承插式預(yù)制裝配式與現(xiàn)澆整體橋墩受力對(duì)比分析

茍文杰, 方詩圣, 汪加青, 方 晉, 章守峰

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥 230009;2.中鐵四局集團(tuán)有限公司 第七工程分公司,安徽 合肥 230022)

近年來,國(guó)家發(fā)出了“積極推進(jìn)建筑工業(yè)化”的號(hào)召,新型建筑工業(yè)化已經(jīng)成為我國(guó)建筑業(yè)的必然發(fā)展方向。針對(duì)承插式連接,文獻(xiàn)[1]對(duì)承插式連接墩柱-基礎(chǔ)的連接構(gòu)造進(jìn)行了擬靜力試驗(yàn)研究,剖析了樁基內(nèi)部應(yīng)力的傳遞機(jī)理,依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果推導(dǎo)出水平力與豎向力作用下承插柱和基礎(chǔ)節(jié)點(diǎn)受力計(jì)算公式,但是該研究基于特定尺寸與特定的連接方式,不具有代表性;文獻(xiàn)[2]先后針對(duì)房屋建筑中柱子-基礎(chǔ)承插式連接中有剪力鍵和無剪力鍵情況下連接處節(jié)點(diǎn)的受力性能進(jìn)行了深入研究,研究中承插式墩柱與承臺(tái)間采用鍍鋅波紋管包裹的灌漿承插式連接,依靠波紋管與灌漿料之間的咬合力類似于該種剪力鍵的受力形式,且施工更方便;文獻(xiàn)[3]采用擬靜力試驗(yàn)方法比較承插式和節(jié)段式2種裝配式構(gòu)建連接方式在單軸循環(huán)荷載作用下的滯回曲線、骨架曲線、延性性能、耗能能力、殘余變形以及墩柱曲率分布的異同;文獻(xiàn)[4]對(duì)3個(gè)墩柱進(jìn)行了擬靜力試驗(yàn),其中包括1個(gè)現(xiàn)澆墩柱和2個(gè)采用承插式連接的裝配式墩柱,結(jié)果表明承插式橋墩有較好的抗震性能;文獻(xiàn)[5]采用 ANSYS 建立了多個(gè)承插式橋墩有限元模型,分析了包括軸壓比、深高比、配筋率、剪跨比等因素對(duì)墩柱、承臺(tái)受力特性的影響;文獻(xiàn)[6]開展承插式裝配式墩柱的振動(dòng)臺(tái)試件研究,試驗(yàn)試件分別為預(yù)應(yīng)力單柱墩和雙柱墩,單柱墩承插深度取1.0D,雙柱墩的承臺(tái)與墩柱、墩柱與蓋梁都采用承插式連接;文獻(xiàn)[7]通過試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬研究,提出了承插式連接節(jié)點(diǎn)的最小承插深度,通過設(shè)計(jì)縮尺試驗(yàn)深入研究了在地震荷載作用下承插深度取值對(duì)裝配式承插墩柱的抗震性能的影響。國(guó)內(nèi)外對(duì)裝配式結(jié)點(diǎn)的研究較多[8],但是研究對(duì)象主要集中在預(yù)制墩柱與擴(kuò)大基礎(chǔ),而且研究重點(diǎn)多為裝配式墩柱的抗震性能以及承插式連接的最小合理承插深度,對(duì)于承插式墩柱與承臺(tái)連接相較于現(xiàn)澆的力學(xué)性能對(duì)比研究較少。

本文以實(shí)際工程為依托,建立裝配式下部結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型和現(xiàn)澆式下部結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型,借用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行整體對(duì)比,分析承插式連接與現(xiàn)澆施工橋墩的位移和應(yīng)力狀態(tài)。驗(yàn)證承插式連接橋墩可以保證工程質(zhì)量,同時(shí)滿足快速施工的需要。

1 承插式連接簡(jiǎn)介

1.1 承插式連接

承插式連接最早出現(xiàn)在預(yù)制裝配廠房建設(shè)中,即在澆筑好部分承臺(tái)并達(dá)到一定強(qiáng)度后再吊裝橋墩,然后采用高強(qiáng)封漿料澆筑剩余部分承臺(tái),依靠高強(qiáng)灌漿料在墩柱與承臺(tái)之間形成較強(qiáng)的粘結(jié)力。承插式連接因其有不需要預(yù)埋多余的工裝、施工工序簡(jiǎn)單、容許誤差較大同時(shí)受力性能良好的特點(diǎn),在上述連接所有方式中具有較大的發(fā)展優(yōu)勢(shì)[9]。本工程中橋墩墩底采用鍍鋅波紋管包裹,承臺(tái)內(nèi)部表面也包裹鍍鋅波紋管,中間澆筑高強(qiáng)灌漿料,在兩層波紋管之間形成較強(qiáng)的機(jī)械咬合力的穩(wěn)定連接。承插式連接如圖1所示。

圖1 承插式連接

1.2 后澆杯口的承插式連接

對(duì)于濟(jì)南—祁門高速公路淮南—合肥段壽縣淮河特大橋引橋工程,研究人員認(rèn)為傳統(tǒng)預(yù)制拼裝橋墩接頭的抗剪、抗震力學(xué)性能較差,連接部位的混凝土易發(fā)生脫落現(xiàn)象。為此提出了一種將預(yù)制空心橋墩利用墩底定位墩定位,周邊與承臺(tái)通過后澆杯口連接,連接處設(shè)有剪力釘或剪力齒用于增強(qiáng)抗剪性能,采用定位墩的后澆杯口連接，如圖2所示。該連接方式可改善橋梁墩柱受力性能,減小現(xiàn)場(chǎng)焊接及混凝土澆筑的工作量,降低施工成本。但該方式實(shí)際施工操作難度較大,容易出現(xiàn)安裝過程中損壞定位墩的問題,且后澆杯口與承臺(tái)的界面連接強(qiáng)度不易保證。

圖2 采用定位墩的后澆杯口連接

2 工程概況及監(jiān)測(cè)方案

2.1 工程概況

京臺(tái)改擴(kuò)建高速公路泰安至棗莊第三合同段工程,裝配式橋墩、蓋梁的三維立體圖如圖3所示,橋墩高約13 m。墩柱與承臺(tái)連接為承插式連接,采用大直徑鋼波紋管(厚為2 mm)并填充高強(qiáng)灌漿料互咬工藝。墩柱與蓋梁采用預(yù)留金屬波紋管灌漿錨固技術(shù),在蓋梁上預(yù)留灌漿波紋管孔道用于與墩柱頂端預(yù)留鋼筋錨固。

圖3 裝配式下部結(jié)構(gòu)橋型布置圖

2.2 監(jiān)測(cè)方案

為驗(yàn)證采用裝配式橋梁下部結(jié)構(gòu)的合理性與可行性。開展裝配式橋梁與現(xiàn)澆橋梁梁板安裝過程中下部結(jié)構(gòu)受力施工監(jiān)測(cè),研究2種形式的橋梁安裝過程中墩柱受力特性與區(qū)別。

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方案采用的儀器為JMZX-215HAT型表面智能數(shù)碼弦式應(yīng)變計(jì)與JMQJ-7315AS測(cè)斜探頭組合,測(cè)量杯口位置及預(yù)制混凝土墩柱的應(yīng)變。

監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置圖如圖4所示。

圖4 橋墩、承臺(tái)測(cè)點(diǎn)布置圖

通過數(shù)值模擬分析可知,墩柱中主要存在剪力和軸力,蓋梁中主要存在剪力和彎矩。為監(jiān)測(cè)承插式連接的傳力機(jī)理,在墩柱與承臺(tái)連接的部位設(shè)置3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面E、F、G,每個(gè)斷面均設(shè)置4個(gè)應(yīng)變計(jì)。在杯口位置設(shè)置3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面A、B、C,每個(gè)斷面均設(shè)置4個(gè)應(yīng)變計(jì),且BC=AC=EF=FG=45 cm 、AE=30 cm。在預(yù)制墩柱頂部設(shè)置1個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，分布2個(gè)測(cè)斜探頭,監(jiān)測(cè)大橋橋墩墩頂?shù)奈灰魄闆r。

3 數(shù)值模擬與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

3.1 數(shù)值計(jì)算模型

考慮到公路橋墩、承臺(tái)在空間中的復(fù)雜受力狀態(tài),本文采用大型有限元通用軟件ANSYS進(jìn)行數(shù)值模擬,分別建立預(yù)制拼裝與現(xiàn)澆的實(shí)體模型,分析在架梁荷載作用下墩柱的受力狀態(tài)。

3.1.1 實(shí)體模型設(shè)計(jì)

依據(jù)京臺(tái)改擴(kuò)建高速公路泰安至棗莊第三合同段工程,本研究涉及的該工程段15號(hào)、16號(hào)橋墩分別采用裝配式施工與現(xiàn)澆施工,施工現(xiàn)場(chǎng)采用的裝配式下部結(jié)構(gòu)尺寸如圖5所示。裝配式橋墩墩身采用C40實(shí)心圓柱型橋墩,直徑D1=1.4 m,高度H=13.69 m;保護(hù)層厚度為50 mm,均勻分布28根φ28縱向主筋;蓋梁、承臺(tái)均采用C40混凝土,地系梁為C30混凝土。實(shí)體模型為簡(jiǎn)化工程問題,忽略現(xiàn)澆濕接縫的影響,認(rèn)為2個(gè)蓋梁之間連接良好、受力協(xié)調(diào),建立整體蓋梁模型。

圖5 裝配式結(jié)構(gòu)立面圖

3.1.2 單元選擇

在ANSYS中鋼筋混凝土構(gòu)件有限元建模主要分為分離式、整體式、混合式建模3種方式,本文采用分離式建模,將鋼筋與混凝土分開建模賦予不同的單元類型。

2種施工工藝的實(shí)體模型均采用Solid185單元(模擬M50 封漿料)、Link8單元(模擬鋼筋)、Solid 65單元(模擬混凝土)、Shell 181單元(模擬鋼波紋管)、Target 170 和 Contact 174 單元(模擬接觸)[10-11]。

為簡(jiǎn)化模型,減小計(jì)算量和增加模型收斂能力,在建模過程中只建立縱向主筋,箍筋和其他構(gòu)造鋼筋彌散分布到混凝土構(gòu)件中,本文采用一種等效的方法,將鋼筋的彈性模量分配給相鄰混凝土,達(dá)到強(qiáng)化整體模型使計(jì)算更加精確的目的。具體的折算公式為:

E(A1+A2)=E1A1+E2A2。

化簡(jiǎn)得:

其中:E為折算后的混凝土彈性模量;E1、E2分別為混凝土和鋼筋的彈性模量;A1、A2分別為混凝土和鋼筋的截面面積。

本文假定鋼筋為各項(xiàng)同性材料,鋼筋本構(gòu)模型采用BKIN雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型。該模型遵循Mises屈服準(zhǔn)則和隨動(dòng)強(qiáng)化準(zhǔn)則,用2條直線段描述材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,適用于初始為各項(xiàng)同性材料的小應(yīng)變問題。認(rèn)為混凝土材料為理想彈塑性材料,忽略現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制時(shí)的缺陷;混凝土本構(gòu)采用MISO多線性等向強(qiáng)化模型,適合用于模擬分級(jí)加載和塑性的大應(yīng)變情況。

3.1.3 橋墩承插式連接模擬

裝配式下部結(jié)構(gòu)的模擬重點(diǎn)在裝配式結(jié)點(diǎn)的模擬,對(duì)于承插式連接，文獻(xiàn)[6]采用嵌巖樁模型、地基反力系數(shù)法，用非線性彈簧來模擬灌漿料作用;文獻(xiàn)[4]使用ANSYS模擬承插式墩柱,應(yīng)用ANSYS中的接觸模塊進(jìn)行模擬,在接觸面之間定義接觸單元,并賦予同樣的實(shí)常數(shù)號(hào)，在將要模擬接觸的平面表面生成一層接觸單元,通過調(diào)節(jié)接觸方式和摩擦系數(shù)來模擬接觸行為。本文采用ANSYS建立橋梁下部結(jié)構(gòu)的模型,整體的有限元模型如圖6所示。

圖6 整體有限元模型網(wǎng)格

承臺(tái)局部的有限元模型如圖7所示,圖7中，內(nèi)圈為灌漿料；外圈為現(xiàn)澆承臺(tái)。針對(duì)承插式杯口,采用ANSYS中MPC建立多點(diǎn)約束的功能模擬墩柱表面波紋管與灌漿料的接觸和承臺(tái)表面波紋管與灌漿料的接觸。形成的接觸模型如圖8所示。

圖7 承臺(tái)局部細(xì)化網(wǎng)格

圖8 MPC約束單元

3.1.4 荷載工況及邊界條件

進(jìn)行裝配式下部結(jié)構(gòu)架梁過程分析時(shí)僅考慮預(yù)制構(gòu)件的自重和架橋機(jī)(230 t)的重力荷載。主梁采用C50混凝土的預(yù)制小箱梁,自重采用MidasCivil計(jì)算的支座反力施加在支座上。架橋機(jī)的荷載和作用點(diǎn)按照實(shí)際架梁位置進(jìn)行簡(jiǎn)化,以面荷載的形式施加在蓋梁上。架梁時(shí)落梁次序如圖9所示(單位m),順橋向從1#梁至7#梁依次作業(yè)。荷載工況見表1所列。

由于該工程采用的鉆孔灌注樁承載能力較好,且周圍土體與承臺(tái)接觸對(duì)計(jì)算結(jié)果并無影響,本文將樁基礎(chǔ)和承臺(tái)、系梁底部的土層視為固定約束,周圍土體與擴(kuò)大基礎(chǔ)對(duì)承臺(tái)與系梁的約束考慮接觸面法向約束(即約束水平位移)。本文的分析為彈性范圍內(nèi)分析,忽略鋼筋與混凝土之間的滑移以及墩底與承臺(tái)接觸部位的摩擦力。

圖9 架梁次序

表1 荷載工況

3.2 計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)架梁的實(shí)際施工過程,使用ANSYS對(duì)該過程進(jìn)行數(shù)值模擬,并與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)匯總的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。文獻(xiàn)[6]研究表明承插式墩柱的孔壁最大應(yīng)力位置分布在杯口頂部,數(shù)值模擬結(jié)果符合此結(jié)論，且監(jiān)測(cè)結(jié)果亦表明在承臺(tái)杯口頂部受力后應(yīng)變反應(yīng)最大。因此,選取杯口位置的測(cè)點(diǎn)(E組)及墩柱接近杯口頂部測(cè)點(diǎn)(A組)進(jìn)行對(duì)比,對(duì)比結(jié)果如圖10所示。由ANSYS計(jì)算的預(yù)制構(gòu)件受力應(yīng)變曲線可知,在實(shí)際架梁過程中預(yù)制構(gòu)件的受力十分復(fù)雜,受力的情況與梁架設(shè)的位置關(guān)系最大。從圖10可以看出,ANSYS模型計(jì)算分析結(jié)果具有較高的精度,該模型可以較好地反映實(shí)際墩柱的受力、變形情況。

圖10 試件應(yīng)變值模擬數(shù)據(jù)與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

3.3 有限元分析

采用ANSYS建立現(xiàn)澆排架墩柱模型,尺寸和邊界條件與裝配式墩柱完全相同。同時(shí)建立直徑D2=1.2 m、D3=1.3 m、D4=1.5 m、D5=1.6 m的裝配式墩柱,僅控制墩柱直徑為單一變量,嚴(yán)格控制墩柱配筋率,蓋梁尺寸、承插杯口壁厚和承插深度等變量完全一致。為對(duì)6個(gè)模型分別進(jìn)行靜力加載分析,荷載分為10步施加,每步施加4 200 kN,最終加載至42 000 kN。繪制6種結(jié)構(gòu)的荷載-位移曲線與荷載-應(yīng)力曲線如圖11、圖12所示?？紤]到正常使用工況,未加載至極限載荷。

從圖11、圖12可以看出,在不同豎向荷載作用下,裝配式橋墩和現(xiàn)澆橋墩的最大位移值較接近,隨著荷載增加,在使用荷載工況范圍內(nèi),位移呈線性增長(zhǎng)。在應(yīng)力方面裝配式結(jié)構(gòu)的應(yīng)力較現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)稍大,造成該結(jié)果的原因可能是墩柱與承臺(tái)采用的波形紋理處混凝土與灌漿料相互擠壓導(dǎo)致的。

由上述分析表明,在不同等級(jí)的豎向荷載工況下,采用承插式鍍鋅波紋管連接的裝配式橋墩受力性能與現(xiàn)澆橋墩受力性能相近,承受豎向工作載荷的能力基本一致。

圖11 2種施工方式的荷載-位移曲線

圖12 2種施工方式的荷載-應(yīng)力曲線

4 結(jié) 論

本文結(jié)合京臺(tái)高速公路泰安—棗莊第三合同段改擴(kuò)建工程,對(duì)裝配式下部結(jié)構(gòu)和現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入研究,得出以下結(jié)論:

(1) 在頂部的豎向荷載作用下,裝配式橋墩與現(xiàn)澆橋墩蓋梁中部的豎向位移差值在2 mm以內(nèi)。

(2) 在豎向荷載作用下,隨著荷載的增加,承插式墩柱最大應(yīng)力增速比現(xiàn)澆墩柱稍大,約高出 20%,受力后的應(yīng)力變化趨勢(shì)與現(xiàn)澆橋墩一致。表明設(shè)計(jì)時(shí)在杯口區(qū)域配置相應(yīng)的受力鋼筋,可達(dá)到與現(xiàn)澆墩柱相同的受力性能。

(3) 數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明,不同直徑墩柱對(duì)于橋墩的承載能力影響較大,尤其是應(yīng)力水平。在設(shè)計(jì)時(shí)綜合成本與橋梁安全性的考慮下,建議選擇較大直徑橋墩。