淺析預制裝配式橋墩抗扭性能

徐 輝，王玉偉，張少慶

（中國市政工程華北設計研究總院有限公司，天津市300000）

0 引 言

預制裝配式混凝土技術起步于二次世界大戰后，經過70多年的發展，伴隨著節段間接縫面的剪力鍵構造、密接匹配預制以及體外預應力技術和施工工藝的發展，預制裝配式混凝土技術日漸成熟。目前，國內橋梁的上部結構裝配式技術已相對成熟。相比于上部結構，下部結構的裝配式研究發展較晚，我國于上世紀90年代初開始了裝配式橋墩的研究，最早開始試驗的北京積水潭橋試驗工程中的5座橋梁均為承插式預制鋼筋混凝土墩。經過數年發展，國內裝配式橋墩接縫面采用了灌漿套筒連接、金屬波紋管灌漿連接、插槽式、承插式和混合方式等連接方式，每種方式均有其優缺點。灌漿套筒連接是目前研究較多的連接方式，此種連接方式的抗彎和地震下的動力行為已經得到驗證[1-3]，能夠滿足橋梁的正常使用以及承載能力極限狀態，同時可滿足偶然地震作用下的性能要求。國內通過試驗以及數值分析，針對灌漿套筒連接橋墩的抗剪性能進行了一系列研究，論證了裝配式橋墩抗剪性能的可靠性[4-5]，但是針對灌漿套筒連接橋墩的受扭性能研究很少。事實上，在地震等偶然荷載作用下，橋墩會處于彎剪扭的復雜受力狀態，特別是單柱墩，更應重視其抗扭受力性能。本文針對灌漿套筒連接的預制裝配式橋墩抗扭性能進行研究，得出此種結構的抗扭計算公式，為后續的抗扭實踐提供理論支持。

1 橋墩抗扭性能分析

普通鋼筋混凝土橋墩抗扭性能分為素混凝土開裂的抗扭能力和開裂后基于變角度空間桁架模型或斜彎曲破壞理論，針對矩形截面的抗扭能力。

素混凝土開裂的抗扭能力T計算公式為：

式中：h、b和τmax分別代表截面的高度、寬度和最大剪應力。一般考慮混凝土內部的微裂縫、裂隙和局部缺陷又會引起應力集中而降低構件的承載能力，通常會乘以0.7的折減系數。

混凝土開裂后，考慮配置縱筋和箍筋的作用，《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG 3362—2018）推薦采用變角度空間桁架模型，針對矩形截面抗扭能力的計算公式為：

預制裝配式橋墩與普通現澆混凝土橋墩受力的最大差異體現在結構在接縫面處的節段連接，接縫處的節點力學性能行為也是國內外學者們重點研究的對象。接縫面處理合適與否直接決定著預制裝配式結構的成敗。核心問題是橋墩接縫面連接做法能否有效地將上部結構的荷載效應傳遞給支撐體系。落實到預制裝配式橋墩的抗扭問題，則是接縫面連接做法能否有效地將上部結構傳遞過來的扭矩再傳遞給基礎。若能有效傳遞到基礎，則預制裝配式橋墩的抗扭計算可采用式（2）接續計算，若不能，則接縫面抗扭能力需要加強。

2 接縫面抗扭性能

最終轉化為接縫面的抗剪能力。針對接縫面的抗剪能力，國內外做了大量研究，也形成了不少理論成果，部分成果已形成規程供設計者使用。比較權威的關于接縫面抗剪性能的規范有《裝配式混凝土結構技術規程》（JGJ 1—2014）、上海市工程建設規范《預制拼裝橋墩技術規程》（DG/TJ 08-2160—2015）和《城市軌道交通橋墩預制拼裝技術規程》（DB37/T 5100—2017）。

《裝配式混凝土結構技術規程》針對接縫面的抗剪能力描述如下：結合面的受剪承載力主要包括新舊混凝土結合面的粘結力、鍵槽的抗剪能力、后澆混凝土疊合層的抗剪能力、梁縱向鋼筋的銷栓抗剪作用。設計時偏于安全不考慮結合面的粘結力，特別是在地震作用下，混凝土自然粘結劑粗糙面的受剪承載力喪失較快，更不需要考慮混凝土的粘結力，從而最終得到接縫面的抗剪能力計算公式：

式中：Vu為持久設計狀況下接縫受剪承載力設計值；VuE為地震設計狀況下接縫受剪承載力設計值；Acl為疊合梁端面后澆混凝土疊合層截面面積；fc為預制構件混凝土軸心抗壓強度設計值；fy為垂直穿過結合面鋼筋抗拉強度設計值；Ak為各鍵槽的根部截面面積之和；Asd為垂直穿過結合面所有鋼筋的面積之和；N為與剪力設計值對應的垂直于結合面的軸向力設計值，取絕對值進行計算。

美國AASHTO規范針對預制拼裝主梁干接縫截面的抗剪公式見式（4），其中第一部分為混凝土剪力鍵齒上的剪切應力，另一部分為接縫面上的摩擦力。

式中：Vj為剪應力；Ak為破壞面上鍵根部的面積；f＇c為混凝土的圓柱體抗壓強度；σn為接縫上的壓應力；Asm為破壞面上的摩擦接觸面積。

本文選取的計算截面為常用矩形橋墩截面，其接縫斷面示意圖見圖1。

圖1 接縫斷面示意圖

由接縫面抗剪能力可知，對應接縫面的抗扭能力也是由兩部分構成：一部分由鋼筋銷栓提供，另一部分由軸向壓力提供。扭矩對鋼筋造成的銷栓剪力值Vi計算見式（5）：

式中：xi、yi分別為鋼筋距結構形心的距離。

從圖1可見，承受剪力最大也是抗扭計算控制的節點位置為圖1所示的1處。1處控制點的抗剪能力確定后，由銷栓力提供的抗扭能力即可確定。經過推導，得到整個截面中由鋼筋銷栓提供的抗扭能力T銷栓為：

另一部分抗剪能力由截面的摩擦力提供。根據《裝配式混凝土結構技術規程》，接縫面摩擦力取壓力的0.8倍，由式（1）推導出由軸向壓力提供的接縫面抗扭能力T軸壓為：

式中的N為軸向壓力。綜合式（6）和式（7），得到接縫面抗扭力T為:

式中第1項為鋼筋銷栓提供的抗扭力；第2項為軸向壓力提供的抗扭力。

3 實 例

某立交橋工程，其橋墩斷面示意圖見圖2。該立交橋主線上部結構為連續梁，下部結構為預制裝配式橋墩，橋墩截面尺寸為1.5m×2m，沿順橋向布設間距為180 mm、直徑為40 mm的鋼筋12根，橫橋向共布設間距為178mm、直徑為40mm的鋼筋22根，箍筋采用直徑12的鋼筋，間距100mm。經上部結構計算分析，得到軸向壓力為8 000 kN,節點連接方式為灌漿套筒連接，接縫為高強無收縮砂漿，需驗算此接縫面的抗扭能力。根據本文給出的計算式（3）、式（8），結合截面尺寸以及配設的鋼筋情況，核算此截面的抗扭能力（假設需傳遞的扭矩為素混凝土的開裂扭矩）。

由式（3）且已知鋼筋的fy=330 MPa，混凝土fc=18.4MPa，則截面處于位置1處的鋼筋銷栓力=161.5 kN，代入式（8）得到：

根據式（1）可得到混凝土開裂時的墩柱抗扭力為：

經驗算T＞T開裂，此接縫面滿足抗扭計算的要求，后續可按照式（2）進行抗扭計算和配筋。

4 結 語

（1）國內對預制拼裝結構抗扭性能的重視度不夠高，事實上抗扭設計的好壞同樣決定結構的承載力，應予以重視。

（2）軸向壓力提供了很大一部分抗扭能力，設計時應提高接縫面的軸向壓力。若常規設計手段不能保證，可考慮采用張拉預應力的方式給與滿足。

（3）鋼筋的銷栓作用在抗扭中同樣很重要，設計時應考慮這部分鋼筋的抗彎折減問題。

（4）文中公式均是在已有的成熟公式基礎上進行推導得到，后續還需進行一系列試驗給與這些公式實踐上的支撐。