承插式连接离心预制管墩抗震性能试验研究

左光恒 黄遵义 曾玉昆 王志刚

（1.湖北交投江北东高速公路有限公司，武汉430040；2.中交第二公路勘察设计研究院有限公司，武汉430058）

0 引 言

随着我国经济迅速发展，迫切需要提升城市建设与交通线路建设的效率，这一需求推动了桥梁快速建造技术［1］（Accelerated Bridge Construction）的发展。虽然近些年国内的桥梁快速建造技术不断发展，这一技术的应用研究开始由上部结构拓展至下部结构［2］，如东海大桥［3-5］、杭州湾大桥［6］和港珠澳大桥［7］都应用了桥梁快速建造技术，但是对预制拼装下部结构抗震性能的研究仍然较少，而桥墩往往在地震中容易遭受破坏，因此有必要研究预制拼装桥墩的抗震性能。根据工程特点、施工条件和地质环境等因素，预制拼装桥墩节点处有多种连接构造方式，主要有灌浆金属波纹管连接［8］、灌浆套筒连接［9］以及承插式连接［10］等连接方式。其中承插式连接（Socket/Pocket Connection）适用于桥墩与承台基础的连接，而且施工效率高。目前，国外对于承插式构造的研究较多，Saiidi等［11-12］先后验证了不同类型承插连接构造的可靠性。相对而言，国内对承插式连接的研究相对匮乏，本文针对采用承插式连接构造的预制拼装桥墩，通过拟静力试验研究比较承插式管墩和整体现浇管墩的抗震性能来验证承插式连接的可靠程度并且为工程应用提供理论依据，推广承插式管墩的实际应用。

本文以实际工程为研究背景，即江北高速公路东延伸项目。该项目拟选用预制空心桥墩，预制桥墩与承台采用承插式拼接施工工艺。空心墩柱采用C70混凝土，墩内现浇填芯混凝土段，如图1（a）所示，预制墩柱底侧为锯齿形波纹状，预制墩柱截面尺寸为外直径140 cm、内直径90 cm。截面纵筋为外侧 36 根 28 mm 的 HRB400 钢筋，内侧18 根 16 mm 的 HRB400 钢筋。箍筋采用 10 mm 的HPB300 钢筋且箍筋间距为10 cm。原型桥墩配筋如图1（b）所示。高强砂浆调平层和墩柱外侧连接混凝土采用高强无收缩水泥灌浆料。高强无收缩水泥灌浆料应满足上海市工程建设规范［13］的相关要求。

图1 原型桥墩构造图（单位：cm）Fig.1 Structural diagram of prototype pier（Unit：cm）

1 试验方案设计

本文试验包括两个试件，分别为现浇管墩（S1）和采用承插式连接的预制管墩（S2），S1 试件作为S2 试件抗震性能研究的比较基准。S2 试件的构造特点是承台施工时预留墩柱承插孔。承台中心预埋波纹管，波纹管规格为内径76 cm，壁厚1.6 mm，高50 cm，波形68 mm×13 mm。承台底部设有4 个直径40 cm、高20 cm 的钢筋混凝土圆柱支撑。待预制桥墩插入承台预埋波纹管后，浇筑高强无收缩水泥灌浆料，并养护完成试件制作。

根据实验室试验设备的尺寸和实际工程桥墩尺寸，相似比定为1∶2。试件管墩的外直径为70 cm，壁厚12.5 cm；加载端尺寸为70 cm×70 cm×50 cm；承台尺寸为210 cm×238 cm×75 cm，孔洞直径为77 cm，高50 cm。承台底部布置和桩基础相同数量和尺寸的钢筋混凝土圆柱，伸出承台20 cm。2个试件的尺寸如图2 和图3 所示。图4 给出试验试件制作、现场拼装和拟静力试验加载的照片。

图2 S1试件（单位：cm）Fig.2 Specimen 1（Unit：cm）

图3 S2试件（单位：cm）Fig.3 Specimen 2（Unit：cm）

试验加载设备如图5 所示。垂向加载能力为10 000 kN 压力和3 000 kN 拉力，最大行程±300 mm；水平向加载能力为1 500 kN 推拉力，最大行程±400 mm；垂向作动器水平向主动跟随，最大随动行程±400 mm；水平向作动器垂向主动跟随，最大随动行程±900 mm。

图4 试件制作、安装及加载示意图Fig.4 Schematic diagram of construction，installation and loading

图5试验加载装置Fig.5 Test loading device

2 试验现象描述

本节将对两个试件试验过程中的损伤状态和最终破坏模式进行讨论。

试件加载过程中，通过观察，描述试件的破坏过程和破坏形态。加载前采用墙面漆封刷并绘制间隔为5 cm 的网格，以便在实验过程中观察裂缝的开展情况。加载时用黑色、红色、蓝色等不同颜色笔描出了裂缝的开展情况，采用DHCK-2 裂缝显微测宽仪测量不同荷载下的裂缝宽度。试验采用力-位移混合控制加载的方式，该加载制度先是采用力加载控制，当试件屈服后改为位移加载控制，直至试件破坏。加载方向为南北方向，与之垂直的为东西方向，如图6所示。

图6 加载方向示意Fig.6 Loading direction

2.1 S1试件试验现象和损伤状态描述

S1 试件破坏程度为Ⅰ级时，荷载为260 kN，如图7（a）所示，墩身出现微裂缝，卸载后裂缝闭合。没有损坏，不需要修复。破坏程度为Ⅱ级时，存在较多不规则裂纹，裂缝间距约10 cm。位移达到18 mm且试件屈服，在这个水平上，试件只需小修。破坏程度为Ⅲ级时，破坏程度如图7（b）所示，1.5 m（约2D）的高度，柱内有许多裂缝封闭，裂缝宽度增加到1～2 mm，出现多条超过于2 mm宽度的裂缝，柱脚和承台之间的裂缝，张开宽度约为11.48 mm。混凝土保护层部分剥落，柱脚混凝土被压碎，产生较少的倾斜裂缝。破坏程度为Ⅳ级时，墩身裂缝宽度增加，宽度大于2 mm，且与承台之间的裂缝张开宽度约为10 mm，保护层的混凝土剥落高度往墩顶延伸，柱脚混凝土严重剥落。此时，构件需必要的修复。破坏程度为V级时，如图7（c）所示，混凝土核心区轻微外鼓，纵向钢筋屈曲，墩身底部混凝土完全脱落。试验完成后，清理塑性铰区的混凝土保护层，破坏形式为图7（d），箍筋失效，破坏区主要集中在柱底接缝处，剥落破坏区高度约为50 cm，即0.7D。北侧有四处箍筋断裂，如图7（e）所示。南侧箍筋没有断裂，部分拉钩拉直，如图7（f）所示。

图7 S1试件破坏程度Fig.7 Damage degree of S1

2.2 S2试件试验现象和损伤状态描述

S2 试件破坏程度为Ⅰ级时，见图8（a），荷载为260 kN，墩身出现微裂缝，卸载后裂缝闭合。没有损坏，不需要修复。破坏程度为Ⅱ级时，存在较多不规则裂纹，裂缝间距约10 cm。荷载达到390 kN 且试件屈服，在这个水平上，试件只需小修。破坏程度为Ⅲ级时，破坏程度如图8（b）所示，1.5 m（约2D）的高度，柱内有许多裂缝封闭，裂缝宽度增加到1～2 mm，出现多条超过2 mm 宽度的裂缝。混凝土保护层部分剥落，柱脚混凝土被压碎，产生较少的倾斜裂缝。破坏程度为Ⅳ级时，见图8（c），墩身裂缝宽度增加，宽度大于2 mm，保护层的混凝土剥落高度往墩顶延伸，高度约为0.35D，柱脚混凝土严重剥落。此时，构件需必要的修复。破坏程度为V级时，如图8（d）所示，混凝土核心区轻微外鼓，纵向钢筋屈曲，墩身底部混凝土完全脱落。试验完成后，清理塑性铰区的混凝土保护层，破坏形式为图8（e），封闭箍筋失效，破坏区主要集中在柱底接缝处，破坏区高度约为50 cm，即0.7D。北侧外圈有三根箍筋断裂，其中两根箍筋是在焊点处断裂。北侧内圈有一处纵筋鼓曲，一处拉钩被拉直。南侧外圈有两根箍筋断裂，S2骨料分布和骨料破碎见图8（f），可以看出粗骨料在截面外侧，破碎的骨料非常分散，骨料上没有水泥浆。由图8（g）可以看出，S2 承台表面疑似出现浮浆裂缝。承台高度方向中间有一条水平裂缝，疑似混凝土施工分段浇注造成，承台底部也有一条微裂纹，见图8（h）。

图8 S2试件破坏程度Fig.8 Damage degree of S2

3 试验数据分析

滞回环对角线的斜度反映构件的总体刚度，滞回环包围的面积则是荷载正反交变一周时结构所吸收的能量。显然滞回环饱满者有利于结构抗震。两个试件的实测水平荷载-墩顶位移滞回曲线如图9 所示。两个试件最大加载位移约为90 mm（3.8%偏移率），为便于比较同等偏移率下的结构响应，加载的位移等级增量相同，而且均加载到水平承载力低于峰值的85%。总体而言，两个试件在较低荷载阶段，基本处于弹性阶段，表现为滞回环的集中和重叠，随着混凝土的开裂、钢筋的屈服、混凝土受压剥落等现象的产生，滞回环逐渐拉开，耗能增强。承插式预制拼装试件与整体现浇试件的滞回环形状非常相似。两者的极限荷载非常接近，还有略微偏大的现象，预制拼装桥墩的位移能力要低于整体现浇桥墩，预制拼装桥墩的极限荷载下降速度要快于整体现浇桥墩。

图9 滞回曲线Fig.9 Hysteretic curve

骨架曲线是滞回曲线的包络线，由滞回环的顶点连接而成。骨架曲线的形状大体上和单调加载得到的荷载位移曲线相似，能够比较明显地反映结构和构件的初始刚度、最大荷载、屈后刚度、延性等抗震指标。骨架曲线在研究非线性地震反应时是非常重要的。它是每次循环荷载位移曲线达到的最大峰点的轨迹，在任意时刻的运动中，峰点不能越过骨架曲线，只能在到达骨架曲线以后沿骨架曲线前进。观察图10 中的骨架曲线可以发现，两个试件的骨架曲线的形状大体类似，大致呈三线性，具有明显的非线性拐点和强度下降点。骨架曲线中屈服点Y，极限荷载点M 和极限位移点U 反映了骨架曲线主要特征，但各特征点的定义不尽相同。因此，对骨架曲线各特征点的确定方法作如下说明，确定屈服荷载点Y 的常用方法有定义法，能量等值法和通用屈服弯矩法；骨架曲线荷载最大值点即为M 点；将荷载下降到最大荷载的85%定义为极限位移点。依据图10，可以得出屈服位移、屈服荷载及延性系数等参数，如表1所示。显然，各项指标都比较接近，这说明两个试件的抗震性能相近。

图10 骨架曲线Fig.10 Skeleton curve

表1 骨架曲线关键指标汇总表Table 1 Key indicators of skeleton curve

4 结 论

本文在国内外工程应用和研究的基础上，针对公路桥墩的受力特点，提出了预制管墩承插式预制拼装方案。以江北高速公路东延伸项目的桥梁工程为依托，本文制作了一组模型试件，进行了拟静力试验。本文对试验加载过程中的试验现象和试验结果进行了详细描述与分析，包括裂缝发展过程、钢筋损伤情况、破坏形态和滞回性能。主要结论有：

（1）本次试验研究中，试件的破坏都发生在墩柱底部，表现为大偏心受压破坏。整体现浇桥墩和承插式预制管墩的破坏形式都是纵筋压屈导致箍筋弯钩拉直和核心区混凝土的压碎。虽然空心截面内外圈纵筋采用拉筋的方式比较方便，但是在水平往复荷载作用下约束效果差，易发生拉钩变直，对纵筋的约束失效，导致纵筋压屈，从而出现墩柱整体刚度和强度的下降。

（2）承插式试件的抗震性能与现浇试件较为接近，试验表明，本文对承插式构件采取的构造措施是合理的。

（3）箍筋与纵筋之间的自动化焊接工艺会对纵筋和箍筋造成一定的损伤，箍筋会因为焊接提前断裂。混凝土离心施工工艺需要改进成型工艺，增加混凝土骨料和水泥浆的均匀性，避免明显离析分层。

（4）注意避免波纹管或者管墩锯齿的外露，注意改进灌浆料的密实性，避免气泡的混入，需要加强工人培训，研究管墩垂直度微调措施。