榫卯-灌漿套筒混合連接裝配式方墩軸壓性能研究

摘要：已有研究表明，榫卯-灌漿套筒混合連接裝配式方墩（簡稱混合連接拼裝橋墩）的抗震性能接近于整體現(xiàn)澆橋墩。為進(jìn)一步探討混合連接拼裝橋墩的軸壓性能，以鋼管的長度、直徑以及壁厚等為變化參數(shù)，進(jìn)行1個(gè)整體現(xiàn)澆橋墩（編號ZT）和4個(gè)混合連接拼裝橋墩（編號GTA-0～GTD-0）的軸壓承載力試驗(yàn)，結(jié)果表明，GTA-0～GTD-0試件的承載力比ZT試件提高了10.1%～14.4%，其延性系數(shù)均大于ZT試件；GTA-0～GTD-0試件的軸壓承載力隨鋼管直徑和長度的增大而增大，而鋼管壁厚對于試件承載力的影響較?。黄囱b橋墩的破壞位置隨著鋼管長度的增加而上移，逐漸接近于整體現(xiàn)澆橋墩，但二者的破壞模式基本相同。

關(guān)鍵詞：裝配式；混合接頭；軸壓試驗(yàn)；橋墩；承載力

中圖分類號：U433.22 " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A " " "文章編號：1000-582X（2024）06-058-10

Experimental study on axial compressive performance of assembled square pier with tenon and mortar sleeve hybrid connection

LIN Shangshun1， HE Yue1， XIA Zhanghua2， QIN Zhiqing3， ZHANG Letong2， CHEN Zhixiong4

（1. Fujian Provincial Key Laboratory of Advanced Technology and Information in Civil Engineering， Fujian University of Technology， Fuzhou 350118， P. R. China; 2. School of Civil Engineering， Fuzhou University， Fuzhou 350108， P. R. China; 3. Fujian Transportation Planning and Design Institute， Fuzhou 350004， P. R. China; 4. Fujian Rongsheng Municipal Engineering Co.， Ltd.， Fuzhou 350002， P. R. China）

Abstract： Existing studies have shown that the seismic performance of the mortise and grouting sleeve mixed connection assembled square pier （referred to as the mixed connection assembled pier） is close to that of the integral cast-in-place pier. In order to further explore the axial compression performance of the mixed-connected bridge piers， a series of axial compressive tests were conducted on one integral cast-in-place bridge pier （No. ZT） and four mixed connection and assembled bridge piers （No. GTA-0～GTD-0） with varying parameters such as the length， diameter and wall thickness of the steel pipes. The results show that the bearing capacity of GTA-0～GTD-0 specimens increased by 10.1% to 14.4% compared to the ZT specimens， and their ductility coefficients were all greater than that of ZT specimens. The axial compression bearing capacity of GTA-0～GTD-0 specimens increased with the diameter and length of the steel pipe， while the wall thickness of the steel pipe had a relatively minor impact on the bearing capacity. The damage position of the assembled bridge pier moves upward with the increase of the steel pipe length， gradually approaching the integral cast-in-place bridge pier， but the failure modes of the two are basically the same.

Keywords： assembled; mixed joint; axial compression test; bridge pier; bearing capacity

預(yù)制拼裝橋墩已經(jīng)在國內(nèi)外橋梁工程中得到廣泛的應(yīng)用[1?7]，其拼接構(gòu)造主要采用預(yù)應(yīng)力筋連接、承插式連接、灌漿套筒等[8?9]。各種連接方式都有其優(yōu)勢，但也存在不足之處，如預(yù)應(yīng)力筋連接的造價(jià)較高且施工困難；承插式連接構(gòu)造由于預(yù)制橋墩全截面插入承臺，難免對承臺的強(qiáng)度有一定的削弱；而灌漿套筒連接拼裝橋墩在接頭處多采用平縫，在水平荷載作用下可能出現(xiàn)開合或相對錯(cuò)動(dòng)，成為整個(gè)橋墩的受力薄弱環(huán)節(jié)等。

為改善拼裝橋墩在接頭處的力學(xué)性能且提高拼接施工效率，歐智菁等[10]提出了榫卯-灌漿套筒連接裝配式橋墩（簡稱混合連接拼裝橋墩），在接頭處的橋墩中心位置采用CFST突榫的榫卯構(gòu)造，同時(shí)在CFST突榫以外仍采用灌漿套筒進(jìn)行橋墩鋼筋與承臺鋼筋的連接，并開展混合連接拼裝橋墩、灌漿套筒連接裝配式橋墩和整體現(xiàn)澆橋墩的擬靜力試驗(yàn)，結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的拼裝橋墩相比，混合連接拼裝橋墩的榫卯式構(gòu)造能對預(yù)制橋墩進(jìn)行定位和有效約束，不僅施工方便、拼裝效率高，而且其抗震性能與整體現(xiàn)澆橋墩較為接近，優(yōu)于灌漿套筒連接裝配式橋墩，有一定的工程應(yīng)用前景。

目前，拼裝橋墩的試驗(yàn)大多集中在其抗震性能和節(jié)點(diǎn)的受力性能研究[11?14]。關(guān)于拼裝橋墩的抗壓性能試驗(yàn)資料較為少見。橋墩作為橋梁工程的關(guān)鍵受力構(gòu)件，其抗壓性能是橋梁設(shè)計(jì)者重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容，文獻(xiàn)[15]雖提出了采用灌漿套筒連接的拼裝橋墩的受壓承載力計(jì)算方法，但這種計(jì)算方法的精度仍未得到試驗(yàn)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證。因此，需要在文獻(xiàn)[10]所開展的擬靜力試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開展拼裝橋墩的抗壓性能試驗(yàn)。

筆者擬在收集既有的拼裝橋墩試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開展采用榫卯-灌漿套筒混合連接的裝配式方墩的軸壓極限承載力試驗(yàn)，研究其在受壓狀態(tài)下的力學(xué)性能、損傷機(jī)理、破壞模式等，為這種采用新型接頭的拼裝橋墩在實(shí)際工程中的推廣應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與加載裝置

1.1 試件設(shè)計(jì)

以CFST突榫中的鋼管長度、壁厚、直徑為變化參數(shù)，設(shè)計(jì)了4根混合連接拼裝橋墩試件（編號GTA-0～ GTD-0），同時(shí)設(shè)計(jì)了1根整體現(xiàn)澆橋墩試件（編號ZT）。5個(gè)試件的截面尺寸為250 mm×250 mm，墩柱長度為1 400 mm，與試件相連的承臺平面尺寸為600 mm×600 mm，厚度為500 mm。在所有試件的加載端頂面焊接平面尺寸為480 mm×376 mm，厚度為20 mm的帶孔鋼板，以滿足壓力機(jī)加載需要。CFST突榫中的無縫鋼管采用Q235級鋼材加工而成，編號為GTA-0的鋼管長度、壁厚、直徑分別為500、114、4 mm；編號為GTB-0的鋼管長度、壁厚、直徑分別為500、80、4 mm；編號為GTC-0的鋼管長度、壁厚、直徑分別為750、114、4 mm；編號為GTD-0的鋼管長度、壁厚、直徑分別為500、114、16 mm。

試件的混凝土采用C35商品混凝土，經(jīng)實(shí)測的混凝土立方體強(qiáng)度為35.6 MPa，彈性模量為0.312×105 MPa；縱筋采用8根直徑為12 mm的HRB400熱軋鋼筋，經(jīng)實(shí)測的屈服強(qiáng)度為415 MPa，極限強(qiáng)度為561 MPa，泊松比為0.3；箍筋采用直徑為6 mm的HPB300光圓鋼筋（箍筋間距200 mm），經(jīng)實(shí)測的屈服強(qiáng)度為312 MPa，極限強(qiáng)度為411 MPa，泊松比為0.3。試件的尺寸及鋼筋配置情況如圖1所示。

混合連接裝配式橋墩在墩身中通過內(nèi)置鋼管與灌漿套筒與承臺連接，試件制作嚴(yán)格遵循節(jié)段拼裝橋墩施工流程，分別預(yù)制墩身和承臺后，在試驗(yàn)現(xiàn)場拼裝、灌漿。試件中的灌漿套筒采用國標(biāo)Φ12型全灌漿套筒，灌漿料采用CGMJM-VI型高強(qiáng)灌漿料（套筒灌漿專用），各項(xiàng)檢測項(xiàng)目均符合JG/T 408—2013的要求。

1.2 加載裝置與測點(diǎn)布置

靜力加載試驗(yàn)在福建工程學(xué)院土木工程學(xué)院結(jié)構(gòu)館進(jìn)行，加載設(shè)備采用5 000 kN電液伺服壓力機(jī)，如圖2所示。試件采用位移加載直至橋墩試件破壞，加載速度為0.5 mm/min。在試驗(yàn)開始前，進(jìn)行預(yù)加力、預(yù)采樣，觀測各項(xiàng)數(shù)據(jù)是否平穩(wěn)，在確定各測點(diǎn)正常的情況下開始讀取數(shù)據(jù)并記錄。

位移計(jì)布置如圖3所示，在試件的E側(cè)與W側(cè)，分別沿垂直墩柱高度方向1/4、1/2、3/4處各布置1個(gè)位移計(jì)，用于測量橋墩破壞位置的側(cè)向位移?；炷翍?yīng)變片沿著墩身高度35、70、105 cm布置，箍筋、縱筋應(yīng)變片同樣沿著墩身高度35、70、105 cm各環(huán)向布置4個(gè)應(yīng)變片，鋼管應(yīng)變片提前布置在頂部和底部。

2 試驗(yàn)現(xiàn)象與試驗(yàn)結(jié)果

2.1 破壞過程及破壞形態(tài)

ZT（整體現(xiàn)澆）橋墩軸壓試件的破壞模式基本符合普通鋼筋混凝土短柱的破壞模式。在荷載加載至1 654 kN的之前（見圖4（a）），混凝土和鋼筋的應(yīng)變隨荷載的增大呈線性增長，試件的側(cè)向位移較小，在橋墩上下兩端邊角處開始出現(xiàn)微小的裂縫；隨著荷載的進(jìn)一步增大，橋墩混凝土逐漸進(jìn)入塑性狀態(tài)，在距離橋墩頂部1/4墩高位置的混凝土表面開始出現(xiàn)裂縫，第1條裂縫的長度為12 cm，寬度為0.02 mm，當(dāng)荷載接近于2 000 kN時(shí)，裂縫數(shù)量逐漸增多且長度較短，最大寬度為0.10 mm；隨后荷載繼續(xù)增大，當(dāng)施加的荷載接近極限荷載2 222.8 kN 時(shí)（見圖4（b）），距離橋墩頂部1/4墩高位置出現(xiàn)較多不規(guī)則的網(wǎng)狀裂紋，且裂縫逐漸擴(kuò)展，最長可達(dá)到1/3柱長，最大縫寬達(dá)到1.0 mm，該區(qū)域的混凝土開始脫落，隨后荷載開始下降，試件發(fā)出劈裂聲，由于橋墩壓縮變形增大，側(cè)向變形也明顯變大（見圖4（c）），試件表現(xiàn)為軸壓破壞，達(dá)到最大承載力，該試件的最終裂縫位置如圖4（d）所示。

GTA-0、GTB-0、和GTD-0 3個(gè)墩柱試件的裂縫分布位置比較接近，位于灌漿套筒連接處以上15 cm。以下介紹GTB-0試件的破壞過程。當(dāng)荷載尚未達(dá)到1 524 kN時(shí)（見圖5（a）），試件混凝土和鋼筋的應(yīng)變基本上隨荷載的增大呈線性增長，在橋墩上下兩端邊角處出現(xiàn)微小的裂縫；隨著荷載逐漸增大，試件中部附近的混凝土進(jìn)入塑性階段，當(dāng)荷載達(dá)到2 100 kN時(shí)，出現(xiàn)第1條裂縫，長度為10 cm，寬度為0.019 mm；當(dāng)施加的荷載接近于極限荷載2 178.4 kN 時(shí)（見圖5（b）），橋墩中部開始出現(xiàn)網(wǎng)狀裂紋，且橋墩中下部表面的裂縫慢慢擴(kuò)展，最長達(dá)1/3柱長，最大縫寬達(dá)1.0 mm，從而造成該區(qū)域的混凝土開始脫落，應(yīng)變片開始溢出，試件發(fā)出劈裂聲。由于橋墩壓縮變形增大，側(cè)向變形也明顯變大（見圖5（c）），試件表現(xiàn)為軸壓破壞且達(dá)到最大承載力，最終裂縫位置如圖5（d）所示。

相對于另外3個(gè)節(jié)段拼裝橋墩試件，GTC-0試件的破壞形態(tài)略有不同，其最終破壞位置集中于墩柱中部即1/2墩高處；在施加的荷載達(dá)到1 780 kN之前（見圖6（a）），試件混凝土與鋼筋的應(yīng)變基本上隨荷載的增大而呈線性增長，僅在橋墩上下兩端邊角處出現(xiàn)微小的裂縫；隨著荷載的上升，橋墩中下部的混凝土進(jìn)入了塑性階段，當(dāng)施加的荷載上升至2 500 kN，出現(xiàn)了第1條裂縫，長度為14 cm，寬度為0.02 mm；當(dāng)試件受到的荷載接近極限荷載2 542.9 kN時(shí)（見圖6（b）），橋墩中部開始出現(xiàn)不規(guī)則網(wǎng)狀裂紋且橋墩中部的裂縫慢慢擴(kuò)展，最長達(dá)1/3柱長，最大縫寬達(dá)1.5 mm，導(dǎo)致柱中區(qū)域混凝土開始脫落，混凝土應(yīng)變片開始溢出，橋墩試件發(fā)出劈裂聲。由于橋墩壓縮變形增大，側(cè)向變形也明顯變大（見圖6（c）），試件表現(xiàn)為軸壓破壞并達(dá)到最大承載力，最終裂縫位置如圖6（d）所示。

2.2 荷載-軸向位移曲線

基于各試件試驗(yàn)結(jié)果繪制了荷載-軸向位移曲線，如圖7所示。在加載初期可以發(fā)現(xiàn)，整體現(xiàn)澆橋墩試件與節(jié)段拼裝橋墩試件的混凝土應(yīng)變與荷載的關(guān)系基本符合線性關(guān)系，此時(shí)試件處于彈性階段。在試件達(dá)到極限承載力的80%時(shí)，荷載-軸向位移曲線放緩，此時(shí)各構(gòu)件處于彈塑性階段。當(dāng)各試件分別達(dá)到峰值荷載時(shí)，由于混凝土逐漸被壓碎且有小塊混凝土開始脫落，承載力也隨之迅速降低，可以看出，內(nèi)置鋼管直徑和長度的增大對試件的極限承載力有明顯提高，這是由于連接處鋼管與混凝土的接觸面積增大，鋼管與混凝土之間能夠更有效地協(xié)同工作，從而提高了接頭強(qiáng)度；另外可以發(fā)現(xiàn)，在內(nèi)置鋼管直徑和長度相同的情況下，鋼管壁厚的增大對試件軸壓性能的影響并不明顯。

2.3 荷載-鋼管應(yīng)變曲線

圖8為軸壓作用下，GTA-0～GTD-0試件在鋼管上下兩端的荷載-鋼管豎向應(yīng)變曲線，GTA-0-U為鋼管上端的荷載-鋼管豎向應(yīng)變曲線、GTA-0-D為鋼管下端的荷載-鋼管豎向應(yīng)變曲線。由圖8可知，各個(gè)試件的變化趨勢保持一致，初始加載階段鋼管兩端的應(yīng)變較小且增長緩慢，當(dāng)荷載達(dá)到峰值承載力的80%時(shí)，鋼管上端的縱向應(yīng)變隨著荷載的增大快速線性增長直至屈服，而鋼管下端的應(yīng)變值增長緩慢，鋼管未屈服。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是墩身承受自上而下的縱向荷載，內(nèi)置鋼管的頂部與混凝土之間良好的黏結(jié)摩擦作用，使二者共同工作，一同承擔(dān)縱向荷載。這說明內(nèi)置于混合接頭的鋼管可有效參與承擔(dān)軸向荷載。

2.4 極限承載力與延性

極限承載力與延性作為衡量構(gòu)件軸壓性能、變形能力的重要指標(biāo)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，各個(gè)試件的極限承載力與延性如表1所示?？梢钥闯觯cZT試件相比，試件GTA-0的承載力提高了約10.8%，延性提高了約18.2%。與GTA-0相比，試件GTB-0的承載力降低了11.5%，延性降低了約13%；試件GTC-0的承載力提高了3.3%，延性提高了11.8%；試件GTD-0的承載力基本沒有變化，延性降低了3.6%。試驗(yàn)結(jié)果表明，與整體現(xiàn)澆橋墩相比，內(nèi)置CFST突榫的榫卯-灌漿套筒混合連接裝配式方墩的承載力與延性均有一定的提升，這是由于CFST突榫的加入使得拼接部分的承載力提高所致；榫卯-灌漿套筒混合連接裝配式方墩的承載力與延性，隨著鋼管直徑的降低而降低，隨著鋼管長度的增加而提高；而CFST突榫中的鋼管壁厚的增加對試件的承載力沒有明顯影響，但會(huì)降低試件的延性。

3 有限元驗(yàn)證

由于實(shí)際條件限制，僅進(jìn)行了1根整體現(xiàn)澆橋墩的軸壓試驗(yàn)，采用文獻(xiàn)[16]中對于整體現(xiàn)澆橋墩的ABAQUS建模方法來驗(yàn)證本文的整體現(xiàn)澆試件。

將有限元模擬的普通整體現(xiàn)澆橋墩軸壓柱的荷載-豎向位移曲線與試驗(yàn)所測得的曲線進(jìn)行對比，如圖9所示?？梢钥闯?，有限元模擬的極限承載力較為接近試驗(yàn)值，誤差為4.1%，但是峰值荷載對應(yīng)的位移與試驗(yàn)結(jié)果還存在誤差，這是因?yàn)樵囼?yàn)構(gòu)件在加工時(shí)略有偏差，如鋼筋綁扎不牢，混凝土振搗不密實(shí)等，有限元的結(jié)果要比實(shí)際結(jié)果更為理想化。但總體上看試件的彈性剛度、承載力變化以及彈塑性發(fā)展趨勢都較為吻合，說明文中整體現(xiàn)澆柱的承載力數(shù)據(jù)較為可靠。

4 結(jié) "論

1）榫卯-灌漿套筒混合連接裝配式橋墩的軸壓承載力比整體現(xiàn)澆橋墩提升了10.1%～14.4%，其延性系數(shù)均不低于整體現(xiàn)澆橋墩?；旌线B接拼裝橋墩的承載力隨鋼管直徑和長度的增大而增大，而鋼管的壁厚對于承載力的影響較低，其中鋼管直徑與試件承載力最為相關(guān)。

2）榫卯-灌漿套筒混合連接裝配式墩和整體現(xiàn)澆橋墩在軸壓狀態(tài)下的破壞模式基本一致，但破壞位置不同，整體現(xiàn)澆試件在受壓狀態(tài)下的破壞位置位于墩柱中、上部，而榫卯-灌漿套筒混合連接裝配式墩的破壞位置一般位于墩柱中、下部。隨著CFST突榫中的鋼管長度的增加，拼裝橋墩的破壞位置有所上移，逐漸接近于整體現(xiàn)澆橋墩。

3）試驗(yàn)結(jié)果表明，采用混合連接的拼裝橋墩的受壓性能較好，有望在實(shí)際工程中得到推廣應(yīng)用。目前正在以不同截面類型、長細(xì)比、偏心率等變化參數(shù)，開展采用混合連接的拼裝橋墩的受壓極限承載力試驗(yàn)，進(jìn)一步探明其在受壓荷載作用下的力學(xué)性能，為實(shí)際工程的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

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（編輯 "鄭潔）

doi：10.11835/j.issn.1000.582X.2024.06.006

收稿日期：2023-12-20

基金項(xiàng)目：福建省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（2019J01779，2019H6020，2020J1477）；福州市科技成果轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化資助項(xiàng)目（2020-GX-18）。

Foundation：Supported by Natural Science Foundation of Fujian Province（2019J01779， 2019H6020 and 2020J1477）， and Fuzhou Scientific and Technological Achievements Transfer and Transformation Project（2020-GX-18）.

作者簡介：林上順（1972—），男，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事預(yù)制拼裝橋梁方向研究，（E-mail）578982122@qq.com。