承插式預(yù)制實(shí)體矩形截面橋墩抗震性能研究

張智然 盧永成 齊新 趙晨 林國(guó)才

承插式預(yù)制實(shí)體矩形截面橋墩抗震性能研究

張智然1，*盧永成1齊新1趙晨1林國(guó)才2

（1.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海 200092； 2.同濟(jì)大學(xué)橋梁工程系，上海 200092）

承插式連接具有施工便捷、容錯(cuò)性大的優(yōu)點(diǎn)，在預(yù)制拼裝橋墩施工中得到了越來越多的關(guān)注。市政橋梁通常采用矩形截面的預(yù)制橋墩，通過將其直接置于承臺(tái)預(yù)留的孔洞中并澆筑填縫料后形成整體。設(shè)計(jì)制作了1個(gè)大比例尺1∶2的承插式橋墩試件和1個(gè)現(xiàn)澆試件，通過擬靜力試驗(yàn)，比較承插式裝配橋墩和現(xiàn)澆橋墩在破壞模式、滯回曲線、骨架曲線、耗能水平、殘余位移等方面的不同。試驗(yàn)結(jié)果表明，通過具體的抗震設(shè)計(jì)可以使承插深度為1.0的預(yù)制橋墩具有與現(xiàn)澆橋墩等同或接近的抗震性能。

承插式連接， 預(yù)制， 抗震性能， 擬靜力試驗(yàn)

0 引 言

隨著我國(guó)交通事業(yè)的迅速發(fā)展，橋梁工程領(lǐng)域出現(xiàn)了橋梁快速施工技術(shù)。橋梁快速施工技術(shù)，即橋梁上部和下部結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)件采用工廠預(yù)制，現(xiàn)場(chǎng)拼裝施工的一項(xiàng)技術(shù)，極大地提高了施工質(zhì)量，縮短了施工周期。承插式橋墩是近年來為順應(yīng)橋梁快速施工技術(shù)出現(xiàn)的一種裝配式橋墩結(jié)構(gòu)形式，是將預(yù)制橋墩插入到基礎(chǔ)預(yù)留孔內(nèi)，橋墩與基礎(chǔ)之間沒有鋼筋連接，孔周圍用嵌縫材料填充而形成的結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)的現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)相比，承插式橋墩施工簡(jiǎn)單，施工容許誤差大，是橋梁下部結(jié)構(gòu)預(yù)制拼裝的一種有力競(jìng)爭(zhēng)方案［1］。但是地震作用下橋梁下部結(jié)構(gòu)易遭到破壞，尤其是承插式連接處是抗震性能的薄弱環(huán)節(jié)［2］，有必要開展試驗(yàn)探究現(xiàn)澆橋墩與承插式橋墩的抗震性能的差異，以確定其可靠性。國(guó)內(nèi)已經(jīng)有試驗(yàn)研究承插式圓柱橋墩和預(yù)制管墩的抗震性能［3-4］，研究結(jié)果表明，承插深度為1.0的裝配橋墩與現(xiàn)澆橋墩破壞模式相同，均為墩柱彎曲破壞，但是文章中沒有提及使承插式裝配橋墩的抗震性能接近于整體式現(xiàn)澆橋墩的承插深度與灌漿料強(qiáng)度的數(shù)值設(shè)置；文獻(xiàn)［5］研究了承插接觸面處理對(duì)橋墩的抗震性能的影響，結(jié)果表明，當(dāng)加載等級(jí)較高時(shí)，粗糙接觸面的橋墩的抗震性能更優(yōu)；對(duì)于最小合理承插深度的探究［6］，研究結(jié)果表明，不同的承插深度可以達(dá)到相同的彎曲破壞模式；對(duì)于公路橋裝配式橋墩承插式連接的樁基承臺(tái)研究［7］，結(jié)果表明，承插式連接樁基承臺(tái)設(shè)置U形抗沖切鋼筋后，承臺(tái)底板未發(fā)生局部的沖切破壞。國(guó)外相關(guān)研究方面，2004年，Canha等［8-9］對(duì)建筑結(jié)構(gòu)柱—擴(kuò)大基礎(chǔ)承插式連接節(jié)點(diǎn)處的受力行為開展了一系列的試驗(yàn)研究和理論分析，結(jié)果表明，構(gòu)件的破壞是由于埋置區(qū)外的縱筋屈服引起的，橫向鋼筋受力不大；2010年，Marsh等［10-11］在前人研究的基礎(chǔ)上提出了一種預(yù)制拼裝橋墩體系，即橋墩與蓋梁節(jié)點(diǎn)采用粗鋼筋灌漿金屬波紋管連接，橋墩與基礎(chǔ)節(jié)點(diǎn)采用承插式連接方式，試驗(yàn)結(jié)果表明，這種連接的強(qiáng)度和延性與現(xiàn)澆連接相似；2013年，華盛頓大學(xué)Haraldsson等［12］研究了預(yù)制橋墩與現(xiàn)澆基礎(chǔ)承插式連接構(gòu)造的抗震性能，結(jié)果表明，在循環(huán)荷載、橫向荷載作用下，承插式連接構(gòu)造的至少能達(dá)到與現(xiàn)澆試件相同的抗震性能；2019年，Cheng等［13］為了實(shí)現(xiàn)橋墩與蓋梁以及承臺(tái)的可靠連接，建議使用承插式連接，并且通過試驗(yàn)，對(duì)承插連接的側(cè)剪強(qiáng)度進(jìn)行了試驗(yàn)探究，試驗(yàn)結(jié)果表明承插連接可以提供較大的剪力，對(duì)于豎向荷載的傳遞是有利的。但是上述研究涉及的多是擴(kuò)大基礎(chǔ)-圓形截面橋墩，對(duì)于城市橋梁中常用的樁基承臺(tái)-矩形截面承插式橋墩的抗震性能研究相對(duì)不足，影響了其實(shí)際工程的推廣應(yīng)用。

因此，本文設(shè)計(jì)制作了1個(gè)大比例尺1∶2的承插式橋墩試件和1個(gè)對(duì)比的現(xiàn)澆試件，通過擬靜力試驗(yàn)，比較在破壞模式、滯回曲線、骨架曲線、耗能水平、殘余位移等方面的不同，為承插式矩形截面實(shí)體橋墩在高烈度區(qū)的推廣應(yīng)用提供必要的設(shè)計(jì)指導(dǎo)和技術(shù)儲(chǔ)備。

1 試件模型設(shè)計(jì)

圖1　原型橋墩截面圖（單位：cm）

考慮到模型試驗(yàn)的難度，實(shí)際條件的限制以及試驗(yàn)準(zhǔn)確性的要求，確定模型相似比1∶2，對(duì)于承插接縫部位和鋼筋，考慮等效縮尺。根據(jù)縮尺比計(jì)算可得，模型橋墩截面寬度為90 cm×80 cm，試件的墩高根據(jù)剪跨比為3來確定，S1試件墩身長(zhǎng)度為270 cm，S2墩身長(zhǎng)度360 cm，凈高度均為270 cm（對(duì)于承插式試件，從承插孔頂起算凈高度）；模型承臺(tái)尺寸為（260×245×100） cm；承臺(tái)底部的鋼筋混凝土樁基直徑為50 cm，伸出承臺(tái)50 cm。兩個(gè)試件如圖2、圖3所示。

圖2　S1試件（單位：cm）

圖3　S2試件（單位：cm）

擬靜力試驗(yàn)加載示意圖如圖4所示。

圖4　擬靜力試驗(yàn)加載示意圖

試件加載采用壓彎加載模式，在軸壓比0.157的基礎(chǔ)上施加水平循環(huán)荷載，然后通過豎向作動(dòng)器分級(jí)加載至目標(biāo)豎向荷載，水平加載采用位移控制加載，每個(gè)位移等級(jí)循環(huán)3次，加載幅值為4 mm、8 mm、16 mm、24 mm、32 mm、48 mm、64 mm、80 mm、112 mm、144 mm、176 mm。每次循環(huán)結(jié)束進(jìn)行試件破壞情況的觀察和裂縫數(shù)據(jù)的記錄。加載頻率0.01 Hz，數(shù)據(jù)采集頻率5 Hz。最終獲得力—位移關(guān)系曲線，并觀察記錄試件損傷過程。

2 試驗(yàn)現(xiàn)象描述

整個(gè)試件加載過程中，通過試驗(yàn)觀察，描述試件的破壞過程和破壞形態(tài)。試驗(yàn)前采用墻面漆封刷并繪制間隔為10 cm的網(wǎng)格，以便在試驗(yàn)過程中觀察裂縫的開展情況。試驗(yàn)用紅筆和藍(lán)筆描出了裂縫的開展情況，采用DHCK-2裂縫顯微測(cè)寬儀測(cè)量了不同荷載下的主要裂縫寬度。在整個(gè)試驗(yàn)中采用位移控制加載，加載方向?yàn)槟媳狈较?，與之垂直的為東西方向，如圖5所示。

圖5　加載方位定義

2.1　橋墩試驗(yàn)現(xiàn)象

本次試驗(yàn)分別進(jìn)行豎向加載和水平加載，當(dāng)豎向加載至設(shè)計(jì)荷載后保持恒定，隨后進(jìn)行水平位移加載。在豎向荷載作用下S1與S2均無(wú)明顯現(xiàn)象。當(dāng)進(jìn)行水平位移加載時(shí)，S1與S2 呈現(xiàn)出相似的損傷現(xiàn)象。當(dāng)水平位移加載至8 mm時(shí)，S1、S2均出現(xiàn)水平裂縫。加載至16 mm時(shí)，S2出現(xiàn)斜裂縫，此時(shí)S1未觀察到斜裂縫。隨著荷載等級(jí)的增大，開始出現(xiàn)混凝土保護(hù)層剝落、縱筋箍筋屈曲等現(xiàn)象。對(duì)應(yīng)于各個(gè)損傷級(jí)別，S1與S2的試驗(yàn)現(xiàn)象如表1所示。

表1　 S1、S2橋墩試驗(yàn)現(xiàn)象

S1、S2橋墩的部分試驗(yàn)現(xiàn)象如圖6所示。

圖6　橋墩部分試驗(yàn)現(xiàn)象

2.2　承臺(tái)試驗(yàn)現(xiàn)象

試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)現(xiàn)澆試件（S1）的承臺(tái)與承插式試件的承臺(tái)（S2）均存在開裂現(xiàn)象，但是開裂現(xiàn)象存在差別?，F(xiàn)澆試件（S1）的承臺(tái)裂縫首先出現(xiàn)在橋墩與承臺(tái)的交界位置，隨著荷載等級(jí)的增大逐步向承臺(tái)的側(cè)邊延伸，最大裂縫寬度0.27 mm。承插式試件（S2）的嵌縫部位首先出現(xiàn)裂縫，隨著荷載等級(jí)的增大逐步向承臺(tái)的凸臺(tái)部分延伸，但是不再向承臺(tái)主體部分繼續(xù)延伸。

S1、S2的部分承臺(tái)試驗(yàn)現(xiàn)象如圖7所示。

圖7　承臺(tái)部分試驗(yàn)現(xiàn)象

圖7對(duì)應(yīng)S1、S2的承臺(tái)頂面裂縫如圖8所示。

圖8　承臺(tái)頂面裂縫圖

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

本章通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，討論能夠表征鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震性能的幾個(gè)指標(biāo)，包括滯回曲線、骨架曲線、耗能能力、殘余位移等。通過這些指標(biāo)的對(duì)比，說明現(xiàn)澆橋墩與承插深度為1.0的承插式橋墩抗震性能的異同。

3.1　滯回曲線

在循環(huán)荷載作用下，S1、S2的滯回曲線如圖9所示。滯回環(huán)包圍的面積代表在低周反復(fù)荷載作用一周時(shí)結(jié)構(gòu)消耗的能量。本次試驗(yàn)的各個(gè)試件加載至144 mm時(shí)，其水平承載能力已經(jīng)降至最大水平承載能力的85%。為了觀測(cè)試件的最終破壞形態(tài)，各試件最終加載至176 mm?？傮w而言，S1與S2的滯回曲線是高度重合的，因此S1與S2的抗震性能接近。在低加載等級(jí)階段，各個(gè)試件基本處于彈性狀態(tài)，力和位移的關(guān)系表現(xiàn)為近似線性。隨著混凝土開裂、鋼筋屈服、保護(hù)層剝落等現(xiàn)象的產(chǎn)生，各個(gè)試件進(jìn)入了非線性的彈塑性狀態(tài)，滯回環(huán)的面積逐漸增大，耗能增強(qiáng)。

圖9　滯回曲線

3.2　骨架曲線

將往復(fù)加載時(shí)各次滯回曲線的峰點(diǎn)連接起來，就得到了滯回曲線的包絡(luò)線，即骨架曲線。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，只是極限荷載略低一些，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)。骨架曲線在研究彈塑性地震反應(yīng)時(shí)是非常重要的。觀察圖10可以發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)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)。但是這兩個(gè)試件都沒有明顯的正的屈后剛度。從骨架曲線可以得到S1的屈服位移約為30.2 mm，對(duì)應(yīng)的屈服荷載為728.6 kN；S2的屈服位移約為27.7 mm，屈服荷載為727.9 kN，兩者差距不超過10%。

圖10　骨架曲線

3.3　耗能能力

在循環(huán)荷載作用下，從開始到破壞滯回耗能的總量稱為累計(jì)耗能，即每個(gè)滯回曲線的面積之和。各個(gè)試件每一個(gè)位移加載等級(jí)所對(duì)應(yīng)的耗能能力如圖11所示。從加載開始直至構(gòu)件水平承載能力降至最大承載能力的85%（0～144 mm），S2的累計(jì)耗能略大于S1。加載至176 mm，S1的累計(jì)耗能1 204 kN·m，S2累計(jì)耗能1 457 kN·m。因此S2的耗能能力略大于S1。

圖11　累計(jì)耗能

3.4　殘余位移

殘余位移是指構(gòu)件從加載位移卸載至力為零時(shí)，構(gòu)件產(chǎn)生的塑性變形。對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)，地震作用后，如果橋墩的殘余位移保持在較低水平，不僅有利于橋梁震后的繼續(xù)運(yùn)營(yíng)，保障救援工作的開展，對(duì)于震后橋墩的整體修復(fù)工作也有重要的現(xiàn)實(shí)意義。圖12給出了試件的殘余位移與位移荷載等級(jí)之間的關(guān)系，兩個(gè)試件加載至各個(gè)位移等級(jí)，殘余位移水平相近。當(dāng)加載至176 mm時(shí)，S1殘余位移達(dá)到最大，為118 mm，此時(shí)S2殘余位移為124 mm，兩者相差不超過6%。

圖12　殘余位移

4 結(jié) 論

本文以實(shí)際工程為依托，設(shè)計(jì)制作了1個(gè)大比例尺1∶2的承插式橋墩試件和1個(gè)對(duì)比現(xiàn)澆試件，進(jìn)行了擬靜力試驗(yàn)。通過觀察承插式橋墩和現(xiàn)澆橋墩的試驗(yàn)現(xiàn)象以及對(duì)于試驗(yàn)結(jié)果的描述與分析，主要得到以下結(jié)論：

（1） 1.0的承插深度能夠?yàn)榫匦谓孛鎸?shí)體橋墩提供有效的錨固約束作用，產(chǎn)生與現(xiàn)澆試件一致的彎曲破壞模式且具有等同現(xiàn)澆的抗震性能。

（2） 承插試件與現(xiàn)澆試件的承臺(tái)開裂情況存在差異，前者由于凸臺(tái)的作用，嵌縫處的裂縫僅向凸臺(tái)延伸，而不是像現(xiàn)澆試件一樣延伸至承臺(tái)主體。

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Study on Seismic Performance of Precast Solid Rectangular Piers with Socket Connection

ZHANGZhiran1，*LUYongcheng1QIXin1ZHAOChen1LINGuocai2

（1.Shanghai Municipal Engineering Design Institute（Group）CO.，LTD.， Shanghai 200092， China； 2.Department of Bridge Engineering，Tongji University， Shanghai 200092， China）

Socket connection has the advantages of convenient construction and large fault tolerance， which has been paid more and more attention in the construction of prefabricated piers. Municipal bridges usually use precast piers with rectangular cross-section，which are directly placed in the holes reserved in the pile cap and poured with joint filler to form a whole.In this paper，a large-scale 1∶2 socket connection specimen and a cast-in-place specimen are designed and manufactured. Through the quasi-static test， the differences of failure mode， hysteretic curve， skeleton curve， energy consumption level and residual displacement between the socket connection assembly pier and cast-in-place pier are compared. The test results show that the precast pier with embedment depth of 1.0D can have the same or similar seismic performance as the cast-in-place pier through the specific seismic design.

socket connection， precast， seismic performance， quasi-static test

2021-03-13

聯(lián)系作者：張智然，男，主要研究方向?yàn)檠b配式橋梁。E-mail： zhangzhiran@smedi.com