(lèi)型的橋墩可取得與現(xiàn)澆墩相近的抗震效果，但橋墩內(nèi)連接器的存在會(huì)極大地影響橋墩塑性鉸機(jī)制。鑒于此，美國(guó)現(xiàn)行的橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范禁止將連接器應(yīng)用于延性構(gòu)件的塑性鉸區(qū)。TAZARV 等［32］開(kāi)展了一項(xiàng)關(guān)于連接器的綜合研究，以期現(xiàn)行規(guī)范能放松對(duì)連接器的使用限制，其研究?jī)?nèi)容包括：提出一種適用于各種連接器的材料模型、量化連接器的影響力和發(fā)展簡(jiǎn)化的設(shè)計(jì)公式。研究結(jié)果表明連接器的長(zhǎng)度越長(zhǎng)、剛性越大和位置越靠近墩底，則橋墩的延性越差；為減小連接器所帶來(lái)的不利影響，HAN等［33］研制了一種長(zhǎng)度極短、內(nèi)填充環(huán)氧砂漿的螺紋連接器，試驗(yàn)結(jié)果也證實(shí)了該連接器能達(dá)到預(yù)期效果；LIU等［34－35］和韓強(qiáng)等［36］針對(duì)灌漿套筒連接做了大量研究工作，包括通過(guò)單軸拉伸試驗(yàn)研究灌漿套筒的連接性能、破壞模式、承載力、損傷分布和環(huán)向約束機(jī)制，闡述了灌漿套筒接頭的力學(xué)性能和機(jī)理；對(duì)比研究灌漿套筒區(qū)域和普通截面的抗彎強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)灌漿套筒截面的抗彎強(qiáng)度高于正常截面，基于此提出了針對(duì)灌漿套筒連接的預(yù)制墩變形評(píng)估方法；在灌漿套筒連接預(yù)制橋墩抗剪性能研究方面，介紹了套筒區(qū)剪切開(kāi)裂機(jī)理，提出了一種評(píng)估灌漿套筒連接預(yù)制橋墩抗剪強(qiáng)度的方法，并證明其正確性；徐文靖等［37］運(yùn)用擬靜力試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究不同直徑和長(zhǎng)度的灌漿套筒對(duì)預(yù)制橋墩抗震性能的影響，結(jié)果顯示直徑越大和長(zhǎng)度越長(zhǎng)，橋墩接縫處應(yīng)力集中現(xiàn)象越明顯，最終破壞形式為墩底接縫處鋼筋拉斷；除此之外，趙勇等［38］對(duì)6 個(gè)采用灌漿套筒連接的預(yù)制墩進(jìn)行了擬靜力試驗(yàn)，分析了縱筋直徑、軸壓比和配箍形式對(duì)橋墩抗震性能的影響，并基于試驗(yàn)結(jié)果建議：在低軸壓比下，需嚴(yán)格控制大直徑高強(qiáng)鋼筋套筒的性能，否則會(huì)發(fā)生縱筋從套筒中拔出的現(xiàn)象?？梢钥闯觯轰摻钸B接器連接的抗震性能與連接器類(lèi)型密切相關(guān)，但由于連接器可能造成的不利影響過(guò)大，導(dǎo)致其在橋梁中的應(yīng)用受到限制，因此發(fā)展長(zhǎng)度短、剛性較小和連接性能優(yōu)良的新型連接器是根本的解決之策。

圖3 鋼筋連接器連接Fig.3 Bar couplers connection

1.2 非等同現(xiàn)澆連接

較之“等同現(xiàn)澆”連接，“非等同現(xiàn)澆”連接大都是依靠無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋提供的夾緊力使各預(yù)制節(jié)段連為整體，采用此類(lèi)連接方式的橋墩稱為“非等同現(xiàn)澆”預(yù)制橋墩或“混雜型”預(yù)制橋墩。后張預(yù)應(yīng)力可顯著提高橋墩的自復(fù)位能力，從而減小橋墩震后的殘余位移。為衡量“非等同現(xiàn)澆”預(yù)制橋墩的自復(fù)位性能，HIEBER等［6］將上部結(jié)構(gòu)重力與預(yù)應(yīng)力的和與耗能鋼筋提供的抵抗力之比定義為自復(fù)位率；類(lèi)似地，PALERMO 等［39］基于理想旗幟型模型，以彎矩的形式提出了自復(fù)位系數(shù)λ，其表達(dá)式為λ=（Mpt+MN）/Ms，其中：Mpt和MN分別代表預(yù)應(yīng)力和結(jié)構(gòu)自重提供的自復(fù)位彎矩；Ms為耗能鋼筋提供的耗能彎矩，并建議自復(fù)位系數(shù)的取值范圍為1.15～1.25。相較于“等同現(xiàn)澆”橋墩，“非等同現(xiàn)澆”預(yù)制橋墩在往復(fù)荷載作用下，相鄰節(jié)段間的節(jié)點(diǎn)接縫（主要是承臺(tái)與橋墩間的接縫）會(huì)不斷地“提離”與“閉合”，即發(fā)生搖擺行為。因此，橋墩的塑性變形主要集中在搖擺界面的受壓區(qū)，而墩身主體則基本保持彈性?！胺堑韧F(xiàn)澆”預(yù)制橋墩的搖擺行為降低了橋墩的抗側(cè)剛度，延長(zhǎng)了橋梁結(jié)構(gòu)自振周期從而起到了隔震的效果［40］。但于此同時(shí)也帶來(lái)一些不利的影響，比如橋梁在地震作用下位移響應(yīng)放大而加劇上部結(jié)構(gòu)的碰撞問(wèn)題、搖擺機(jī)制抑制橋墩端部塑性鉸的形成而導(dǎo)致耗能能力偏弱等［41］。關(guān)于后一問(wèn)題，各國(guó)學(xué)者開(kāi)展了廣泛研究［42－48］。

圖4展示了“非等同現(xiàn)澆”預(yù)制橋墩構(gòu)造形式的演變過(guò)程，HEWES等［42］開(kāi)展了關(guān)于“非等同現(xiàn)澆”橋墩的早期試驗(yàn)研究，其研究對(duì)象僅設(shè)有無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋，結(jié)果表明橋墩主體基本保持彈性，僅受壓區(qū)墩趾處受到了輕微損傷，但由于缺乏耗能構(gòu)件，其滯回耗能能力非常有限。為提高“非等同現(xiàn)澆”橋墩的耗能能力，諸多學(xué)者提出了內(nèi)置耗能鋼筋的解決方案并開(kāi)展了試驗(yàn)驗(yàn)證，耗能鋼筋插入預(yù)留的鋼筋孔道并依次穿過(guò)各個(gè)接縫，研究結(jié)果表明該方法可有效提高“非等同現(xiàn)澆”橋墩的耗能能力，其滯回曲線呈較飽滿的“旗幟形”［39，44］。在采用內(nèi)置耗能鋼筋時(shí)，需在墩底接縫附近設(shè)置一定長(zhǎng)度的無(wú)粘結(jié)段，以避免產(chǎn)生鋼筋應(yīng)力集中現(xiàn)象，防止耗能鋼筋過(guò)早的斷裂［46－48］。然而更強(qiáng)的耗能能力也意味著更嚴(yán)重的材料損傷，因此裝配有耗能鋼筋的“非等同現(xiàn)澆”橋墩往往也會(huì)產(chǎn)生更大的殘余變形?！胺堑韧F(xiàn)澆”橋墩的耗能能力與自復(fù)位性能之間存在難以調(diào)和的矛盾，兩者此消彼長(zhǎng)，左右互搏。一些學(xué)者提出新的耗能鋼筋方案，試圖在保持“非等同現(xiàn)澆”橋墩耗能能力的條件下減小其殘余位移［49－51］。OU 等［49］和TONG 等［50］采用高強(qiáng)鋼筋來(lái)代替普通耗能鋼筋，擬靜力試驗(yàn)結(jié)果表明高強(qiáng)鋼筋能提高橋墩的屈服后剛度，可有效減少殘余位移并提高每一加載環(huán)對(duì)應(yīng)的滯回耗能，同時(shí)還可增強(qiáng)橋墩的位移延性；CAI 等［51］提出將纖維增強(qiáng)復(fù)合材料螺紋筋（Fiber-Reinforced Polymer，F(xiàn)RP）與普通鋼筋混合使用，結(jié)果表明當(dāng)“非等同現(xiàn)澆”筋的配筋率在1.15%～1.91%時(shí)，橋墩的屈服后剛度增大了41%～63%，殘余位移減幅可達(dá)12%～23%；ROH 等［52］將形狀記憶合金（Shape Memory Alloy，SMA）鋼棒應(yīng)用至“非等同現(xiàn)澆”橋墩中，其增強(qiáng)耗能的效果弱于普通鋼筋，但殘余位移接近于0。

圖4 “非等同現(xiàn)澆”預(yù)制橋墩構(gòu)造形式演變Fig.4 Structural form evolution of the nonemulative precast columns

內(nèi)置耗能鋼筋可有效提高“非等同現(xiàn)澆”預(yù)制橋墩的耗能能力，但缺點(diǎn)是耗能鋼筋的屈服或斷裂發(fā)生在橋墩內(nèi)部，不利于更換和維修。鑒于此，眾多可更換耗能裝置被提出，以期在提高橋墩耗能能力的同時(shí)，將橋墩損傷集中在外置耗能器上而橋墩主體結(jié)構(gòu)保持彈性，這在一定程度上體現(xiàn)了基于“保險(xiǎn)絲”的損傷控制理念。例如，圖5 所示的兩種具備可恢復(fù)功能的橋墩，WHITE 等［53］對(duì)墩底一定高度范圍內(nèi)的橋墩截面進(jìn)行削弱，預(yù)留出一定空間用于耗能鋼棒的安裝，耗能鋼棒上下端均采用機(jī)械連接，周?chē)鷿仓扇コ炷?，兩次擬靜力試驗(yàn)結(jié)果表明修復(fù)前后橋墩的滯回性能相近；WANG 等［54］發(fā)展了一種類(lèi)似新型橋墩，其區(qū)別在于橋墩底部節(jié)段由核心區(qū)混凝土和4 塊可拆卸超高性能混凝土（Ultra-high Performance Concrete，UHPC）板組成，此構(gòu)造形式更為精細(xì)，一定程度上會(huì)增加預(yù)制難度，但省去了澆筑混凝土這一環(huán)節(jié)；CHOU等［55］設(shè)計(jì)了一種外置可更換耗能斜撐并將其設(shè)置在橋墩底部節(jié)段，擬靜力試驗(yàn)結(jié)果表明該構(gòu)造措施可提高橋墩的等效阻尼比，增幅可達(dá)38.5%；MARRIOTT等［56］采用兩種不同的外置可更換耗能器布置方式以提高“非等同現(xiàn)澆”預(yù)制橋墩耗能能力，發(fā)現(xiàn)外置耗能器可提供穩(wěn)定的滯回耗能能力并保護(hù)橋墩主體結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)［57－59］展示了三種不同的外置耗能器安裝形式，分別為環(huán)形項(xiàng)圈、牛腿構(gòu)造和外包鋼板，但無(wú)論采用何種形式，其目的均在于方便安裝和固定耗能器。

圖5 兩種可快速修復(fù)橋墩Fig.5 Two types of columns with rapid recovery performance

除常規(guī)的“非等同現(xiàn)澆”橋墩外，亦有學(xué)者開(kāi)展了細(xì)部構(gòu)造改進(jìn)和新型“非等同現(xiàn)澆”橋墩結(jié)構(gòu)研發(fā)工作。WANG 等［60］將“非等同現(xiàn)澆”高墩的底部預(yù)制節(jié)段與承臺(tái)固結(jié)，擬靜力試驗(yàn)結(jié)果表明該措施有利于提高橋墩的抗側(cè)強(qiáng)度和耗能能力，但殘余位移也相應(yīng)增大；ZHANG 等［61］設(shè)計(jì)了一種復(fù)合型底部節(jié)段，其內(nèi)芯為RC 現(xiàn)澆節(jié)段，并與承臺(tái)固結(jié)，外部為空心預(yù)制纖維增強(qiáng)混凝土節(jié)段，該措施可略微增大橋墩在大位移下的耗能能力；為提高橋墩底部的抗壓能力，TRONO 等［62］采用纖維增強(qiáng)混凝土建造下部墩身，并在承臺(tái)中增設(shè)了高強(qiáng)灌漿板和帶頭鋼筋，振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果表明即使在近斷層地震動(dòng)作用下該新型橋墩仍保持輕微損傷；賈俊峰等［63－64］提出將CFST 應(yīng)用于后張預(yù)應(yīng)力節(jié)段預(yù)制拼裝橋墩的結(jié)構(gòu)形式，擬靜力試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其雖具有較高的抗側(cè)能力和自復(fù)位性能，但出現(xiàn)明顯的雙塑性鉸效應(yīng)，墩底與承臺(tái)接縫處的提離量最大，其上部相鄰節(jié)段間的接縫處開(kāi)口明顯減小。為充分利用各節(jié)段強(qiáng)度、發(fā)揮材料性能和實(shí)現(xiàn)開(kāi)口均勻分布，文獻(xiàn)［64］進(jìn)一步提出了在各個(gè)接縫處外包鋼管，并采用螺栓連接，擬靜力試驗(yàn)結(jié)果初步驗(yàn)證了該方案的合理性，但無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋的預(yù)應(yīng)力損失情況較為嚴(yán)重；FANG 等［65］提出了具有SMA 碟簧限位構(gòu)造措施的新型“非等同現(xiàn)澆”橋墩，橋墩底部進(jìn)行了擴(kuò)大處理，橋墩通過(guò)四角的錨固鋼筋與承臺(tái)相連，錨固鋼筋頂部預(yù)留一定的間隙用于安裝SMA 碟簧。當(dāng)橋墩的位移超過(guò)某限值，導(dǎo)致碟簧不能繼續(xù)被壓縮后，橋墩則由搖擺體系轉(zhuǎn)變?yōu)閭鹘y(tǒng)的RC橋墩，橋墩主體開(kāi)始變形耗能。

綜上所述，國(guó)內(nèi)外學(xué)者就如何增強(qiáng)“非等同現(xiàn)澆”預(yù)制橋墩的耗能能力開(kāi)展了大量的研究工作，其中內(nèi)置耗能鋼筋這一方案已得到廣泛認(rèn)可，但存在難以維修的缺陷，以此為出發(fā)點(diǎn)，形式各異的外置可更換耗能器陸續(xù)被提出，同時(shí)也給“非等同現(xiàn)澆”預(yù)制橋墩帶來(lái)構(gòu)造形式上的變化。基于“保險(xiǎn)絲”的損傷控制設(shè)計(jì)理念，最大程度結(jié)合并發(fā)揮減震耗能裝置和高性能新材料的優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)ABC 技術(shù)的更新與進(jìn)步，發(fā)展具有“可犧牲、可更換、可控制和可恢復(fù)”等性能的可恢復(fù)功能預(yù)制橋墩體系將是橋梁工程領(lǐng)域的熱點(diǎn)課題。

2 預(yù)制橋墩數(shù)值模型研究

在橋梁抗震領(lǐng)域，數(shù)值模擬是一種重要的分析手段，若能建立準(zhǔn)確的模型，便可在減少人力物力的基礎(chǔ)

上，實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的預(yù)測(cè)，為大量的參數(shù)分析提供便利。目前，關(guān)于“等同現(xiàn)澆”橋墩的模擬較少［26－27，30，66］。TAZARV［28］發(fā)展了可用于灌漿波紋管連接的粘結(jié)滑移本構(gòu)模型；基于該模型，TAZARV［27－28］在OpenSees平臺(tái)中完成了對(duì)試件的模擬，重點(diǎn)闡述了橋墩-基礎(chǔ)界面處鋼筋本構(gòu)的修正方法；AMELI等［30］提出了一種簡(jiǎn)化模擬方法，該方法可用于灌漿套筒連接的抗震性能評(píng)估；MOHEBBI 等［66］對(duì)一雙柱墩試件進(jìn)行有限元模擬，該試件中基礎(chǔ)與橋墩的連接、橋墩與蓋梁的連接均采用承插式。而“非等同現(xiàn)澆”預(yù)制橋墩憑借其獨(dú)特的構(gòu)造特點(diǎn)、明確的受力體系和優(yōu)越的自復(fù)位性能，受到各國(guó)學(xué)者的廣泛關(guān)注和研究?！胺堑韧F(xiàn)澆”預(yù)制橋墩模型按其建模的復(fù)雜程度，依次可分為微觀實(shí)體單元模型、纖維模型、多彈簧宏觀模型和集中塑性鉸模型。下面將著重介紹幾種數(shù)值分析模型及其應(yīng)用情況。

2.1 微觀實(shí)體單元模型

基于ABAQUS 等大型有限元分析平臺(tái)的實(shí)體單元模型是重要的模擬手段之一，其優(yōu)勢(shì)在于模擬過(guò)程、結(jié)果可視化，通過(guò)應(yīng)變?cè)茍D易于發(fā)現(xiàn)橋墩的易損部位［67］，其缺點(diǎn)在于較高的計(jì)算成本和較差的收斂性。實(shí)體單元模型的建模過(guò)程中涉及材料、單元的選取，以及接縫處的接觸設(shè)置，諸多研究中都對(duì)建模方法進(jìn)行了闡述，并通過(guò)既有試驗(yàn)結(jié)果來(lái)驗(yàn)證其正確性［43，65，68－71］。ZHANG 等［70］對(duì)無(wú)耗能裝置的“非等同現(xiàn)澆”橋墩開(kāi)展了析因分析，旨在探究設(shè)計(jì)因子之間可能存在的相互作用，結(jié)果表明在確定橋墩屈服后剛度時(shí)，預(yù)應(yīng)力筋張拉度與配筋率之間存在強(qiáng)烈的相互作用，并建議橋墩總軸壓比控制在0.2 以內(nèi)；OU 等［43］采用實(shí)體單元模型來(lái)模擬設(shè)置有內(nèi)置耗能鋼筋的“非等同現(xiàn)澆”橋墩，對(duì)耗能鋼筋配筋率進(jìn)行了優(yōu)化分析，當(dāng)耗能鋼筋配筋率為0.5%左右時(shí)，可實(shí)現(xiàn)較小的殘余位移。EL GAWADY 等［71］對(duì)外包纖維增強(qiáng)復(fù)合材料管的橋墩開(kāi)展了數(shù)值研究，發(fā)現(xiàn)橋墩剪跨比、截面尺寸以及約束條件均對(duì)橋墩的性能有較大的影響。

2.2 轉(zhuǎn)動(dòng)彈簧模型

轉(zhuǎn)動(dòng)彈簧模型包括集中塑性鉸模型和集中質(zhì)量模型；其中：集中塑性鉸模型上部恒載與橋墩自重以集中質(zhì)量的形式加至頂部節(jié)點(diǎn)［39］，采用彈性梁?jiǎn)卧M墩身主體結(jié)構(gòu)，在墩底并聯(lián)兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)彈簧，如圖6（a）所示。其中：一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)彈簧為自復(fù)位彈簧，其力-位移關(guān)系為雙線性彈性，用于表示上部結(jié)構(gòu)重量及后張預(yù)應(yīng)力所提供的自復(fù)位彎矩；另一轉(zhuǎn)動(dòng)彈簧則表示耗能彎矩，需根據(jù)耗能器的類(lèi)型來(lái)選擇相應(yīng)的滯回模型，對(duì)于耗能鋼筋而言，多采用雙線性滯回模型。雙彈簧的力學(xué)參數(shù)可根據(jù)“等效懸臂梁理論”得到［55］，在雙彈簧的共同作用下，“非等同現(xiàn)澆”預(yù)制橋墩的滯回曲線呈旗幟型。PALERMO 等［39］利用該模型對(duì)試件開(kāi)展了數(shù)值模擬，并選取了兩種不同的耗能彈簧本構(gòu)，具體為彈塑性本構(gòu)和考慮包辛格效應(yīng)的滯回本構(gòu)，發(fā)現(xiàn)該模型可準(zhǔn)確捕捉“非等同現(xiàn)澆”預(yù)制橋墩在擬靜力加載下的整體行為，但不能模擬因內(nèi)部鋼筋粘結(jié)失效而導(dǎo)致的剛度退化。葛繼平等［72］在集中塑性鉸模型的基礎(chǔ)上發(fā)展了集中轉(zhuǎn)動(dòng)彈簧模型，通過(guò)在墩底設(shè)置一個(gè)零長(zhǎng)度的轉(zhuǎn)動(dòng)彈簧來(lái)反映橋墩的非線性行為，并對(duì)5種橋墩模型試件進(jìn)行數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，結(jié)果表明該方法能有效分析節(jié)段拼裝橋墩抗震性能。

圖6 兩種轉(zhuǎn)動(dòng)彈簧模型Fig.6 Two types of analytical models with rotational springs

圖6（b）所示的模型雖被稱為集中質(zhì)量模型［41］，其建模思路與集中塑性鉸模型一致，不過(guò)需在墩底設(shè)置一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)彈簧。將OpenSees 單軸材料庫(kù)中的Pinching4 賦予給該彈簧，以模擬橋墩的整體行為及卸載退化。該材料最初被開(kāi)發(fā)利用于RC 框架梁柱節(jié)點(diǎn)的模擬［73］。ZHAO 等［41］利用該模型，對(duì)文獻(xiàn)［60］中一墩高為10 m的預(yù)制橋墩進(jìn)行了數(shù)值模擬，并將模擬好的預(yù)制橋墩作為下部結(jié)構(gòu)，對(duì)一五跨連續(xù)梁橋開(kāi)展了全橋的地震響應(yīng)分析，重點(diǎn)討論了碰撞、頻率比和伸縮縫尺寸的影響。值得注意的是，Pinching4材料參數(shù)設(shè)置對(duì)模擬結(jié)果影響極大，通常需借助試驗(yàn)結(jié)果才能準(zhǔn)確定義，因此該模型難以用于新結(jié)構(gòu)的響應(yīng)預(yù)測(cè)。

集中塑性鉸模型的建立方法簡(jiǎn)易，只需賦予轉(zhuǎn)動(dòng)彈簧合適的滯回本構(gòu)即可準(zhǔn)確的模擬“非等同現(xiàn)澆”預(yù)制橋墩的整體性能，若采用集中質(zhì)量模型，可通過(guò)準(zhǔn)確定義材料參數(shù)獲得較為滿意的模擬結(jié)果。但這兩種模型又是粗糙的，沒(méi)有對(duì)接縫、無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋和耗能鋼筋進(jìn)行模擬，因此不能反映橋墩的局部響應(yīng)。

2.3 多彈簧與接縫纖維化模型

為準(zhǔn)確反映“非等同現(xiàn)澆”預(yù)制橋墩的局部變化情況，相對(duì)精細(xì)化模型的建立是有必要的。在“非等同現(xiàn)澆”預(yù)制橋墩的模擬中，接縫的處理方式是一道分水嶺，為表述方便但又不失其模型特色，本文暫且將其分為多彈簧模型和接縫纖維化模型。

2.3.1 多彈簧模型

為實(shí)現(xiàn)“非等同現(xiàn)澆”預(yù)制橋墩抗震性能的有效預(yù)測(cè)，有必要建立較為精細(xì)的數(shù)值分析模型。MARRIOTT 等［56，74］最早提出了“非等同現(xiàn)澆”預(yù)制橋墩的多彈簧模型，如圖7所示，由于接縫具有只能受壓而不能抗拉的受力特點(diǎn)，故可在接縫處布置一層接觸彈簧，并賦予其一種只能抗壓的材料本構(gòu)，為使預(yù)應(yīng)力筋單元、耗能器單元與橋墩變形協(xié)調(diào)，前兩者的節(jié)點(diǎn)與橋墩單元節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)剛臂連接。多彈簧模型的建模過(guò)程中，接觸彈簧的剛度、數(shù)量和分布模式是關(guān)鍵，MARRIOTT 等［56］提出彈簧剛度取值的經(jīng)驗(yàn)公式，并發(fā)展了一種迭代算法以期模擬結(jié)果能在強(qiáng)度、中性軸高度等方面與試驗(yàn)結(jié)果吻合；司炳君等［75］發(fā)現(xiàn)彈簧的剛度與橋墩的軸向剛度有關(guān)，并基于該模型探討了“非等同現(xiàn)澆”預(yù)制橋墩在近斷層地震動(dòng)下的響應(yīng)，研究了設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)橋墩震后殘余位移的影響；AHMADI 等［76］對(duì)彈簧設(shè)置個(gè)數(shù)開(kāi)展了優(yōu)化分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)彈簧數(shù)量達(dá)到12 個(gè)及以上時(shí)，模擬結(jié)果便已趨于穩(wěn)定；孫治國(guó)等［77］總結(jié)了多彈簧模型的建模方法。既有研究結(jié)果為多彈簧模型的建立提供了有益指導(dǎo)，但仍存在不足之處，例如彈簧分布模式對(duì)模擬結(jié)果的影響。諸多學(xué)者利用多彈簧模型完成了對(duì)“非等同現(xiàn)澆”橋墩試件的模擬，證實(shí)了該模型的可行性［56，74－78］。除此之外，孫治國(guó)等［79］設(shè)計(jì)了一種新型雙層排架墩，其上層橋墩為“非等同現(xiàn)澆”體系，上層橋墩底部設(shè)有外置角鋼，通過(guò)數(shù)值分析模型研究了該結(jié)構(gòu)的抗震性能。LI等［80］建立了以“非等同現(xiàn)澆”橋墩為下部結(jié)構(gòu)的全橋動(dòng)力分析模型，開(kāi)展了易損性分析及經(jīng)濟(jì)損失評(píng)估，并與以傳統(tǒng)RC 橋墩為下部結(jié)構(gòu)的全橋模型進(jìn)行了對(duì)比；CHEN 等［81－82］研究了帶有搖擺基礎(chǔ)的高墩橋梁，對(duì)比了多種耗能器加固方案的抗震效果。

圖7 多彈簧模型［56］Fig.7 Multi-spring model

2.3.2 接縫纖維化模型

纖維模型處理接縫的方式有兩種：其一為將接縫視為具有一定厚度的素混凝土柱或零長(zhǎng)度截面［83－87］；其二為對(duì)材料本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行修正［50，87］。葛繼平等［83］和王軍文等［84］將接縫視為一定厚度的素混凝土柱，并分別對(duì)試件開(kāi)展了數(shù)值模擬和設(shè)計(jì)方法驗(yàn)證；CAI 等［85］和MANTAWY 等［86］結(jié)合零長(zhǎng)度單元和混凝土本構(gòu)（無(wú)抗拉強(qiáng)度）來(lái)模擬接縫，CAI 等［85］完成了多根既有“非等同現(xiàn)澆”橋墩試件的數(shù)值模擬，從滯回曲線、預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力變化、接縫開(kāi)合量三個(gè)方面對(duì)比了模擬和試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了模擬方法的正確性，并開(kāi)展參數(shù)分析討論了常規(guī)參數(shù)對(duì)擬靜力荷載下殘余位移的影響；MANTAWY 等［86］采用Reinforcing Steel 材料（OpenSees 中的一種單軸材料）來(lái)模擬耗能鋼筋在往復(fù)加載中的疲勞退化，并提出一種以橋梁剛度為指標(biāo)的簡(jiǎn)易迭代算法，用于確定耗能鋼筋無(wú)粘結(jié)段長(zhǎng)度。通過(guò)全面比對(duì)某一橋梁動(dòng)力試驗(yàn)結(jié)果，完成了數(shù)值模型的驗(yàn)證，后續(xù)參數(shù)分析表明增大耗能鋼筋直徑和無(wú)粘結(jié)段長(zhǎng)度可有效延緩鋼筋斷裂；TONG 等［50］建立了“非等同現(xiàn)澆”橋墩的纖維模型，該模型并未對(duì)接縫進(jìn)行直接模擬，而是通過(guò)修正混凝土及耗能鋼筋本構(gòu)關(guān)系來(lái)間接反映橋墩的力學(xué)性能，通過(guò)對(duì)比四個(gè)試件的模擬和試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了模擬方法的合理性；WANG 等［87］為解決平截面假定失效問(wèn)題并考慮鋼筋的粘結(jié)滑移效應(yīng)，對(duì)耗能鋼筋和無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋的本構(gòu)進(jìn)行了修正，以建立滿足平截面假定的塑性鉸區(qū)纖維截面，基于此模型，研究了7個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)自復(fù)位系數(shù)的影響。

通過(guò)分析預(yù)制橋墩的現(xiàn)有數(shù)值模型和模擬方法，可以看出：不同的數(shù)值分析模型所能達(dá)到的模擬程度有所差距，一般模型越精細(xì)其計(jì)算效率也會(huì)隨之降低，故建議根據(jù)研究需求選擇合適的模擬策略，以達(dá)到計(jì)算精度與計(jì)算效率的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。例如，開(kāi)展計(jì)算量較大的全橋動(dòng)力響應(yīng)分析，轉(zhuǎn)動(dòng)彈簧模型是可取的；若要反映橋墩的局部響應(yīng)并開(kāi)展大量的參數(shù)分析，則建議采用多彈簧模型或接縫纖維化模型。但隨著新材料和新裝置的引入，新型預(yù)制裝配式橋墩與普通橋墩之間存在明顯的局部構(gòu)造差異，因此在未來(lái)的研究中，實(shí)體單元模型可能成為更主流的模擬手段。

3 未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

預(yù)制裝配式橋墩具有傳統(tǒng)現(xiàn)澆橋墩所不具備的諸多優(yōu)勢(shì)，但在推廣應(yīng)用中仍存在諸多困難。為了讓預(yù)制裝配式橋墩最大限度發(fā)揮自身優(yōu)勢(shì)，未來(lái)的研究和發(fā)展中需至少重視以下幾個(gè)方面：

（1）基于損傷控制設(shè)計(jì)理念，合理利用高性能新材料，充分發(fā)揮預(yù)制橋梁高效施工的優(yōu)勢(shì)，發(fā)展適合工程實(shí)踐的可恢復(fù)功能預(yù)制橋墩體系。

基于損傷控制和可恢復(fù)功能的設(shè)計(jì)理念，將防屈曲支撐（Buckling-restrained Brace，BRB）、自復(fù)位耗能支撐（Piston-Based Self-Centering Braces，PBSCB）和外置可更換角鋼等減震耗能裝置應(yīng)用于預(yù)制裝配式橋墩體系，如CHOU 等［55］和MARRIOTT 等［56］均采用外置可更換的耗能裝置替代內(nèi)置耗能鋼筋，以期使結(jié)構(gòu)損傷集中于耗能裝置而橋墩主體基本保持彈性；再結(jié)合纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer，CFRP）、工程水泥復(fù)合材料（Engineering Cement Composite，ECC）、超高性能混凝土、超高性能纖維混凝土（Ultra-High Performance Fiber-Reinforced Concrete，UHPFRC）和形狀記憶合金等高性能新材料，如ELGAWADY 等［88］采用FRP外包預(yù)制橋墩節(jié)段來(lái)提高預(yù)制橋墩的整體抗震性能；WANG等［54］在預(yù)制橋墩節(jié)段四周外包可更換UHPC 板、內(nèi)嵌可更換耗能鋼棒以使損傷集中在可更換構(gòu)件上；特別地，SMA 作為一種超彈性材料，其自復(fù)位性能需得以考慮和應(yīng)用；TAZARV 等［27］和VARELA 等［89］將橋墩塑性鉸區(qū)的鋼筋替換成SMA 棒，并將其分別應(yīng)用于“等同現(xiàn)澆”和“非等同現(xiàn)澆”預(yù)制橋墩中，通過(guò)擬靜力試驗(yàn)和振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)驗(yàn)證了SMA 可有效減小橋墩的殘余位移，由此可見(jiàn)SMA 在預(yù)制橋墩自復(fù)位和震后快速修復(fù)方面優(yōu)勢(shì)突出；另外，預(yù)制裝配式橋墩由理論走向工程實(shí)踐，還需考慮施工過(guò)程和快速拼裝等難題，例如SUNG 等［90］創(chuàng)造性地將預(yù)制節(jié)段從橫向和縱向細(xì)分為更多模塊，以搭接堆積的方式進(jìn)行施工，克服了傳統(tǒng)大尺寸節(jié)段墩身運(yùn)輸不便和起吊困難的缺點(diǎn)。目前，結(jié)構(gòu)損傷控制與可恢復(fù)功能理念已成為性能抗震設(shè)計(jì)理論發(fā)展背景下的前沿和熱點(diǎn)，最大程度結(jié)合并發(fā)揮減震耗能裝置和高性能新材料的優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)預(yù)制裝配技術(shù)的更新與發(fā)展，在提高預(yù)制裝配式橋墩的抗震性能的同時(shí)保證高水平的施工效率，實(shí)現(xiàn)可恢復(fù)功能預(yù)制橋墩體系在橋梁工程領(lǐng)域更好的普及和應(yīng)用。

（2）結(jié)合預(yù)制裝配技術(shù)，將采用“非等同現(xiàn)澆”形式的預(yù)制單柱式橋墩向高墩和多柱式排架墩等復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行推廣，同時(shí)結(jié)合減隔震技術(shù)實(shí)現(xiàn)預(yù)制裝配式橋墩在中高烈度地區(qū)的應(yīng)用，發(fā)展具有搖擺及自復(fù)位功能的預(yù)制裝配式高墩和排架墩體系。

搖擺自復(fù)位理念最先應(yīng)用于新西蘭Rangitikei 高墩鐵路橋，隨后有大量學(xué)者針對(duì)搖擺橋墩進(jìn)行研究，目前已在單柱式矮橋墩方面做了大量研究與應(yīng)用，而我國(guó)西部山區(qū)公路橋梁中最常見(jiàn)的高墩和橫向剛度大、抗倒塌能力強(qiáng)的雙柱式排架墩在搖擺及自復(fù)位方面的研究尚處于初步探索階段，還需要更多的試驗(yàn)和數(shù)值分析驗(yàn)證其抗震性能。在“非等同現(xiàn)澆”預(yù)制裝配式高墩方面，僅WANG 等［60］開(kāi)展過(guò)相關(guān)的擬靜力試驗(yàn)，由于缺乏大量試驗(yàn)證明，加之其更為顯著的P-Delta效應(yīng)，如何將ABC技術(shù)更好的運(yùn)用于“非等同現(xiàn)澆”預(yù)制裝配式高墩體系還有待進(jìn)一步研究。在預(yù)制裝配式排架墩方面，已有一些橋梁工程實(shí)例，如美國(guó)德克薩斯州Lake Ray Hubbard 橋、華盛頓州Lack Belton Hubbard 橋、5號(hào)州際公路橋和中國(guó)九江長(zhǎng)江大橋鐵路引橋等，但基本都處于低烈度地區(qū)。為實(shí)現(xiàn)預(yù)制裝配式橋墩在中高烈度區(qū)的應(yīng)用，韓強(qiáng)等［1］開(kāi)發(fā)了一種在承插口處設(shè)置UHPC剪力鍵的新型連接方式，試驗(yàn)和數(shù)值分析證明了該連接方式的可靠性，目前這種新型連接方式已應(yīng)用于中國(guó)京雄高速公路橋梁工程。另外，有學(xué)者提出將預(yù)制裝配技術(shù)與減隔震技術(shù)相結(jié)合的理念，MOTAREF等［91］在預(yù)制拼裝橋墩墩底節(jié)段與基礎(chǔ)之間設(shè)置橡膠隔震支座，擬靜力試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)墩底設(shè)置橡膠隔震支座可以顯著提高橋墩的延性和滯回耗能；趙建峰等［92］將鉛芯橡膠支座（Lead Rubber Bearings，LRB）引進(jìn)預(yù)制拼裝橋墩連續(xù)梁橋體系中，數(shù)值分析發(fā)現(xiàn)采用墩頂隔震體系和墩底隔震體系均可以大幅減小橋梁在地震中的位移和內(nèi)力，延長(zhǎng)橋梁自振周期；通過(guò)設(shè)置減隔震支座來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)制裝配式橋墩在中高烈度區(qū)的應(yīng)用目前已經(jīng)在工程中有所體現(xiàn)，如我國(guó)呼和浩特市道路改造提升工程。但總的來(lái)說(shuō)，目前對(duì)于預(yù)制拼裝橋墩隔震橋梁的研究較少，為了預(yù)制裝配式橋墩在中高烈度地區(qū)得以廣泛推廣與應(yīng)用，其實(shí)際抗震性能還需系統(tǒng)的理論研究和試驗(yàn)證明。未來(lái)預(yù)制裝配式高墩和排架墩體系的研究也應(yīng)當(dāng)符合損傷控制與可恢復(fù)功能設(shè)計(jì)理論的發(fā)展趨勢(shì)。利用先進(jìn)的ABC 技術(shù)，基于搖擺及自復(fù)位理念，將CFRP、UHPC 和SMA 等高性能新材料進(jìn)行合理組合，并結(jié)合BRB、PBSCB、外置可更換角鋼等減震耗能裝置和LRB、摩擦擺支座等減震隔震裝置，加大對(duì)預(yù)制裝配式高墩和排架墩體系殘余位移、耗能情況和震后可恢復(fù)功能等問(wèn)題的研究，建立一整套相應(yīng)的抗震設(shè)計(jì)方法，以實(shí)現(xiàn)預(yù)制裝配式高墩和排架墩在中高烈度地區(qū)的功能可恢復(fù)設(shè)計(jì)。

（3）利用先進(jìn)的數(shù)值模擬方法和試驗(yàn)技術(shù)，分析腐蝕與地震耦合作用下預(yù)制裝配式橋墩的損傷模式和抗震性能，揭示其經(jīng)腐蝕后局部和整體的破壞機(jī)理并發(fā)展相應(yīng)的防御措施，實(shí)現(xiàn)預(yù)制裝配式橋墩乃至整個(gè)橋梁體系在多災(zāi)害耦合作用下的可恢復(fù)功能。

多災(zāi)害耦合地震作用包括腐蝕與地震、火災(zāi)與地震、爆炸與地震等，早在1906 年美國(guó)舊金山大地震，人們就已經(jīng)認(rèn)識(shí)到多災(zāi)害地震耦合作用的危害［93］。為了發(fā)展具有可恢復(fù)功能的預(yù)制橋墩體系，應(yīng)充分考慮多災(zāi)害耦合作用的影響。預(yù)制裝配式橋墩因其預(yù)制構(gòu)件施工質(zhì)量可控、現(xiàn)場(chǎng)組裝方便等特點(diǎn)，在近?；蚩绾蛄航ㄔO(shè)中具有很好的應(yīng)用前景，因此，應(yīng)首要研究腐蝕與地震耦合作用對(duì)預(yù)制裝配式橋墩的影響。目前對(duì)經(jīng)腐蝕的預(yù)制裝配式橋墩在地震作用下的抗震性能鮮有研究，下一步工作需首先分析預(yù)制裝配式橋墩經(jīng)局部腐蝕后的抗震性能，對(duì)腐蝕程度進(jìn)行量化表達(dá)，并通過(guò)組合不同防腐措施獲取較優(yōu)防腐策略，如港珠澳大橋的“非等同現(xiàn)澆”預(yù)制橋墩中高強(qiáng)鋼筋錨固體系采用電隔離防護(hù)技術(shù)與真空灌漿的雙重防護(hù)措施［85］。為使預(yù)制裝配式橋墩及其橋梁體系滿足更高抗震需求、更高使用壽命需求和更高環(huán)境保護(hù)需求，后期研究需盡可能采用數(shù)值模擬分析與試驗(yàn)相結(jié)合的方式，揭示腐蝕程度對(duì)預(yù)制裝配式橋墩在地震作用下的損傷破壞模式和抗震性能的影響規(guī)律，了解不同加載路徑對(duì)預(yù)制裝配式橋墩力學(xué)行為的影響，掌握預(yù)制裝配式橋墩經(jīng)腐蝕后局部和整體的破壞機(jī)理。這對(duì)研究腐蝕與地震耦合作用下預(yù)制裝配式橋墩的抗震性能退化問(wèn)題和發(fā)展相應(yīng)的防御措施，對(duì)實(shí)現(xiàn)橋墩乃至整個(gè)橋梁體系在多災(zāi)害耦合作用下的可恢復(fù)功能具有重要意義。

（4）利用先進(jìn)的數(shù)值模擬方法和試驗(yàn)技術(shù)，分析現(xiàn)有預(yù)制裝配式橋墩連接類(lèi)型的抗震性能，并基于預(yù)制裝配施工快速方便等理念，發(fā)展一種預(yù)制橋墩性能綜合評(píng)估方法。

對(duì)連接類(lèi)型抗震性能的有限認(rèn)知是橋梁快速施工向中高烈度地震區(qū)推廣的主要障礙，因此國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究也大多聚焦于連接的抗震性能。如王志強(qiáng)等［10］比較了灌漿套筒及灌漿波紋管拼接構(gòu)造下預(yù)制混凝土橋墩的破壞形態(tài)、損傷部位，并從剛度、延性、耗能、殘余變形等方面描述了不同連接試件的抗震性能；除此之外，PARK 等［94］提出以保護(hù)層混凝土開(kāi)裂、軸向鋼筋屈服、軸向鋼筋斷裂作為裝配式橋墩抗震性能的定量評(píng)價(jià)指標(biāo)。但若要全面地對(duì)某種連接形式做出評(píng)估，單一的抗震性能指標(biāo)是不夠的。比如，預(yù)制裝配式橋墩的連接系統(tǒng)既要具備優(yōu)越的抗震性能，也要滿足施工快速方便這一基本要求。美國(guó)NCHRP 計(jì)劃提出了一種綜合評(píng)估方法［12］，評(píng)估內(nèi)容包括成熟度評(píng)估、“省時(shí)潛力”評(píng)估和“性能潛力”評(píng)估。卓為頂?shù)龋?5］基于NCHRP 計(jì)劃［12］，綜合考慮環(huán)境、橋位特點(diǎn)、施工質(zhì)量可控性、抗震性能等因素及權(quán)重，提出一種預(yù)制裝配橋墩連接構(gòu)造選擇的評(píng)定方法。目前國(guó)內(nèi)外提出的預(yù)制裝配式橋墩連接構(gòu)造綜合評(píng)估方法還很少，并且已經(jīng)提出的評(píng)估方法帶有主觀性和經(jīng)驗(yàn)性。因此，優(yōu)化和發(fā)展一種能精確、綜合的評(píng)估預(yù)制裝配式橋墩連接構(gòu)造的方法顯得尤為重要。

4 結(jié)語(yǔ)

預(yù)制裝配式橋墩具有傳統(tǒng)現(xiàn)澆橋墩所不具備的諸多優(yōu)勢(shì)，但其是否可用于中高烈度地震區(qū)仍面臨質(zhì)疑與挑戰(zhàn)，主要障礙在于預(yù)制部件之間的連接問(wèn)題?！暗韧F(xiàn)澆”連接抗震性能與傳統(tǒng)現(xiàn)澆橋墩相似，其損傷問(wèn)題亦類(lèi)似于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，目前“等同現(xiàn)澆”連接相對(duì)成熟，尤其是灌漿套筒連接已經(jīng)應(yīng)用于諸多工程，但是為了實(shí)現(xiàn)其在中高烈度區(qū)的推廣和應(yīng)用，還需要進(jìn)行大量理論及試驗(yàn)研究工作?！胺堑韧F(xiàn)澆”橋墩在控制地震損傷和自復(fù)位方面表現(xiàn)較好，但其耗能能力與自復(fù)位性能之間互為矛盾，未來(lái)發(fā)展具有“可犧牲、可更換、可控制和可恢復(fù)”等性能的可恢復(fù)功能預(yù)制橋墩體系將是橋梁工程領(lǐng)域的熱點(diǎn)課題。但不論是“等同現(xiàn)澆”還是“非等同現(xiàn)澆”預(yù)制橋墩，都存在預(yù)制構(gòu)件尺寸大不易起吊等不契合快速施工理念的缺點(diǎn)，故發(fā)展裝配效率更高的新型橋墩拼裝體系顯得尤為重要。隨著新材料、新裝置的發(fā)展與應(yīng)用，新型預(yù)制裝配式橋墩與傳統(tǒng)RC 橋墩之間的構(gòu)造差異將更加明顯，分析中應(yīng)用更加精細(xì)的有限元模型將成為必然。隨著我國(guó)交通網(wǎng)絡(luò)的迅猛發(fā)展，預(yù)制裝配式橋墩越來(lái)越符合新的發(fā)展需求。為實(shí)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)建造的預(yù)制裝配工業(yè)化，必須重視以下幾點(diǎn)：加強(qiáng)預(yù)制裝配式橋墩與高性能新材料及減隔震技術(shù)的結(jié)合，推動(dòng)其在中高烈度區(qū)的應(yīng)用；充分考慮多災(zāi)害耦合作用的影響，盡可能減少預(yù)制裝配式橋墩在惡劣環(huán)境下的性能退化；優(yōu)化和發(fā)展一種精確、綜合的評(píng)估方法，為工程實(shí)際中預(yù)制裝配式橋墩連接構(gòu)造的選擇提供依據(jù)。