基于焊接钢板定位的装配式桥墩抗震性能分析

史彪之，裴雪扬

（1.中铁四局集团第二工程有限公司，江苏 苏州215131；2.盐城工学院，江苏 盐城 224051）

0 引言

装配式桥梁因施工快捷、绿色环保以及对交通影响小等特点，在城市建设中得到广泛使用。预制构件连接可靠性是确保桥梁预制装配技术应用的关键所在，桥墩与承台之间的连接性能是预制装配式的研究热点[1，2]。

灌浆波纹管连接作为一种常见预制构件连接方式，因其具有施工快捷、构造简单的特点，经常应用在预制墩柱与承台、盖梁的连接中[3，4]。灌浆波纹管连接的广泛使用，提高了对实际工程中拼装的精度要求。在波纹管连接实际施工过程中，因钢筋锚固长度较长，波纹管或钢筋的位置容易发生偏移，会影响钢筋的搭接，甚至导致钢筋无法按照设计图纸的要求插入预留孔洞中，进而影响装配式桥墩的抗震性能[5，6]。为解决波纹管连接的预制构件安装精度问题，本文依托无锡凤翔路快速化改造中的装配式桥梁施工项目，进行装配式桥墩的预制构件连接优化研究。利用柱底和承台之间留有孔洞的钢板，以确保纵筋和灌浆波纹管的精确定位。墩柱与承台之间焊接钢板对于桥墩构件的抗震性能的影响好坏，是该连接形式能否采用的关键所在[7，8]。

为研究采用焊接钢板定位的装配式桥墩的抗震性能，设计不包含焊接钢板和采用焊接钢板定位的两种装配式桥墩构件的缩尺模型，并开展拟静力试验以进行对比分析。通过分析滞回曲线、骨架曲线，判断焊接钢板是否会改变装配式桥墩的抗震性能。在试验结束后切割试件，观察波纹管与混凝土粘结的可靠性，并观察钢板焊缝是否发生破坏。综合分析基于焊接钢板定位的装配式桥墩的抗震性能，为预制构件的连接优化提供一定参考意见。

1 工程概况

1.1 试件概况

有钢板和无钢板的装配式桥墩外部尺寸相同，正方形墩柱边长为400 mm，见图1。墩柱和承台中钢筋强度均为HRB400，墩柱纵筋直径为18 mm，承台纵筋直径为25 mm，箍筋直径为8 mm，金属波纹管直径55 mm。墩柱底部和承台顶部的钢板厚度均为10 mm，孔洞圆心位置与钢筋对应。

图1 装配式混凝土桥墩尺寸图（单位：mm）

1.2 加载方式

在墩柱顶部设置950 kN 的竖向压力，对应0.3的轴压比。采用位移控制的加载方式，水平加载中心距离柱顶约200 mm，每个位移幅值循环三次，初步设置的水平位移加载幅值为：2、4、8、16、24、34、44、54、64、74、84，单位为mm。在2 和4 mm 滞回位移循环中，加载速率分别为2 和4 mm/min；此后循环中，加载速率数值为加载幅值的一半。

2 拟静力试验结果分析

2.1 试验破坏现象

2.2.1 无钢板装配式桥墩

滞回位移为2 mm 和4 mm 时，试件表面未出现明显现象。滞回位移为16 mm 时，桥墩东西出现短裂缝。当滞回位移为24 mm 时，桥墩南北表面出现斜裂缝，东西两面出现新裂缝。滞回位移为34 mm、44 mm时，墩柱东西表面底部混凝土出现压碎现象，横向裂缝逐渐贯通。滞回位移为64 mm 时，墩柱南北表面混凝土破坏现象明显加载机器显示滞回曲线出现大幅度突降，停止试验。图2 是无钢板装配式桥墩在不同阶段的破坏现象。值得注意的是，图2（d）是在试验停止后，将柱表面破碎混凝土轻轻碰掉，观察到钢筋发生弯曲。

图2 无钢板装配式桥墩破坏图

2.2.1 有钢板装配式桥墩

滞回位移为2 mm、4 mm 时，试件表面未出现明显现象。当滞回位移为8 mm 和16 mm 时，墩柱东西面出现短裂缝。当滞回位移为34 mm 时，东西两面出现新裂缝，南北表面斜裂缝增多，墩柱西表面底部混凝土出现起皮现象。滞回位移为44 mm、54 mm 时，墩柱东西表面底部混凝土出现压碎现象，横向裂缝逐渐贯通；南北表面斜裂缝逐渐贯通，和东西表面裂缝相交。滞回位移为64 mm 时，墩柱南北表面底部两侧混凝土劈裂，墩柱东西表面底部混凝土大面积脱落，钢筋出现弯曲。图3 是包含焊接钢板的装配式桥墩在不同阶段的破坏现象。此处图3（d）是在试验停止后，将柱表面破碎混凝土轻轻碰掉，观察到钢筋发生弯曲。

图3 有钢板装配式桥墩破坏图

综上所述，有钢板和无钢板两种装配式桥墩试件，都经历了裂缝开展、柱底混凝土局部破坏、保护层混凝土剥落以及钢筋弯曲（屈服）的过程，混凝土最终破坏形式均呈现出弯曲破坏的规律。

2.2 滞回曲线

基于试验结果，图4 给出有钢板和无钢板两种装配式桥墩试件的滞回曲线。二者的滞回曲线，均经历先上升，达到峰值，然后下降三个阶段。滞回位移级别达到16 mm 后，发生较为明显的滞回现象。无钢板试件的荷载峰值出现在滞回位移-54 mm 处，数值为-192 kN，有钢板试件的荷载峰值出现在滞回位移-44 mm 处，数值为-199 kN。滞回位移为负时，34 mm、44 mm 和54 mm 三个级别的荷载峰值十分接近；滞回位移为正值时，荷载峰值在44 mm 之后有下降趋势。曲线均于64 mm 时发生突降，第二循环以后的曲线峰值明显低于第一次循环的曲线峰值，与试验破坏现象中最后的明显破坏相对应。

图4 滞回曲线（单位：kN）

2.3 骨架曲线

基于每个滞回环的荷载峰值，图5 给出了两种试件的骨架曲线，直观体现滞回循环中荷载峰值与位移的关系。有钢板和无钢板两种装配式桥墩试件的骨架曲线十分接近，说明二者有着接近的承载能力。仔细观察骨架曲线34 mm、44 mm 和54 mm 部分，曲线在34 mm 和44 mm 时发生下降，对应着破坏现象中的东西面底部混凝土出现压碎，两种试件最大承载力应该出现在滞回位移34 mm 与44 mm之间。

图5 骨架曲线（单位：kN）

2.4 钢板连接可靠性

终止试验后，将桥墩试件切割开，观察焊接钢板与墩柱以及承台之间粘结情形。焊接钢板与混凝土之间未出现明显分离现象，且焊缝处没有开裂现象，验证了焊接钢板连接可靠性。

3 结语

针对装配式桥墩施工过程中，金属波纹管和插入钢筋的位置固定难题，提出一种新的连接方式：在柱底和承台上表面安置带孔焊接钢板以确保波纹管与钢筋的精准定位，再对钢板进行焊接操作以保证连接性能。设计不包含钢板和采用焊接钢板定位的两种装配式桥墩试件，并开展拟静力试验以对比分析抗震性能。基于试验结果，得出以下结论：

（1）基于焊接钢板连接的装配式桥墩试件形式，可实现预制墩柱和承台之间波纹管和钢筋的精准定位，同时也能够保证装配式桥墩的抗震性能。

（2）焊接钢板连接的装配式桥墩试件，有着和无钢板常见装配式桥墩试件一样的破坏形式，二者有着相同破坏规律，焊接钢板未改变结构的受力特点。

（3）焊接钢板连接的装配式桥墩试件，有着和无钢板装配式桥墩试件相类似的滞回曲线、骨架曲线，焊接钢板未影响装配式桥墩的抗震性能。

（4）焊接钢板与混凝土粘结可靠，钢板焊缝处未出现开裂，验证了焊接钢板连接的可靠性。