新型承插式預(yù)制橋墩接口連接力學(xué)性能研究

尹啟政，鄧敦毅，蘇志曄，周岐文，李明東

（1.山東交通學(xué)院 交通土建工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250357；2.中化學(xué)交通建設(shè)集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250102；3.山東省路橋集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250021；4.北京市政建集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100079）

引言

承插式橋墩的連接方式按澆筑順序可以分為現(xiàn)澆連接和后澆連接兩種［1］，其中現(xiàn)澆連接是指預(yù)制場預(yù)制橋墩，運(yùn)輸至現(xiàn)場定位后現(xiàn)澆承臺(tái)的連接方式，而后澆連接是指預(yù)制場預(yù)制橋墩，現(xiàn)場澆筑承臺(tái)，然后運(yùn)輸橋墩至現(xiàn)場裝配定位，在接縫處灌入灌漿料連接［2］。后澆承插式橋墩與現(xiàn)澆連接以及其他連接方式相比，施工容許誤差大，施工工序簡單，無需特殊施工裝備且施工周期相近，是一種極具潛力的施工方式［3］。

1 工程概況

滕州高架標(biāo)段屬京臺(tái)高速公路泰安至棗莊（魯蘇界）段改擴(kuò)建工程，路線起于濟(jì)寧市和棗莊市交界處的于元村北側(cè)，現(xiàn)狀京臺(tái)高速公路樁號(hào)K575+480 處。路線沿現(xiàn)狀京臺(tái)高速向南布線，設(shè)滕州北樞紐與在建棗菏高速進(jìn)行交通轉(zhuǎn)換，遷建滕州互通，終點(diǎn)樁號(hào)K618+200，路線長42.72 km。

滕州高架段左幅144#、145#墩柱、蓋梁采用裝配式施工工藝，本標(biāo)段高架橋裝配式橋墩采用灌漿連接的預(yù)制拼裝施工工藝。由于預(yù)制拼裝工藝對于構(gòu)件精度的要求嚴(yán)格，預(yù)制墩柱鋼筋籠及套管的安裝精度嚴(yán)格控制在±2 mm 范圍之內(nèi)，故而墩柱構(gòu)件采用先工廠預(yù)制生產(chǎn)，后運(yùn)至工程現(xiàn)場安裝的方式。

預(yù)制墩柱采用直墩柱，單個(gè)墩柱斷面為矩形，采用雙墩柱形式。承臺(tái)系梁混凝土等級(jí)C40。預(yù)制墩柱混凝土等級(jí)C40，采用立式澆筑工藝，混凝土一次性澆筑完成。墩柱主筋采用HRB400 的Φ24 鋼筋，箍筋采用HRB400 的Φ12 鋼筋。墩柱底部為混凝土，四周預(yù)埋3 mm 厚鍍鋅金屬波紋管，伸入承臺(tái)，與承臺(tái)間灌注高強(qiáng)灌漿料。見圖1。

圖1 裝配式橋墩結(jié)構(gòu)/cm

2 承插式預(yù)制橋墩施工關(guān)鍵工藝流程

選取滕州高架橋左幅145#墩柱進(jìn)行首件預(yù)制、運(yùn)輸、安裝施工。主要施工步驟：（1）預(yù)制場預(yù)制橋墩，橋墩底部四周預(yù)埋鍍鋅金屬波紋管，高度為160 cm；波紋管上部105 cm 處預(yù)埋Φ45 mmPVC 管，長度為20 cm；墩柱底部預(yù)埋吊裝用鋼絞線；在墩頂、底標(biāo)定十字定位標(biāo)記。（2）在承臺(tái)上標(biāo)記墩柱定位用十字線，將承臺(tái)連接界面混凝土進(jìn)行鑿毛。（3）吊裝預(yù)制橋墩，利用定位標(biāo)記進(jìn)行就位，并旋轉(zhuǎn)墩柱使墩柱主筋位置與設(shè)計(jì)位置一致；下放墩柱，利用十字標(biāo)記確定墩柱位置并使用木楔子進(jìn)行臨時(shí)固定。（4）安裝牛腿、千斤頂，利用墩柱四周4 個(gè)千斤頂臨時(shí)固定墩柱并微調(diào)豎直度。（5）灌注高強(qiáng)混凝土灌漿料，灌漿料強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后拆除牛腿、千斤頂?shù)榷ㄎ谎b置，并對預(yù)埋PVC 管管孔進(jìn)行灌封。

3 數(shù)值模擬

采用ABAQUS 有限元分析軟件建立三維實(shí)體模型，為提高計(jì)算效率，墩柱、灌漿料、承臺(tái)以及波紋管采用八節(jié)點(diǎn)線性六面體單元（C3D8R），鋼筋采用兩節(jié)點(diǎn)線性三維桁架單元（T3D2）［4］，其中承臺(tái)、橋墩采用C40 混凝土，灌漿料采用C60 早強(qiáng)混凝土，波紋管鋼材采用Q345 鋼材，厚度為3 mm，見表1。

表1 材料特性和單元類型

邊界條件為承臺(tái)底部完全固結(jié)，各構(gòu)件之間的接觸采用ABAQUS 中的通用接觸，接觸屬性法向方向選擇默認(rèn)硬接觸，切向方向采用庫倫摩擦，定義摩擦系數(shù)為0.5，選擇有限滑移，不考慮接觸面黏結(jié)力［5］。有限元模型見圖2、圖3，選用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50010—2010）［6］中的本構(gòu)模型。

圖2 承插式連接結(jié)構(gòu)有限元模型

圖3 現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)有限元模型

繪制力-位移曲線圖，橫坐標(biāo)表示加載步驟（分五級(jí)進(jìn)行加載，每級(jí)加載5 mm 位移，最終加載位移至25 mm），豎坐標(biāo)表示水平力的大?。?］，見圖4。

圖4 模型力-位移曲線

承插式連接構(gòu)件混凝土開裂時(shí)的墩頂位移為1.48 mm，對應(yīng)的水平力大小為137.71 kN，鋼筋屈服時(shí)的墩頂位移為7.35 mm，對應(yīng)的水平力大小為368.96 kN；整體現(xiàn)澆構(gòu)件混凝土開裂時(shí)的墩頂位移為1.13 mm，對應(yīng)的水平力大小為138.78 kN，鋼筋屈服時(shí)的墩頂位移為7.11 mm，對應(yīng)的水平力大小為362.91 kN，兩種模型在混凝土開裂以及鋼筋屈服點(diǎn)的水平力和位移大小非常接近，說明承插式連接方式與整體現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)和變形狀態(tài)基本一致。兩種模型在初期彈性剛度以及屈服后剛度變化趨勢基本相同，說明承插式構(gòu)件與整體現(xiàn)澆構(gòu)件具有一致協(xié)同受力特點(diǎn)承插式預(yù)制橋墩接口的連接方式較為可靠［8］。

圖5、圖6 中在25 mm 最大位移作用下，金屬波紋管承受承臺(tái)反力上、下部區(qū)域灌漿料壓應(yīng)力大小分別為53.04 MPa、34.61 MPa，灌漿料其他位置均為受拉狀態(tài)，最大拉應(yīng)力為2.25 MPa?？梢哉f明在承插式連接方式中，灌漿料材料強(qiáng)度應(yīng)該遠(yuǎn)高于橋墩及承臺(tái)選用材料的強(qiáng)度［9］。

圖5 灌漿料受力云圖

圖6 橋墩承插端承受反力狀況

4 結(jié)語

（1）預(yù)埋鍍鋅金屬波紋管的預(yù)制橋墩采用承插式連接方式可以滿足環(huán)保、低精度高質(zhì)量的快速施工要求。（2）通過在承臺(tái)內(nèi)表面和橋墩外表面預(yù)埋鍍鋅金屬波紋管，可以提高與灌漿料連接面的結(jié)合強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)整體性更好。（3）預(yù)埋鍍鋅金屬波紋管的承臺(tái)與橋墩的承插式連接方式在水平推覆力作用下具有一致協(xié)同受力特點(diǎn)。（4）承插式連接方式中灌漿料相較橋墩和承臺(tái)，需要承擔(dān)更大的壓應(yīng)力，故在實(shí)際工程應(yīng)用中應(yīng)選用更高強(qiáng)度的高強(qiáng)灌漿料。