淺析預(yù)制裝配式橋墩抗扭性能

徐 輝，王玉偉，張少慶

（中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司，天津市300000）

0 引 言

預(yù)制裝配式混凝土技術(shù)起步于二次世界大戰(zhàn)后，經(jīng)過70多年的發(fā)展，伴隨著節(jié)段間接縫面的剪力鍵構(gòu)造、密接匹配預(yù)制以及體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)和施工工藝的發(fā)展，預(yù)制裝配式混凝土技術(shù)日漸成熟。目前，國(guó)內(nèi)橋梁的上部結(jié)構(gòu)裝配式技術(shù)已相對(duì)成熟。相比于上部結(jié)構(gòu)，下部結(jié)構(gòu)的裝配式研究發(fā)展較晚，我國(guó)于上世紀(jì)90年代初開始了裝配式橋墩的研究，最早開始試驗(yàn)的北京積水潭橋試驗(yàn)工程中的5座橋梁均為承插式預(yù)制鋼筋混凝土墩。經(jīng)過數(shù)年發(fā)展，國(guó)內(nèi)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(yōu)缺點(diǎn)。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(dòng)力行為已經(jīng)得到驗(yàn)證[1-3]，能夠滿足橋梁的正常使用以及承載能力極限狀態(tài)，同時(shí)可滿足偶然地震作用下的性能要求。國(guó)內(nèi)通過試驗(yàn)以及數(shù)值分析，針對(duì)灌漿套筒連接橋墩的抗剪性能進(jìn)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(duì)灌漿套筒連接橋墩的受扭性能研究很少。事實(shí)上，在地震等偶然荷載作用下，橋墩會(huì)處于彎剪扭的復(fù)雜受力狀態(tài)，特別是單柱墩，更應(yīng)重視其抗扭受力性能。本文針對(duì)灌漿套筒連接的預(yù)制裝配式橋墩抗扭性能進(jìn)行研究，得出此種結(jié)構(gòu)的抗扭計(jì)算公式，為后續(xù)的抗扭實(shí)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(duì)矩形截面的抗扭能力。

素混凝土開裂的抗扭能力T計(jì)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(yīng)力。一般考慮混凝土內(nèi)部的微裂縫、裂隙和局部缺陷又會(huì)引起應(yīng)力集中而降低構(gòu)件的承載能力，通常會(huì)乘以0.7的折減系數(shù)。

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(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3362—2018）推薦采用變角度空間桁架模型，針對(duì)矩形截面抗扭能力的計(jì)算公式為：

預(yù)制裝配式橋墩與普通現(xiàn)澆混凝土橋墩受力的最大差異體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)在接縫面處的節(jié)段連接，接縫處的節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能行為也是國(guó)內(nèi)外學(xué)者們重點(diǎn)研究的對(duì)象。接縫面處理合適與否直接決定著預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的荷載效應(yīng)傳遞給支撐體系。落實(shí)到預(yù)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(jié)構(gòu)傳遞過來(lái)的扭矩再傳遞給基礎(chǔ)。若能有效傳遞到基礎(chǔ)，則預(yù)制裝配式橋墩的抗扭計(jì)算可采用式（2）接續(xù)計(jì)算，若不能，則接縫面抗扭能力需要加強(qiáng)。

2 接縫面抗扭性能

最終轉(zhuǎn)化為接縫面的抗剪能力。針對(duì)接縫面的抗剪能力，國(guó)內(nèi)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(guī)程供設(shè)計(jì)者使用。比較權(quán)威的關(guān)于接縫面抗剪性能的規(guī)范有《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 1—2014）、上海市工程建設(shè)規(guī)范《預(yù)制拼裝橋墩技術(shù)規(guī)程》（DG/TJ 08-2160—2015）和《城市軌道交通橋墩預(yù)制拼裝技術(shù)規(guī)程》（DB37/T 5100—2017）。

《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》針對(duì)接縫面的抗剪能力描述如下：結(jié)合面的受剪承載力主要包括新舊混凝土結(jié)合面的粘結(jié)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(shè)計(jì)時(shí)偏于安全不考慮結(jié)合面的粘結(jié)力，特別是在地震作用下，混凝土自然粘結(jié)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(jié)力，從而最終得到接縫面的抗剪能力計(jì)算公式：

式中：Vu為持久設(shè)計(jì)狀況下接縫受剪承載力設(shè)計(jì)值；VuE為地震設(shè)計(jì)狀況下接縫受剪承載力設(shè)計(jì)值；Acl為疊合梁端面后澆混凝土疊合層截面面積；fc為預(yù)制構(gòu)件混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；fy為垂直穿過結(jié)合面鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；Ak為各鍵槽的根部截面面積之和；Asd為垂直穿過結(jié)合面所有鋼筋的面積之和；N為與剪力設(shè)計(jì)值對(duì)應(yīng)的垂直于結(jié)合面的軸向力設(shè)計(jì)值，取絕對(duì)值進(jìn)行計(jì)算。

美國(guó)AASHTO規(guī)范針對(duì)預(yù)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(yīng)力，另一部分為接縫面上的摩擦力。

式中：Vj為剪應(yīng)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(qiáng)度；σn為接縫上的壓應(yīng)力；Asm為破壞面上的摩擦接觸面積。

本文選取的計(jì)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(duì)應(yīng)接縫面的抗扭能力也是由兩部分構(gòu)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(duì)鋼筋造成的銷栓剪力值Vi計(jì)算見式（5）：

式中：xi、yi分別為鋼筋距結(jié)構(gòu)形心的距離。

從圖1可見，承受剪力最大也是抗扭計(jì)算控制的節(jié)點(diǎn)位置為圖1所示的1處。1處控制點(diǎn)的抗剪能力確定后，由銷栓力提供的抗扭能力即可確定。經(jīng)過推導(dǎo)，得到整個(gè)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(jù)《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》，接縫面摩擦力取壓力的0.8倍，由式（1）推導(dǎo)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(xiàng)為鋼筋銷栓提供的抗扭力；第2項(xiàng)為軸向壓力提供的抗扭力。

3 實(shí) 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(jié)構(gòu)為連續(xù)梁，下部結(jié)構(gòu)為預(yù)制裝配式橋墩，橋墩截面尺寸為1.5m×2m，沿順橋向布設(shè)間距為180 mm、直徑為40 mm的鋼筋12根，橫橋向共布設(shè)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(jīng)上部結(jié)構(gòu)計(jì)算分析，得到軸向壓力為8 000 kN,節(jié)點(diǎn)連接方式為灌漿套筒連接，接縫為高強(qiáng)無(wú)收縮砂漿，需驗(yàn)算此接縫面的抗扭能力。根據(jù)本文給出的計(jì)算式（3）、式（8），結(jié)合截面尺寸以及配設(shè)的鋼筋情況，核算此截面的抗扭能力（假設(shè)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(jù)式（1）可得到混凝土開裂時(shí)的墩柱抗扭力為：

經(jīng)驗(yàn)算T＞T開裂，此接縫面滿足抗扭計(jì)算的要求，后續(xù)可按照式（2）進(jìn)行抗扭計(jì)算和配筋。

4 結(jié) 語(yǔ)

（1）國(guó)內(nèi)對(duì)預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)抗扭性能的重視度不夠高，事實(shí)上抗扭設(shè)計(jì)的好壞同樣決定結(jié)構(gòu)的承載力，應(yīng)予以重視。

（2）軸向壓力提供了很大一部分抗扭能力，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)提高接縫面的軸向壓力。若常規(guī)設(shè)計(jì)手段不能保證，可考慮采用張拉預(yù)應(yīng)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(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)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(chǔ)上進(jìn)行推導(dǎo)得到，后續(xù)還需進(jìn)行一系列試驗(yàn)給與這些公式實(shí)踐上的支撐。