基于焊接鋼板定位的裝配式橋墩抗震性能分析

史彪之，裴雪揚(yáng)

（1.中鐵四局集團(tuán)第二工程有限公司，江蘇 蘇州215131；2.鹽城工學(xué)院，江蘇 鹽城 224051）

0 引言

裝配式橋梁因施工快捷、綠色環(huán)保以及對交通影響小等特點，在城市建設(shè)中得到廣泛使用。預(yù)制構(gòu)件連接可靠性是確保橋梁預(yù)制裝配技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵所在，橋墩與承臺之間的連接性能是預(yù)制裝配式的研究熱點[1，2]。

灌漿波紋管連接作為一種常見預(yù)制構(gòu)件連接方式，因其具有施工快捷、構(gòu)造簡單的特點，經(jīng)常應(yīng)用在預(yù)制墩柱與承臺、蓋梁的連接中[3，4]。灌漿波紋管連接的廣泛使用，提高了對實際工程中拼裝的精度要求。在波紋管連接實際施工過程中，因鋼筋錨固長度較長，波紋管或鋼筋的位置容易發(fā)生偏移，會影響鋼筋的搭接，甚至導(dǎo)致鋼筋無法按照設(shè)計圖紙的要求插入預(yù)留孔洞中，進(jìn)而影響裝配式橋墩的抗震性能[5，6]。為解決波紋管連接的預(yù)制構(gòu)件安裝精度問題，本文依托無錫鳳翔路快速化改造中的裝配式橋梁施工項目，進(jìn)行裝配式橋墩的預(yù)制構(gòu)件連接優(yōu)化研究。利用柱底和承臺之間留有孔洞的鋼板，以確?？v筋和灌漿波紋管的精確定位。墩柱與承臺之間焊接鋼板對于橋墩構(gòu)件的抗震性能的影響好壞，是該連接形式能否采用的關(guān)鍵所在[7，8]。

為研究采用焊接鋼板定位的裝配式橋墩的抗震性能，設(shè)計不包含焊接鋼板和采用焊接鋼板定位的兩種裝配式橋墩構(gòu)件的縮尺模型，并開展擬靜力試驗以進(jìn)行對比分析。通過分析滯回曲線、骨架曲線，判斷焊接鋼板是否會改變裝配式橋墩的抗震性能。在試驗結(jié)束后切割試件，觀察波紋管與混凝土粘結(jié)的可靠性，并觀察鋼板焊縫是否發(fā)生破壞。綜合分析基于焊接鋼板定位的裝配式橋墩的抗震性能，為預(yù)制構(gòu)件的連接優(yōu)化提供一定參考意見。

1 工程概況

1.1 試件概況

有鋼板和無鋼板的裝配式橋墩外部尺寸相同，正方形墩柱邊長為400 mm，見圖1。墩柱和承臺中鋼筋強(qiáng)度均為HRB400，墩柱縱筋直徑為18 mm，承臺縱筋直徑為25 mm，箍筋直徑為8 mm，金屬波紋管直徑55 mm。墩柱底部和承臺頂部的鋼板厚度均為10 mm，孔洞圓心位置與鋼筋對應(yīng)。

圖1 裝配式混凝土橋墩尺寸圖（單位：mm）

1.2 加載方式

在墩柱頂部設(shè)置950 kN 的豎向壓力，對應(yīng)0.3的軸壓比。采用位移控制的加載方式，水平加載中心距離柱頂約200 mm，每個位移幅值循環(huán)三次，初步設(shè)置的水平位移加載幅值為：2、4、8、16、24、34、44、54、64、74、84，單位為mm。在2 和4 mm 滯回位移循環(huán)中，加載速率分別為2 和4 mm/min；此后循環(huán)中，加載速率數(shù)值為加載幅值的一半。

2 擬靜力試驗結(jié)果分析

2.1 試驗破壞現(xiàn)象

2.2.1 無鋼板裝配式橋墩

滯回位移為2 mm 和4 mm 時，試件表面未出現(xiàn)明顯現(xiàn)象。滯回位移為16 mm 時，橋墩東西出現(xiàn)短裂縫。當(dāng)滯回位移為24 mm 時，橋墩南北表面出現(xiàn)斜裂縫，東西兩面出現(xiàn)新裂縫。滯回位移為34 mm、44 mm時，墩柱東西表面底部混凝土出現(xiàn)壓碎現(xiàn)象，橫向裂縫逐漸貫通。滯回位移為64 mm 時，墩柱南北表面混凝土破壞現(xiàn)象明顯加載機(jī)器顯示滯回曲線出現(xiàn)大幅度突降，停止試驗。圖2 是無鋼板裝配式橋墩在不同階段的破壞現(xiàn)象。值得注意的是，圖2（d）是在試驗停止后，將柱表面破碎混凝土輕輕碰掉，觀察到鋼筋發(fā)生彎曲。

圖2 無鋼板裝配式橋墩破壞圖

2.2.1 有鋼板裝配式橋墩

滯回位移為2 mm、4 mm 時，試件表面未出現(xiàn)明顯現(xiàn)象。當(dāng)滯回位移為8 mm 和16 mm 時，墩柱東西面出現(xiàn)短裂縫。當(dāng)滯回位移為34 mm 時，東西兩面出現(xiàn)新裂縫，南北表面斜裂縫增多，墩柱西表面底部混凝土出現(xiàn)起皮現(xiàn)象。滯回位移為44 mm、54 mm 時，墩柱東西表面底部混凝土出現(xiàn)壓碎現(xiàn)象，橫向裂縫逐漸貫通；南北表面斜裂縫逐漸貫通，和東西表面裂縫相交。滯回位移為64 mm 時，墩柱南北表面底部兩側(cè)混凝土劈裂，墩柱東西表面底部混凝土大面積脫落，鋼筋出現(xiàn)彎曲。圖3 是包含焊接鋼板的裝配式橋墩在不同階段的破壞現(xiàn)象。此處圖3（d）是在試驗停止后，將柱表面破碎混凝土輕輕碰掉，觀察到鋼筋發(fā)生彎曲。

圖3 有鋼板裝配式橋墩破壞圖

綜上所述，有鋼板和無鋼板兩種裝配式橋墩試件，都經(jīng)歷了裂縫開展、柱底混凝土局部破壞、保護(hù)層混凝土剝落以及鋼筋彎曲（屈服）的過程，混凝土最終破壞形式均呈現(xiàn)出彎曲破壞的規(guī)律。

2.2 滯回曲線

基于試驗結(jié)果，圖4 給出有鋼板和無鋼板兩種裝配式橋墩試件的滯回曲線。二者的滯回曲線，均經(jīng)歷先上升，達(dá)到峰值，然后下降三個階段。滯回位移級別達(dá)到16 mm 后，發(fā)生較為明顯的滯回現(xiàn)象。無鋼板試件的荷載峰值出現(xiàn)在滯回位移-54 mm 處，數(shù)值為-192 kN，有鋼板試件的荷載峰值出現(xiàn)在滯回位移-44 mm 處，數(shù)值為-199 kN。滯回位移為負(fù)時，34 mm、44 mm 和54 mm 三個級別的荷載峰值十分接近；滯回位移為正值時，荷載峰值在44 mm 之后有下降趨勢。曲線均于64 mm 時發(fā)生突降，第二循環(huán)以后的曲線峰值明顯低于第一次循環(huán)的曲線峰值，與試驗破壞現(xiàn)象中最后的明顯破壞相對應(yīng)。

圖4 滯回曲線（單位：kN）

2.3 骨架曲線

基于每個滯回環(huán)的荷載峰值，圖5 給出了兩種試件的骨架曲線，直觀體現(xiàn)滯回循環(huán)中荷載峰值與位移的關(guān)系。有鋼板和無鋼板兩種裝配式橋墩試件的骨架曲線十分接近，說明二者有著接近的承載能力。仔細(xì)觀察骨架曲線34 mm、44 mm 和54 mm 部分，曲線在34 mm 和44 mm 時發(fā)生下降，對應(yīng)著破壞現(xiàn)象中的東西面底部混凝土出現(xiàn)壓碎，兩種試件最大承載力應(yīng)該出現(xiàn)在滯回位移34 mm 與44 mm之間。

圖5 骨架曲線（單位：kN）

2.4 鋼板連接可靠性

終止試驗后，將橋墩試件切割開，觀察焊接鋼板與墩柱以及承臺之間粘結(jié)情形。焊接鋼板與混凝土之間未出現(xiàn)明顯分離現(xiàn)象，且焊縫處沒有開裂現(xiàn)象，驗證了焊接鋼板連接可靠性。

3 結(jié)語

針對裝配式橋墩施工過程中，金屬波紋管和插入鋼筋的位置固定難題，提出一種新的連接方式：在柱底和承臺上表面安置帶孔焊接鋼板以確保波紋管與鋼筋的精準(zhǔn)定位，再對鋼板進(jìn)行焊接操作以保證連接性能。設(shè)計不包含鋼板和采用焊接鋼板定位的兩種裝配式橋墩試件，并開展擬靜力試驗以對比分析抗震性能?；谠囼灲Y(jié)果，得出以下結(jié)論：

（1）基于焊接鋼板連接的裝配式橋墩試件形式，可實現(xiàn)預(yù)制墩柱和承臺之間波紋管和鋼筋的精準(zhǔn)定位，同時也能夠保證裝配式橋墩的抗震性能。

（2）焊接鋼板連接的裝配式橋墩試件，有著和無鋼板常見裝配式橋墩試件一樣的破壞形式，二者有著相同破壞規(guī)律，焊接鋼板未改變結(jié)構(gòu)的受力特點。

（3）焊接鋼板連接的裝配式橋墩試件，有著和無鋼板裝配式橋墩試件相類似的滯回曲線、骨架曲線，焊接鋼板未影響裝配式橋墩的抗震性能。

（4）焊接鋼板與混凝土粘結(jié)可靠，鋼板焊縫處未出現(xiàn)開裂，驗證了焊接鋼板連接的可靠性。