承插式预制拼装桥墩抗震性能研究综述

姜海西，卫张震

（上海城投公路投资（集团）有限公司，上海市200020）

承插式预制拼装桥墩抗震性能研究综述

姜海西，卫张震

（上海城投公路投资（集团）有限公司，上海市200020）

承插式连接构造是预制桥墩与承台之间的一种拼接方式，与灌浆套筒和灌浆波纹管等以钢筋为对接单元的拼接构造相比施工精度要求较低，与现浇湿接缝，预应力节段干接等构造相比现场作业少，是桥梁下部结构预制拼装的一种有力竞争方案。现从试验研究、理论研究和工程应用三个方面对承插式构造抗震性能研究进行综述，以促进该技术在国内预制拼装桥墩建设中的应用。

插入连接构造；桥墩；抗震性能；研究综述

0 引言

随着我国城市化进程不断持续，许多大型城市的交通问题日益突出，城市路网的快速化迫在眉睫。在交通繁忙和居民众多的城市中心区域，为了缓解桥梁施工期间对周围交通的干扰，降低施工中产生的各种噪声，消除扬尘污染，尽量减少不必要的拆动迁，需要缩短现场施工时间，减少施工作业面，尽快开放交通。这些都表明，城市桥梁建设所受到的制约因素在迅速增多，快速施工、绿色施工、文明施工正成为当前我国桥梁建设面临的迫切需求，这一需求推动了预制拼装桥梁技术的发展。

节段拼装有关技术研究和应用在我国相对较少,已有的应用和研究主要集中在上部结构[1],对于下部结构的实际应用，工程界在借鉴国外的经验和技术的基础上,目前正逐渐增多。桥墩在地震中很容易遭受破坏。因此，预制拼装桥墩的抗震研究受到了广泛关注。国内外的研究人员和工程设计人员依据桥型特点、施工条件和所处工程环境等因素，对预制拼装桥墩节点处的连接构造提出了多种方案，主要可归结为灌浆金属波纹管连接、灌浆套筒连接、插槽式连接、承插式连接及混合式连接等几种连接方式[2,3]。

承插式适用于桥墩与承台基础连接，它最大的特点在于施工精度要求相对较低，施工工序比较简单，现场作业量少。对于这种连接构造，国外的一些学者根据当地实际应用的要求提出了几种具体的构造形式，并对其抗震性能做了初步的研究和分析工作[4-15]。而在国内，对承插式连接的具体构造形式及其抗震性能的研究还几乎是空白。因此，本文从试验研究、理论研究和应用实践等方面对上述构造进行研究综述。并对亟待研究的问题和可能的解决方法进行展望,以促进该技术在国内的应用。

1 承插式连接构造及特点

承插式接缝连接构造是将预制墩身插入基础的预留孔内，桥墩与基础之间没有钢筋连接，底部铺设一定厚度的砂浆，基础可以是现浇的，也可以是预制的，见图1所示。该连接构造优点是施工工序简单，现场作业量少。但关于节点处的力学行为、墩柱埋入深度与墩柱尺寸的关系、插孔界面粗糙度等问题，还有待进一步研究。目前，国内外均有一些桥梁已采用了该连接构造进行建造。

图1 承插式立柱拼装示意图

2 试验研究现状

2006年，意大利Paolo Riva等[4]研究了承插式连接和灌浆套筒连接的抗震性能。试验结果表明，承插式连接试件滞回响应较稳定，没有发现明显的强度退化现象。与其他试件相比，承插式连接试件在墩底的弯曲裂缝开展现象更为明显，裂缝长度与墩柱尺寸几乎相等。灌浆套筒连接与现浇整体式连接和承插式连接的延性能力相仿，滞回耗能稍差。

2012年，坎贝雷大学M.Mashal和A.Palermo[5]研究了一种桥梁下部结构预制拼装体系，其中，桥墩、盖梁和承台均为预制构件，桥墩与承台之间采用承插式连接，如图2所示。

图2 预制桥墩与承台连接过程（坎贝雷大学）之实景

2013年，华盛顿大学Haraldsson、Janes等人[6-8]在FHWA资助下研究了预制桥墩与现浇基础承插式连接构造（Column-to-footing Socket Connection）的抗震性能。该连接构造与传统现浇连接相比，有两个突出的特点：（1）桥墩与承台之间没有钢筋穿过；（2）桥墩的纵筋在墩底没有向外弯出并延伸至现浇基础内，而是采用锚固头(headed anchors)的构造形式（见图3）。研究表明，传统的向外弯出钢筋的锚固形式，主要依靠弯钩处钢筋与混凝土的粘结作用来提供锚固力，传力效果不好。而与之相比，采用锚固头的钢筋构造形式，在节点处的传力更为直接和有效。此外，从施工的角度讲，后者也更易于浇筑、运输和安装。

图3 Socket连接细部构造（华盛顿大学）之实景

2013年6月，美国华盛顿大学Hung Viet Tran等[9]在联邦公路局（FHWA）资助下研究了桥墩与钻孔灌注桩承插式连接（Column-to-Drilled Shaft Socket，见图4）的抗震性能。研究人员设计了两个试件（DS1和DS2），两个试件唯一的区别在于，DS2试件连接处使用的箍筋量要比DS1试件少一半，目的是通过观察连接区域的破坏现象来研究其内在的传力机制。对两个试件进行了拟静力试验。试验结果同设计时预计的情况一样。DS1以墩柱破坏行为为主，在墩底发生弯曲破坏，而在钻孔桩内的连接区域基本没有破坏；DS2的破坏现象以钻孔桩的变形为主，连接区域产生了撬动效应（prying action）。

图4 预制墩柱与钻孔桩Socket连接之实景

3 理论分析

承插式连接构造最早被用于工民建结构，当时人们最关心的是该构造中节点处的受力机理。

1996年，日本Yutaka Osanai等[10]对建筑结构墩柱-基础Socket连接构造进行了拟静力试验研究，继而基于试验研究的成果，推导出Socket连接墩柱-基础构件在水平力和轴向力作用下的节点受力计算公式，最后，基于上述计算公式提出了一套Socket连接的设计方法。该文重点分析了在不同埋深情况下，剪力键的传力机理。结论是，当埋深大于等于1.5D（D为墩柱直径）时，不需要设剪力键，建议摩擦系数取1.0；当埋深在1.25D和1.5D之间时，需要设剪力键，建议摩擦系数取1.0；当埋深等于1.0D时，需要设剪力键，建议摩擦系数取0.5。不足之处在于，没有讨论埋深和墩柱钢筋锚固长度的关系，而且得出的结论是基于特定尺寸的剪力键，不具备代表性。

自2004年起，CANHA,R.M.F.等对建筑结构墩柱-基础Socket连接节点处的受力行为开展了一系列的试验研究和理论分析[11][12][13]。CANHA,R.M.F.等先后研究了有剪力键的Socket连接构造和无剪力键的Socket连接构造，并分别提出了相应的解析公式。对于有剪力键的Socket连接构造，提出了剪力键剪力计算公式，分析了剪力键尺寸对抗剪能力的影响，并给出了剪力键最大尺寸和最小尺寸的建议。其结论指出，墩柱的纵筋在0.5倍埋深附近应变最大，由此导出纵筋的锚固长度约为0.5倍墩柱埋深。

近些年，随着桥梁施工技术的不断提高，承插式连接构造被越来越多地应用到桥梁结构的施工当中。2013年，华盛顿大学Haraldsson、Janes等人在试验研究的基础上，推导和提出了承插式连接预制拼装桥墩-扩大基础结构的设计公式。

同年，华盛顿大学Hung Viet Tran等在试验研究的基础上，提出了一种针对桩柱承插式连接构造的三维拉-压杆模型（见图5），以研究其传力机理。分析结果表明，该模型的计算结果与试验结果吻合较好，因而可以用该模型较好地阐释桩柱承插式连接构造的传力机制。

图5 三维拉-压杆模型

4 应用实践

在美国，许多城市高架桥和公路桥梁的基础形式为扩大基础（Spread Footing），为了加快施工进度，一些桥梁工程采用了预制桥墩与扩大基础承插式连接，如华盛顿州SR520公路的一座桥梁使用了承插式连接构造（见图6）。

图6 美国华盛顿州SR520公路桥梁所采用的承插式连接构造形式之实景

此外，2013年，华盛顿大学的研究人员基于他们的研究成果，做了两个示范工程设计。一个是华盛顿州Interstate 5号公路的US 12桥，采用了预制桥墩与扩大基础承插式连接（见图7），另外一个是US 101 Bone River桥，采用了预制桥墩与钻孔桩承插式连接。

图7 美国US 12 Bridge所用承插式构造连接构造形式之实景

2016年，中国上海嘉闵高架北二段桥梁工程有3 km采用了桥梁全预制拼装技术，其中一座匝道桥采用了承插式连接构造，预制桥墩与现浇承台或预制桥台连接（见图8）。

图8 中国上海嘉闵高架承插式连接构造之实景

5 结语和展望

预制节段拼装桥墩拼装施工工期短，可以在预制场预制构件，受周围外界干扰少，但对运输、起重机械设备要求较高。节段拼装桥墩技术比较适用于桥梁长度较长，桥墩数量较多的工程，预制构件相对容易标准化，能更加发挥预制工艺的优点。

桥墩预制拼装研究较多构造形式有灌浆金属波纹管连接、灌浆套筒连接、承插式连接和混合式连接等。其中，灌浆套筒连接和灌浆金属波纹管连接施工工期特别短（仅需1～2 d），但对现场拼装容差和灌浆施工质量要求较高。相比之下，承插式最大优势在于，拼装施工时所能容许的误差较大，施工工序比较简单，现场作业量较少，施工工期仅略长。

目前国内对承插式连接构造的抗震性能研究还很少，有必要探究适合国内工程实际的构造形式，通过试验研究找到其变形过程、破坏状态、极限承载力和延性指标等的规律性，为实际工程设计提供可靠的基础性技术资料。

[1]李国平.体外预应力混凝土桥梁设计计算方法[D].上海：同济大学，2006.

[2]Tobolski M J,Matsumoto E E,Restrepo J I.NCHRP 12-74 Development of Precast Bent Cap Systems for Seismic Regions-Background and Progress[C]//National Seismic Conference on Bridges&Highways.2006.

[3]Marsh M L,Stanton J F,Wernli M,et al.Application of Accelerated Bridge Construction Connections in Moderate-to-High Seismic Regions[J].Nchrp Report,2011.

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[5]M.Mashal,A.Palermo.Quasi-static cyclic testing of half-scale fully precast bridge substructure systemin high seismicity.[C]//National Seismic Conference on Bridges&Highways.2006.

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[7]Marsh M L,Stringer S J,Stanton J F,et al.Precast Bent System for High Seismic Regions[J].Bridge Design,2013.

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[14]Marsh M L,Stringer S J,Stanton J F,et al.Precast Bent System for High Seismic Regions,Appendix B:Design Example No.1[J].Bridge Design,2013.

[15]Marsh M L,Stringer S J,Stanton J F,et al.Precast Bent System for High Seismic Regions,Appendix C:Design Example No.2[J].Bridge Design,2013.

U443.22

B

1009-7716（2017）12-0056-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.12.016

2017-09-07

姜海西（1981-），男，江苏建湖人，博士研究生，高级工程师，从事公路、桥梁、隧道等基础设施投资建设管理和预制拼装技术研发工作。