預制組合墩柱連接節點抗震性能研究發展綜述

劉會超

(中電建冀交高速公路投資發展有限公司，河北 石家莊 050000)

0 引言

近年來，預制裝配技術發展迅速，而裝配式結構以其獨特的優點如施工效率高、對環境污染小、便于集中化管理等受到越來越多的施工單位青睞。隨著國家的大力推動，預制裝配式技術成為一種主要的施工技術手段應用于我國許多地區。目前，我國在混凝土橋梁上部結構建造中較多采用預制拼裝工藝，一定程度上提高了預制構件的質量和現場施工效率，但在下部結構建造中預制拼裝工藝使用仍然較少，受限于現場施工環境不能滿足工廠化和工業化的要求及新型裝配式下部結構抗震性能尚有待于進一步分析等原因。現有研究多集中于中低烈度區下部結構預制拼裝技術及應用，對高烈度地區應用預制拼裝技術的研究不足。

對于全預制裝配體系而言，在地震作用下預制裝配結構的破壞主要來自于節點位置處的損傷累計，節點連接可靠性直接決定橋梁結構安全服役性能，因此對于預制拼裝結構亟須進行節點抗震性能研究。

1 國內外研究進展

預制拼裝結構抗震研究的難點主要集中于各種新型連接方式的預制裝配式橋墩節點在地震作用下的極限承載力、變形與耗能能力、結構韌性以及這些性能的改進方法等幾個方面。近幾年國內預制裝配式橋墩節點的研究放在灌漿套筒連接、灌漿波紋管連接、承插式連接上，本文著重對此三種連接展開介紹。

1.1 灌漿套筒錨接

針對灌漿套筒的研究主要包括全灌漿套筒與半灌漿套筒的抗震性能差異、雙柱墩式套筒灌漿連接性能等。代表性的研究主要由中國學者完成，包括：2016年魏紅一等[1]在墩柱內預埋套管進行擬靜力試驗研究，結果表明采用套管灌漿方式對墩柱混凝土損傷較小。由于套筒部位剛度增大的原因，裂縫主要發生在墩身塑性鉸區及套筒接縫位置處。Parks[2]研究指出在擬靜力循環往復荷載下，半灌漿套筒連接破壞模式為鋼筋粘結滑移過大失效，而全灌漿套筒連接的破壞形式為縱向鋼筋拉斷破壞。

2019年西南交通大學的徐騰飛等從粘結滑移關系出發考慮灌漿套筒連接時鋼筋對中的施工偏差，提出了鋼筋與灌漿套筒粘結滑移本構關系[3]。黃俊、魯志偉等對楔形灌漿套筒和楔形螺紋灌漿套筒力學性能進行研究，研究表明所需鋼筋的嵌入長度約為接頭處鋼筋直徑的6倍左右[4]。

2021年東南大學王震等[5]研究表明由于UHPC的高強特性，可以縮短預埋長度，延緩錨桿的壓漿和劈裂。王瑞龍等研究分析表明灌漿套筒連接使預制墩柱的極限抗力增加6%～8%，但是在罕遇地震下極限位移降低40%～60%。同濟大學的匡志平等同樣對灌漿套筒連接構件進行試驗研究，根據研究認為如果灌漿不足對套筒連接的性能有較大影響[6]。

綜上所述，灌漿套筒連接構件具有與現澆結構相似的承載能力及破壞模式，能夠作為高烈度區預制拼裝方法之一，但需要注意其使用過程中存在的關鍵問題。首先，灌漿套筒連接的關鍵在于其錨固性能，影響錨固性能的因素有鋼筋錨固長度、灌漿料強度以及灌漿套筒形式。因此只要能夠保證合理地對上述影響因素取值，即可實現較好的連接性能。其次，由于灌漿套筒的存在會使墩柱截面剛度增加，因此套筒頂部位置處易產生裂縫，在應用過程中應采取一定的措施(如包裹FRP、使用ECC材料等)，保護該位置不受侵蝕等影響。

1.2 波紋管灌漿連接

波紋管灌漿技術早期多用于預制橋墩與預制蓋梁之間的連接，較少用于預制橋墩節段之間的連接。2016年，在姜海西等[7]發表的論文中，將高強無收縮水泥灌漿的金屬波紋管應用于立柱預制拼裝，并對2個1/3縮尺橋墩進行了擬靜力循環加載試驗。試驗結果表明：當使用灌漿金屬波紋管連接時，盡管在柱底連接處和塑性鉸區處出現較為嚴重的損傷，但總體而言，立柱間采用金屬波紋管的連接方法與傳統的現澆鋼筋混凝土立柱的抗震性能相近，同樣可以作為立柱間預制拼裝的有效方法。

沈維芳等[8]提出了一種新型灌漿波紋鋼管，可通過直縫鋼管或無縫鋼管軋制而成，加工制作的成本較低，研究表明新型灌漿波紋鋼管錨固長度為24 d，可保證鋼筋的錨固性能，具有與現澆混凝橋墩相近的損傷機理、破壞模式和延性變形性能。東南大學王浩[9]給出在工程應用中的建議值，即當鋼筋直徑≤2.5 cm時，建議孔徑比D/d取2.5～3.5，錨固長度可取10～15 d。

由現有研究可知，盡管灌漿波紋管連接通常被當作墩柱與承臺、墩柱與蓋梁之間的連接方式，很少用作立柱間連接的手段，但其在實際使用過程中，表現出較好的連接性能，可以作為有效連接方式進行立柱間連接。同時，金屬波紋管與套筒類似，但由于自身剛度低于灌漿套筒，使用時仍需考慮較大的錨固長度以滿足連接節點連接要求。

1.3 承插式連接

與灌漿套筒和灌漿波紋管等相比，承插式連接施工精度要求較低，且現場拼接工序較少，所以承插式連接是較為簡便的連接方式之一。近幾年國內研究的重點主要集中在承插深度對預制墩柱抗震性能的影響，新連接形式、側面剪力鍵的設置對于預制墩柱縱向剪力傳遞的研究等。典型的研究有：徐艷等研究了承插深度對整個預制高強管墩抗震性能的影響，研究結果表明承插深度對橋墩整體抗震性能影響較小，并給出了利用嵌巖樁嵌入基巖的深度計算最小合理承插深度的方法[10]。

同時Zhao Ceng等對預制承插連接的側向抗剪強度進行了試驗研究，研究選取了8組構件嵌入在插座連接處，其具有以下表面紋理:表面光滑、表面拉毛、刻槽等。結果表明除表面光滑的試件以外其他試件均能滿足側向抗剪承載力的需要。認為側向抗剪構造可以顯著提高承插式連接中墩柱與插槽的側向抗剪強度，有利于豎向荷載的有效傳遞[11]。

Han等研究一種圓柱承插式結構，經過擬靜力試驗分析，認為承插深度不小于圓柱墩直徑時可以保證塑性鉸正常生成[12]，形成塑性鉸破壞模式。

北京工業大學的張廣達等提出了一種基于UHPC灌漿的承插式連接構造，表明結構的深寬比控制在0.8左右即可保證塑性鉸的正常形成，而剪力鍵的存在對柱子的承載力影響較小，但是對鋼筋縱向應力的傳遞和柱子錨固性能有較大作用[13]。

承插連接同樣會遇到某些情況下不滿足承插深度等問題，因此承插方式配合其他連接方式的組合連接方法同樣將成為后續的研究熱點。

2 存在的問題及發展方向

為了更明晰地表述裝配式橋梁預制組合橋墩連接節點的性能，將各種連接方式存在的優缺點列舉如表1所示。

表1 各連接方式優缺點對比分析表

如表1所示，無論采用何種節點連接方式均存在一定的缺陷，均不能完全等同于現澆結構，但總體思路是采用組合連接提升橋梁剛度和抗剪能力，提升結構的延性，但不同構件間是否能夠很好地結合并共同受力是難點問題。因采用新材料比如UHPC、纖維混凝土、ECC等受到成本的限制，目前還未大范圍應用，與此同時新型材料的本構關系、損傷模型尚未完全建立。為了提升節點尤其是墩柱與承臺節點的抗震性能，不同的學者在承插式等連接方式的基礎上采用內置或者外置的耗能結構，增加結構的阻尼，便于耗費更多的地震能量，從而增加結構的延性。抗震方面采用纖維單元模擬不同材料特性，尤其是新材料，隨著計算機技術的進步，實體單元可以更好地模擬預應力和節段拼裝橋墩的接縫處力學行為，得到了更廣泛的應用。

3 結語

綜上所述，提升預制墩柱連接節點所采用連接方式的抗震性能存在較大不同，但是如果采用設置耗能裝置、使用新型結構材料以及組合連接等方式可以較大程度彌補預制墩柱節點抗震的不足，然而由于不同研究條件和手段的差異，以下幾個主要問題有待進一步研究：

(1)灌漿套筒、灌漿波紋管和承插式連接均具備較好的抗震性能，新型材料的使用(如UHPC等)，新型組合形式(如承插式和灌漿波紋管共同連接等)的應用等，都可以作為一種有效的預制裝配方法進行進一步研究，同時，也可以作為新的節點連接方式進行補充，為后續在高烈度區預制拼裝工程的應用提供基礎。

(2)新型灌漿套筒、新型的承插方案等研究進一步提升了預制裝配橋墩節點的抗震韌性，可以對此進行深入研究。

(3)目前工程中采用較多的是雙柱墩和排架墩，而且超過10 m的排架墩中還涉及橫系梁，由于雙柱墩、排架墩塑性鉸形成機制與單柱墩存在較大差異，因此針對裝配式墩柱抗震性能研究應該從單柱墩節點向雙柱墩、排架墩等更多結構體系進行轉變，使得研究適用性更強，更符合工程實際。