承插式連接離心預(yù)制管墩抗震性能試驗(yàn)研究

左光恒 黃遵義 曾玉昆 王志剛

（1.湖北交投江北東高速公路有限公司，武漢430040；2.中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，武漢430058）

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，迫切需要提升城市建設(shè)與交通線路建設(shè)的效率，這一需求推動了橋梁快速建造技術(shù)［1］（Accelerated Bridge Construction）的發(fā)展。雖然近些年國內(nèi)的橋梁快速建造技術(shù)不斷發(fā)展，這一技術(shù)的應(yīng)用研究開始由上部結(jié)構(gòu)拓展至下部結(jié)構(gòu)［2］，如東海大橋［3-5］、杭州灣大橋［6］和港珠澳大橋［7］都應(yīng)用了橋梁快速建造技術(shù)，但是對預(yù)制拼裝下部結(jié)構(gòu)抗震性能的研究仍然較少，而橋墩往往在地震中容易遭受破壞，因此有必要研究預(yù)制拼裝橋墩的抗震性能。根據(jù)工程特點(diǎn)、施工條件和地質(zhì)環(huán)境等因素，預(yù)制拼裝橋墩節(jié)點(diǎn)處有多種連接構(gòu)造方式，主要有灌漿金屬波紋管連接［8］、灌漿套筒連接［9］以及承插式連接［10］等連接方式。其中承插式連接（Socket/Pocket Connection）適用于橋墩與承臺基礎(chǔ)的連接，而且施工效率高。目前，國外對于承插式構(gòu)造的研究較多，Saiidi等［11-12］先后驗(yàn)證了不同類型承插連接構(gòu)造的可靠性。相對而言，國內(nèi)對承插式連接的研究相對匱乏，本文針對采用承插式連接構(gòu)造的預(yù)制拼裝橋墩，通過擬靜力試驗(yàn)研究比較承插式管墩和整體現(xiàn)澆管墩的抗震性能來驗(yàn)證承插式連接的可靠程度并且為工程應(yīng)用提供理論依據(jù)，推廣承插式管墩的實(shí)際應(yīng)用。

本文以實(shí)際工程為研究背景，即江北高速公路東延伸項(xiàng)目。該項(xiàng)目擬選用預(yù)制空心橋墩，預(yù)制橋墩與承臺采用承插式拼接施工工藝。空心墩柱采用C70混凝土，墩內(nèi)現(xiàn)澆填芯混凝土段，如圖1（a）所示，預(yù)制墩柱底側(cè)為鋸齒形波紋狀，預(yù)制墩柱截面尺寸為外直徑140 cm、內(nèi)直徑90 cm。截面縱筋為外側(cè) 36 根 28 mm 的 HRB400 鋼筋，內(nèi)側(cè)18 根 16 mm 的 HRB400 鋼筋。箍筋采用 10 mm 的HPB300 鋼筋且箍筋間距為10 cm。原型橋墩配筋如圖1（b）所示。高強(qiáng)砂漿調(diào)平層和墩柱外側(cè)連接混凝土采用高強(qiáng)無收縮水泥灌漿料。高強(qiáng)無收縮水泥灌漿料應(yīng)滿足上海市工程建設(shè)規(guī)范［13］的相關(guān)要求。

圖1 原型橋墩構(gòu)造圖（單位：cm）Fig.1 Structural diagram of prototype pier（Unit：cm）

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

本文試驗(yàn)包括兩個試件，分別為現(xiàn)澆管墩（S1）和采用承插式連接的預(yù)制管墩（S2），S1 試件作為S2 試件抗震性能研究的比較基準(zhǔn)。S2 試件的構(gòu)造特點(diǎn)是承臺施工時預(yù)留墩柱承插孔。承臺中心預(yù)埋波紋管，波紋管規(guī)格為內(nèi)徑76 cm，壁厚1.6 mm，高50 cm，波形68 mm×13 mm。承臺底部設(shè)有4 個直徑40 cm、高20 cm 的鋼筋混凝土圓柱支撐。待預(yù)制橋墩插入承臺預(yù)埋波紋管后，澆筑高強(qiáng)無收縮水泥灌漿料，并養(yǎng)護(hù)完成試件制作。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)設(shè)備的尺寸和實(shí)際工程橋墩尺寸，相似比定為1∶2。試件管墩的外直徑為70 cm，壁厚12.5 cm；加載端尺寸為70 cm×70 cm×50 cm；承臺尺寸為210 cm×238 cm×75 cm，孔洞直徑為77 cm，高50 cm。承臺底部布置和樁基礎(chǔ)相同數(shù)量和尺寸的鋼筋混凝土圓柱，伸出承臺20 cm。2個試件的尺寸如圖2 和圖3 所示。圖4 給出試驗(yàn)試件制作、現(xiàn)場拼裝和擬靜力試驗(yàn)加載的照片。

圖2 S1試件（單位：cm）Fig.2 Specimen 1（Unit：cm）

圖3 S2試件（單位：cm）Fig.3 Specimen 2（Unit：cm）

試驗(yàn)加載設(shè)備如圖5 所示。垂向加載能力為10 000 kN 壓力和3 000 kN 拉力，最大行程±300 mm；水平向加載能力為1 500 kN 推拉力，最大行程±400 mm；垂向作動器水平向主動跟隨，最大隨動行程±400 mm；水平向作動器垂向主動跟隨，最大隨動行程±900 mm。

圖4 試件制作、安裝及加載示意圖Fig.4 Schematic diagram of construction，installation and loading

圖5試驗(yàn)加載裝置Fig.5 Test loading device

2 試驗(yàn)現(xiàn)象描述

本節(jié)將對兩個試件試驗(yàn)過程中的損傷狀態(tài)和最終破壞模式進(jìn)行討論。

試件加載過程中，通過觀察，描述試件的破壞過程和破壞形態(tài)。加載前采用墻面漆封刷并繪制間隔為5 cm 的網(wǎng)格，以便在實(shí)驗(yàn)過程中觀察裂縫的開展情況。加載時用黑色、紅色、藍(lán)色等不同顏色筆描出了裂縫的開展情況，采用DHCK-2 裂縫顯微測寬儀測量不同荷載下的裂縫寬度。試驗(yàn)采用力-位移混合控制加載的方式，該加載制度先是采用力加載控制，當(dāng)試件屈服后改為位移加載控制，直至試件破壞。加載方向?yàn)槟媳狈较颍c之垂直的為東西方向，如圖6所示。

圖6 加載方向示意Fig.6 Loading direction

2.1 S1試件試驗(yàn)現(xiàn)象和損傷狀態(tài)描述

S1 試件破壞程度為Ⅰ級時，荷載為260 kN，如圖7（a）所示，墩身出現(xiàn)微裂縫，卸載后裂縫閉合。沒有損壞，不需要修復(fù)。破壞程度為Ⅱ級時，存在較多不規(guī)則裂紋，裂縫間距約10 cm。位移達(dá)到18 mm且試件屈服，在這個水平上，試件只需小修。破壞程度為Ⅲ級時，破壞程度如圖7（b）所示，1.5 m（約2D）的高度，柱內(nèi)有許多裂縫封閉，裂縫寬度增加到1～2 mm，出現(xiàn)多條超過于2 mm寬度的裂縫，柱腳和承臺之間的裂縫，張開寬度約為11.48 mm。混凝土保護(hù)層部分剝落，柱腳混凝土被壓碎，產(chǎn)生較少的傾斜裂縫。破壞程度為Ⅳ級時，墩身裂縫寬度增加，寬度大于2 mm，且與承臺之間的裂縫張開寬度約為10 mm，保護(hù)層的混凝土剝落高度往墩頂延伸，柱腳混凝土嚴(yán)重剝落。此時，構(gòu)件需必要的修復(fù)。破壞程度為V級時，如圖7（c）所示，混凝土核心區(qū)輕微外鼓，縱向鋼筋屈曲，墩身底部混凝土完全脫落。試驗(yàn)完成后，清理塑性鉸區(qū)的混凝土保護(hù)層，破壞形式為圖7（d），箍筋失效，破壞區(qū)主要集中在柱底接縫處，剝落破壞區(qū)高度約為50 cm，即0.7D。北側(cè)有四處箍筋斷裂，如圖7（e）所示。南側(cè)箍筋沒有斷裂，部分拉鉤拉直，如圖7（f）所示。

圖7 S1試件破壞程度Fig.7 Damage degree of S1

2.2 S2試件試驗(yàn)現(xiàn)象和損傷狀態(tài)描述

S2 試件破壞程度為Ⅰ級時，見圖8（a），荷載為260 kN，墩身出現(xiàn)微裂縫，卸載后裂縫閉合。沒有損壞，不需要修復(fù)。破壞程度為Ⅱ級時，存在較多不規(guī)則裂紋，裂縫間距約10 cm。荷載達(dá)到390 kN 且試件屈服，在這個水平上，試件只需小修。破壞程度為Ⅲ級時，破壞程度如圖8（b）所示，1.5 m（約2D）的高度，柱內(nèi)有許多裂縫封閉，裂縫寬度增加到1～2 mm，出現(xiàn)多條超過2 mm 寬度的裂縫。混凝土保護(hù)層部分剝落，柱腳混凝土被壓碎，產(chǎn)生較少的傾斜裂縫。破壞程度為Ⅳ級時，見圖8（c），墩身裂縫寬度增加，寬度大于2 mm，保護(hù)層的混凝土剝落高度往墩頂延伸，高度約為0.35D，柱腳混凝土嚴(yán)重剝落。此時，構(gòu)件需必要的修復(fù)。破壞程度為V級時，如圖8（d）所示，混凝土核心區(qū)輕微外鼓，縱向鋼筋屈曲，墩身底部混凝土完全脫落。試驗(yàn)完成后，清理塑性鉸區(qū)的混凝土保護(hù)層，破壞形式為圖8（e），封閉箍筋失效，破壞區(qū)主要集中在柱底接縫處，破壞區(qū)高度約為50 cm，即0.7D。北側(cè)外圈有三根箍筋斷裂，其中兩根箍筋是在焊點(diǎn)處斷裂。北側(cè)內(nèi)圈有一處縱筋鼓曲，一處拉鉤被拉直。南側(cè)外圈有兩根箍筋斷裂，S2骨料分布和骨料破碎見圖8（f），可以看出粗骨料在截面外側(cè)，破碎的骨料非常分散，骨料上沒有水泥漿。由圖8（g）可以看出，S2 承臺表面疑似出現(xiàn)浮漿裂縫。承臺高度方向中間有一條水平裂縫，疑似混凝土施工分段澆注造成，承臺底部也有一條微裂紋，見圖8（h）。

圖8 S2試件破壞程度Fig.8 Damage degree of S2

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

滯回環(huán)對角線的斜度反映構(gòu)件的總體剛度，滯回環(huán)包圍的面積則是荷載正反交變一周時結(jié)構(gòu)所吸收的能量。顯然滯回環(huán)飽滿者有利于結(jié)構(gòu)抗震。兩個試件的實(shí)測水平荷載-墩頂位移滯回曲線如圖9 所示。兩個試件最大加載位移約為90 mm（3.8%偏移率），為便于比較同等偏移率下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，加載的位移等級增量相同，而且均加載到水平承載力低于峰值的85%。總體而言，兩個試件在較低荷載階段，基本處于彈性階段，表現(xiàn)為滯回環(huán)的集中和重疊，隨著混凝土的開裂、鋼筋的屈服、混凝土受壓剝落等現(xiàn)象的產(chǎn)生，滯回環(huán)逐漸拉開，耗能增強(qiáng)。承插式預(yù)制拼裝試件與整體現(xiàn)澆試件的滯回環(huán)形狀非常相似。兩者的極限荷載非常接近，還有略微偏大的現(xiàn)象，預(yù)制拼裝橋墩的位移能力要低于整體現(xiàn)澆橋墩，預(yù)制拼裝橋墩的極限荷載下降速度要快于整體現(xiàn)澆橋墩。

圖9 滯回曲線Fig.9 Hysteretic curve

骨架曲線是滯回曲線的包絡(luò)線，由滯回環(huán)的頂點(diǎn)連接而成。骨架曲線的形狀大體上和單調(diào)加載得到的荷載位移曲線相似，能夠比較明顯地反映結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的初始剛度、最大荷載、屈后剛度、延性等抗震指標(biāo)。骨架曲線在研究非線性地震反應(yīng)時是非常重要的。它是每次循環(huán)荷載位移曲線達(dá)到的最大峰點(diǎn)的軌跡，在任意時刻的運(yùn)動中，峰點(diǎn)不能越過骨架曲線，只能在到達(dá)骨架曲線以后沿骨架曲線前進(jìn)。觀察圖10 中的骨架曲線可以發(fā)現(xiàn)，兩個試件的骨架曲線的形狀大體類似，大致呈三線性，具有明顯的非線性拐點(diǎn)和強(qiáng)度下降點(diǎn)。骨架曲線中屈服點(diǎn)Y，極限荷載點(diǎn)M 和極限位移點(diǎn)U 反映了骨架曲線主要特征，但各特征點(diǎn)的定義不盡相同。因此，對骨架曲線各特征點(diǎn)的確定方法作如下說明，確定屈服荷載點(diǎn)Y 的常用方法有定義法，能量等值法和通用屈服彎矩法；骨架曲線荷載最大值點(diǎn)即為M 點(diǎn)；將荷載下降到最大荷載的85%定義為極限位移點(diǎn)。依據(jù)圖10，可以得出屈服位移、屈服荷載及延性系數(shù)等參數(shù)，如表1所示。顯然，各項(xiàng)指標(biāo)都比較接近，這說明兩個試件的抗震性能相近。

圖10 骨架曲線Fig.10 Skeleton curve

表1 骨架曲線關(guān)鍵指標(biāo)匯總表Table 1 Key indicators of skeleton curve

4 結(jié) 論

本文在國內(nèi)外工程應(yīng)用和研究的基礎(chǔ)上，針對公路橋墩的受力特點(diǎn)，提出了預(yù)制管墩承插式預(yù)制拼裝方案。以江北高速公路東延伸項(xiàng)目的橋梁工程為依托，本文制作了一組模型試件，進(jìn)行了擬靜力試驗(yàn)。本文對試驗(yàn)加載過程中的試驗(yàn)現(xiàn)象和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)描述與分析，包括裂縫發(fā)展過程、鋼筋損傷情況、破壞形態(tài)和滯回性能。主要結(jié)論有：

（1）本次試驗(yàn)研究中，試件的破壞都發(fā)生在墩柱底部，表現(xiàn)為大偏心受壓破壞。整體現(xiàn)澆橋墩和承插式預(yù)制管墩的破壞形式都是縱筋壓屈導(dǎo)致箍筋彎鉤拉直和核心區(qū)混凝土的壓碎。雖然空心截面內(nèi)外圈縱筋采用拉筋的方式比較方便，但是在水平往復(fù)荷載作用下約束效果差，易發(fā)生拉鉤變直，對縱筋的約束失效，導(dǎo)致縱筋壓屈，從而出現(xiàn)墩柱整體剛度和強(qiáng)度的下降。

（2）承插式試件的抗震性能與現(xiàn)澆試件較為接近，試驗(yàn)表明，本文對承插式構(gòu)件采取的構(gòu)造措施是合理的。

（3）箍筋與縱筋之間的自動化焊接工藝會對縱筋和箍筋造成一定的損傷，箍筋會因?yàn)楹附犹崆皵嗔选；炷岭x心施工工藝需要改進(jìn)成型工藝，增加混凝土骨料和水泥漿的均勻性，避免明顯離析分層。

（4）注意避免波紋管或者管墩鋸齒的外露，注意改進(jìn)灌漿料的密實(shí)性，避免氣泡的混入，需要加強(qiáng)工人培訓(xùn)，研究管墩垂直度微調(diào)措施。