新型承插式預制橋墩接口連接力學性能研究

尹啟政，鄧敦毅，蘇志曄，周岐文，李明東

（1.山東交通學院 交通土建工程學院，山東 濟南 250357；2.中化學交通建設集團有限公司，山東 濟南 250102；3.山東省路橋集團有限公司，山東 濟南 250021；4.北京市政建集團有限責任公司，北京 100079）

引言

承插式橋墩的連接方式按澆筑順序可以分為現澆連接和后澆連接兩種［1］，其中現澆連接是指預制場預制橋墩，運輸至現場定位后現澆承臺的連接方式，而后澆連接是指預制場預制橋墩，現場澆筑承臺，然后運輸橋墩至現場裝配定位，在接縫處灌入灌漿料連接［2］。后澆承插式橋墩與現澆連接以及其他連接方式相比，施工容許誤差大，施工工序簡單，無需特殊施工裝備且施工周期相近，是一種極具潛力的施工方式［3］。

1 工程概況

滕州高架標段屬京臺高速公路泰安至棗莊（魯蘇界）段改擴建工程，路線起于濟寧市和棗莊市交界處的于元村北側，現狀京臺高速公路樁號K575+480 處。路線沿現狀京臺高速向南布線，設滕州北樞紐與在建棗菏高速進行交通轉換，遷建滕州互通，終點樁號K618+200，路線長42.72 km。

滕州高架段左幅144#、145#墩柱、蓋梁采用裝配式施工工藝，本標段高架橋裝配式橋墩采用灌漿連接的預制拼裝施工工藝。由于預制拼裝工藝對于構件精度的要求嚴格，預制墩柱鋼筋籠及套管的安裝精度嚴格控制在±2 mm 范圍之內，故而墩柱構件采用先工廠預制生產，后運至工程現場安裝的方式。

預制墩柱采用直墩柱，單個墩柱斷面為矩形，采用雙墩柱形式。承臺系梁混凝土等級C40。預制墩柱混凝土等級C40，采用立式澆筑工藝，混凝土一次性澆筑完成。墩柱主筋采用HRB400 的Φ24 鋼筋，箍筋采用HRB400 的Φ12 鋼筋。墩柱底部為混凝土，四周預埋3 mm 厚鍍鋅金屬波紋管，伸入承臺，與承臺間灌注高強灌漿料。見圖1。

圖1 裝配式橋墩結構/cm

2 承插式預制橋墩施工關鍵工藝流程

選取滕州高架橋左幅145#墩柱進行首件預制、運輸、安裝施工。主要施工步驟：（1）預制場預制橋墩，橋墩底部四周預埋鍍鋅金屬波紋管，高度為160 cm；波紋管上部105 cm 處預埋Φ45 mmPVC 管，長度為20 cm；墩柱底部預埋吊裝用鋼絞線；在墩頂、底標定十字定位標記。（2）在承臺上標記墩柱定位用十字線，將承臺連接界面混凝土進行鑿毛。（3）吊裝預制橋墩，利用定位標記進行就位，并旋轉墩柱使墩柱主筋位置與設計位置一致；下放墩柱，利用十字標記確定墩柱位置并使用木楔子進行臨時固定。（4）安裝牛腿、千斤頂，利用墩柱四周4 個千斤頂臨時固定墩柱并微調豎直度。（5）灌注高強混凝土灌漿料，灌漿料強度達到設計要求后拆除牛腿、千斤頂等定位裝置，并對預埋PVC 管管孔進行灌封。

3 數值模擬

采用ABAQUS 有限元分析軟件建立三維實體模型，為提高計算效率，墩柱、灌漿料、承臺以及波紋管采用八節點線性六面體單元（C3D8R），鋼筋采用兩節點線性三維桁架單元（T3D2）［4］，其中承臺、橋墩采用C40 混凝土，灌漿料采用C60 早強混凝土，波紋管鋼材采用Q345 鋼材，厚度為3 mm，見表1。

表1 材料特性和單元類型

邊界條件為承臺底部完全固結，各構件之間的接觸采用ABAQUS 中的通用接觸，接觸屬性法向方向選擇默認硬接觸，切向方向采用庫倫摩擦，定義摩擦系數為0.5，選擇有限滑移，不考慮接觸面黏結力［5］。有限元模型見圖2、圖3，選用《混凝土結構設計規范》（GB50010—2010）［6］中的本構模型。

圖2 承插式連接結構有限元模型

圖3 現澆結構有限元模型

繪制力-位移曲線圖，橫坐標表示加載步驟（分五級進行加載，每級加載5 mm 位移，最終加載位移至25 mm），豎坐標表示水平力的大小［7］，見圖4。

圖4 模型力-位移曲線

承插式連接構件混凝土開裂時的墩頂位移為1.48 mm，對應的水平力大小為137.71 kN，鋼筋屈服時的墩頂位移為7.35 mm，對應的水平力大小為368.96 kN；整體現澆構件混凝土開裂時的墩頂位移為1.13 mm，對應的水平力大小為138.78 kN，鋼筋屈服時的墩頂位移為7.11 mm，對應的水平力大小為362.91 kN，兩種模型在混凝土開裂以及鋼筋屈服點的水平力和位移大小非常接近，說明承插式連接方式與整體現澆結構的應力狀態和變形狀態基本一致。兩種模型在初期彈性剛度以及屈服后剛度變化趨勢基本相同，說明承插式構件與整體現澆構件具有一致協同受力特點承插式預制橋墩接口的連接方式較為可靠［8］。

圖5、圖6 中在25 mm 最大位移作用下，金屬波紋管承受承臺反力上、下部區域灌漿料壓應力大小分別為53.04 MPa、34.61 MPa，灌漿料其他位置均為受拉狀態，最大拉應力為2.25 MPa。可以說明在承插式連接方式中，灌漿料材料強度應該遠高于橋墩及承臺選用材料的強度［9］。

圖5 灌漿料受力云圖

圖6 橋墩承插端承受反力狀況

4 結語

（1）預埋鍍鋅金屬波紋管的預制橋墩采用承插式連接方式可以滿足環保、低精度高質量的快速施工要求。（2）通過在承臺內表面和橋墩外表面預埋鍍鋅金屬波紋管，可以提高與灌漿料連接面的結合強度，結構整體性更好。（3）預埋鍍鋅金屬波紋管的承臺與橋墩的承插式連接方式在水平推覆力作用下具有一致協同受力特點。（4）承插式連接方式中灌漿料相較橋墩和承臺，需要承擔更大的壓應力，故在實際工程應用中應選用更高強度的高強灌漿料。