新型承插式预制桥墩接口连接力学性能研究

尹启政，邓敦毅，苏志晔，周岐文，李明东

（1.山东交通学院 交通土建工程学院，山东 济南 250357；2.中化学交通建设集团有限公司，山东 济南 250102；3.山东省路桥集团有限公司，山东 济南 250021；4.北京市政建集团有限责任公司，北京 100079）

引言

承插式桥墩的连接方式按浇筑顺序可以分为现浇连接和后浇连接两种［1］，其中现浇连接是指预制场预制桥墩，运输至现场定位后现浇承台的连接方式，而后浇连接是指预制场预制桥墩，现场浇筑承台，然后运输桥墩至现场装配定位，在接缝处灌入灌浆料连接［2］。后浇承插式桥墩与现浇连接以及其他连接方式相比，施工容许误差大，施工工序简单，无需特殊施工装备且施工周期相近，是一种极具潜力的施工方式［3］。

1 工程概况

滕州高架标段属京台高速公路泰安至枣庄（鲁苏界）段改扩建工程，路线起于济宁市和枣庄市交界处的于元村北侧，现状京台高速公路桩号K575+480 处。路线沿现状京台高速向南布线，设滕州北枢纽与在建枣菏高速进行交通转换，迁建滕州互通，终点桩号K618+200，路线长42.72 km。

滕州高架段左幅144#、145#墩柱、盖梁采用装配式施工工艺，本标段高架桥装配式桥墩采用灌浆连接的预制拼装施工工艺。由于预制拼装工艺对于构件精度的要求严格，预制墩柱钢筋笼及套管的安装精度严格控制在±2 mm 范围之内，故而墩柱构件采用先工厂预制生产，后运至工程现场安装的方式。

预制墩柱采用直墩柱，单个墩柱断面为矩形，采用双墩柱形式。承台系梁混凝土等级C40。预制墩柱混凝土等级C40，采用立式浇筑工艺，混凝土一次性浇筑完成。墩柱主筋采用HRB400 的Φ24 钢筋，箍筋采用HRB400 的Φ12 钢筋。墩柱底部为混凝土，四周预埋3 mm 厚镀锌金属波纹管，伸入承台，与承台间灌注高强灌浆料。见图1。

图1 装配式桥墩结构/cm

2 承插式预制桥墩施工关键工艺流程

选取滕州高架桥左幅145#墩柱进行首件预制、运输、安装施工。主要施工步骤：（1）预制场预制桥墩，桥墩底部四周预埋镀锌金属波纹管，高度为160 cm；波纹管上部105 cm 处预埋Φ45 mmPVC 管，长度为20 cm；墩柱底部预埋吊装用钢绞线；在墩顶、底标定十字定位标记。（2）在承台上标记墩柱定位用十字线，将承台连接界面混凝土进行凿毛。（3）吊装预制桥墩，利用定位标记进行就位，并旋转墩柱使墩柱主筋位置与设计位置一致；下放墩柱，利用十字标记确定墩柱位置并使用木楔子进行临时固定。（4）安装牛腿、千斤顶，利用墩柱四周4 个千斤顶临时固定墩柱并微调竖直度。（5）灌注高强混凝土灌浆料，灌浆料强度达到设计要求后拆除牛腿、千斤顶等定位装置，并对预埋PVC 管管孔进行灌封。

3 数值模拟

采用ABAQUS 有限元分析软件建立三维实体模型，为提高计算效率，墩柱、灌浆料、承台以及波纹管采用八节点线性六面体单元（C3D8R），钢筋采用两节点线性三维桁架单元（T3D2）［4］，其中承台、桥墩采用C40 混凝土，灌浆料采用C60 早强混凝土，波纹管钢材采用Q345 钢材，厚度为3 mm，见表1。

表1 材料特性和单元类型

边界条件为承台底部完全固结，各构件之间的接触采用ABAQUS 中的通用接触，接触属性法向方向选择默认硬接触，切向方向采用库伦摩擦，定义摩擦系数为0.5，选择有限滑移，不考虑接触面黏结力［5］。有限元模型见图2、图3，选用《混凝土结构设计规范》（GB50010—2010）［6］中的本构模型。

图2 承插式连接结构有限元模型

图3 现浇结构有限元模型

绘制力-位移曲线图，横坐标表示加载步骤（分五级进行加载，每级加载5 mm 位移，最终加载位移至25 mm），竖坐标表示水平力的大小［7］，见图4。

图4 模型力-位移曲线

承插式连接构件混凝土开裂时的墩顶位移为1.48 mm，对应的水平力大小为137.71 kN，钢筋屈服时的墩顶位移为7.35 mm，对应的水平力大小为368.96 kN；整体现浇构件混凝土开裂时的墩顶位移为1.13 mm，对应的水平力大小为138.78 kN，钢筋屈服时的墩顶位移为7.11 mm，对应的水平力大小为362.91 kN，两种模型在混凝土开裂以及钢筋屈服点的水平力和位移大小非常接近，说明承插式连接方式与整体现浇结构的应力状态和变形状态基本一致。两种模型在初期弹性刚度以及屈服后刚度变化趋势基本相同，说明承插式构件与整体现浇构件具有一致协同受力特点承插式预制桥墩接口的连接方式较为可靠［8］。

图5、图6 中在25 mm 最大位移作用下，金属波纹管承受承台反力上、下部区域灌浆料压应力大小分别为53.04 MPa、34.61 MPa，灌浆料其他位置均为受拉状态，最大拉应力为2.25 MPa。可以说明在承插式连接方式中，灌浆料材料强度应该远高于桥墩及承台选用材料的强度［9］。

图5 灌浆料受力云图

图6 桥墩承插端承受反力状况

4 结语

（1）预埋镀锌金属波纹管的预制桥墩采用承插式连接方式可以满足环保、低精度高质量的快速施工要求。（2）通过在承台内表面和桥墩外表面预埋镀锌金属波纹管，可以提高与灌浆料连接面的结合强度，结构整体性更好。（3）预埋镀锌金属波纹管的承台与桥墩的承插式连接方式在水平推覆力作用下具有一致协同受力特点。（4）承插式连接方式中灌浆料相较桥墩和承台，需要承担更大的压应力，故在实际工程应用中应选用更高强度的高强灌浆料。