承插式预制实体矩形截面桥墩抗震性能研究

张智然 卢永成 齐新 赵晨 林国才

承插式预制实体矩形截面桥墩抗震性能研究

张智然1，*卢永成1齐新1赵晨1林国才2

（1.上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海 200092； 2.同济大学桥梁工程系，上海 200092）

承插式连接具有施工便捷、容错性大的优点，在预制拼装桥墩施工中得到了越来越多的关注。市政桥梁通常采用矩形截面的预制桥墩，通过将其直接置于承台预留的孔洞中并浇筑填缝料后形成整体。设计制作了1个大比例尺1∶2的承插式桥墩试件和1个现浇试件，通过拟静力试验，比较承插式装配桥墩和现浇桥墩在破坏模式、滞回曲线、骨架曲线、耗能水平、残余位移等方面的不同。试验结果表明，通过具体的抗震设计可以使承插深度为1.0的预制桥墩具有与现浇桥墩等同或接近的抗震性能。

承插式连接， 预制， 抗震性能， 拟静力试验

0 引 言

随着我国交通事业的迅速发展，桥梁工程领域出现了桥梁快速施工技术。桥梁快速施工技术，即桥梁上部和下部结构的主要构件采用工厂预制，现场拼装施工的一项技术，极大地提高了施工质量，缩短了施工周期。承插式桥墩是近年来为顺应桥梁快速施工技术出现的一种装配式桥墩结构形式，是将预制桥墩插入到基础预留孔内，桥墩与基础之间没有钢筋连接，孔周围用嵌缝材料填充而形成的结构。与传统的现浇结构相比，承插式桥墩施工简单，施工容许误差大，是桥梁下部结构预制拼装的一种有力竞争方案［1］。但是地震作用下桥梁下部结构易遭到破坏，尤其是承插式连接处是抗震性能的薄弱环节［2］，有必要开展试验探究现浇桥墩与承插式桥墩的抗震性能的差异，以确定其可靠性。国内已经有试验研究承插式圆柱桥墩和预制管墩的抗震性能［3-4］，研究结果表明，承插深度为1.0的装配桥墩与现浇桥墩破坏模式相同，均为墩柱弯曲破坏，但是文章中没有提及使承插式装配桥墩的抗震性能接近于整体式现浇桥墩的承插深度与灌浆料强度的数值设置；文献［5］研究了承插接触面处理对桥墩的抗震性能的影响，结果表明，当加载等级较高时，粗糙接触面的桥墩的抗震性能更优；对于最小合理承插深度的探究［6］，研究结果表明，不同的承插深度可以达到相同的弯曲破坏模式；对于公路桥装配式桥墩承插式连接的桩基承台研究［7］，结果表明，承插式连接桩基承台设置U形抗冲切钢筋后，承台底板未发生局部的冲切破坏。国外相关研究方面，2004年，Canha等［8-9］对建筑结构柱—扩大基础承插式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，结果表明，构件的破坏是由于埋置区外的纵筋屈服引起的，横向钢筋受力不大；2010年，Marsh等［10-11］在前人研究的基础上提出了一种预制拼装桥墩体系，即桥墩与盖梁节点采用粗钢筋灌浆金属波纹管连接，桥墩与基础节点采用承插式连接方式，试验结果表明，这种连接的强度和延性与现浇连接相似；2013年，华盛顿大学Haraldsson等［12］研究了预制桥墩与现浇基础承插式连接构造的抗震性能，结果表明，在循环荷载、横向荷载作用下，承插式连接构造的至少能达到与现浇试件相同的抗震性能；2019年，Cheng等［13］为了实现桥墩与盖梁以及承台的可靠连接，建议使用承插式连接，并且通过试验，对承插连接的侧剪强度进行了试验探究，试验结果表明承插连接可以提供较大的剪力，对于竖向荷载的传递是有利的。但是上述研究涉及的多是扩大基础-圆形截面桥墩，对于城市桥梁中常用的桩基承台-矩形截面承插式桥墩的抗震性能研究相对不足，影响了其实际工程的推广应用。

因此，本文设计制作了1个大比例尺1∶2的承插式桥墩试件和1个对比的现浇试件，通过拟静力试验，比较在破坏模式、滞回曲线、骨架曲线、耗能水平、残余位移等方面的不同，为承插式矩形截面实体桥墩在高烈度区的推广应用提供必要的设计指导和技术储备。

1 试件模型设计

图1　原型桥墩截面图（单位：cm）

考虑到模型试验的难度，实际条件的限制以及试验准确性的要求，确定模型相似比1∶2，对于承插接缝部位和钢筋，考虑等效缩尺。根据缩尺比计算可得，模型桥墩截面宽度为90 cm×80 cm，试件的墩高根据剪跨比为3来确定，S1试件墩身长度为270 cm，S2墩身长度360 cm，净高度均为270 cm（对于承插式试件，从承插孔顶起算净高度）；模型承台尺寸为（260×245×100） cm；承台底部的钢筋混凝土桩基直径为50 cm，伸出承台50 cm。两个试件如图2、图3所示。

图2　S1试件（单位：cm）

图3　S2试件（单位：cm）

拟静力试验加载示意图如图4所示。

图4　拟静力试验加载示意图

试件加载采用压弯加载模式，在轴压比0.157的基础上施加水平循环荷载，然后通过竖向作动器分级加载至目标竖向荷载，水平加载采用位移控制加载，每个位移等级循环3次，加载幅值为4 mm、8 mm、16 mm、24 mm、32 mm、48 mm、64 mm、80 mm、112 mm、144 mm、176 mm。每次循环结束进行试件破坏情况的观察和裂缝数据的记录。加载频率0.01 Hz，数据采集频率5 Hz。最终获得力—位移关系曲线，并观察记录试件损伤过程。

2 试验现象描述

整个试件加载过程中，通过试验观察，描述试件的破坏过程和破坏形态。试验前采用墙面漆封刷并绘制间隔为10 cm的网格，以便在试验过程中观察裂缝的开展情况。试验用红笔和蓝笔描出了裂缝的开展情况，采用DHCK-2裂缝显微测宽仪测量了不同荷载下的主要裂缝宽度。在整个试验中采用位移控制加载，加载方向为南北方向，与之垂直的为东西方向，如图5所示。

图5　加载方位定义

2.1　桥墩试验现象

本次试验分别进行竖向加载和水平加载，当竖向加载至设计荷载后保持恒定，随后进行水平位移加载。在竖向荷载作用下S1与S2均无明显现象。当进行水平位移加载时，S1与S2 呈现出相似的损伤现象。当水平位移加载至8 mm时，S1、S2均出现水平裂缝。加载至16 mm时，S2出现斜裂缝，此时S1未观察到斜裂缝。随着荷载等级的增大，开始出现混凝土保护层剥落、纵筋箍筋屈曲等现象。对应于各个损伤级别，S1与S2的试验现象如表1所示。

表1　 S1、S2桥墩试验现象

S1、S2桥墩的部分试验现象如图6所示。

图6　桥墩部分试验现象

2.2　承台试验现象

试验过程中发现现浇试件（S1）的承台与承插式试件的承台（S2）均存在开裂现象，但是开裂现象存在差别。现浇试件（S1）的承台裂缝首先出现在桥墩与承台的交界位置，随着荷载等级的增大逐步向承台的侧边延伸，最大裂缝宽度0.27 mm。承插式试件（S2）的嵌缝部位首先出现裂缝，随着荷载等级的增大逐步向承台的凸台部分延伸，但是不再向承台主体部分继续延伸。

S1、S2的部分承台试验现象如图7所示。

图7　承台部分试验现象

图7对应S1、S2的承台顶面裂缝如图8所示。

图8　承台顶面裂缝图

3 试验数据分析

本章通过试验数据分析，讨论能够表征钢筋混凝土结构抗震性能的几个指标，包括滞回曲线、骨架曲线、耗能能力、残余位移等。通过这些指标的对比，说明现浇桥墩与承插深度为1.0的承插式桥墩抗震性能的异同。

3.1　滞回曲线

在循环荷载作用下，S1、S2的滞回曲线如图9所示。滞回环包围的面积代表在低周反复荷载作用一周时结构消耗的能量。本次试验的各个试件加载至144 mm时，其水平承载能力已经降至最大水平承载能力的85%。为了观测试件的最终破坏形态，各试件最终加载至176 mm。总体而言，S1与S2的滞回曲线是高度重合的，因此S1与S2的抗震性能接近。在低加载等级阶段，各个试件基本处于弹性状态，力和位移的关系表现为近似线性。随着混凝土开裂、钢筋屈服、保护层剥落等现象的产生，各个试件进入了非线性的弹塑性状态，滞回环的面积逐渐增大，耗能增强。

图9　滞回曲线

3.2　骨架曲线

将往复加载时各次滞回曲线的峰点连接起来，就得到了滞回曲线的包络线，即骨架曲线。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，只是极限荷载略低一些，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。骨架曲线在研究弹塑性地震反应时是非常重要的。观察图10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。但是这两个试件都没有明显的正的屈后刚度。从骨架曲线可以得到S1的屈服位移约为30.2 mm，对应的屈服荷载为728.6 kN；S2的屈服位移约为27.7 mm，屈服荷载为727.9 kN，两者差距不超过10%。

图10　骨架曲线

3.3　耗能能力

在循环荷载作用下，从开始到破坏滞回耗能的总量称为累计耗能，即每个滞回曲线的面积之和。各个试件每一个位移加载等级所对应的耗能能力如图11所示。从加载开始直至构件水平承载能力降至最大承载能力的85%（0～144 mm），S2的累计耗能略大于S1。加载至176 mm，S1的累计耗能1 204 kN·m，S2累计耗能1 457 kN·m。因此S2的耗能能力略大于S1。

图11　累计耗能

3.4　残余位移

残余位移是指构件从加载位移卸载至力为零时，构件产生的塑性变形。对于桥梁结构，地震作用后，如果桥墩的残余位移保持在较低水平，不仅有利于桥梁震后的继续运营，保障救援工作的开展，对于震后桥墩的整体修复工作也有重要的现实意义。图12给出了试件的残余位移与位移荷载等级之间的关系，两个试件加载至各个位移等级，残余位移水平相近。当加载至176 mm时，S1残余位移达到最大，为118 mm，此时S2残余位移为124 mm，两者相差不超过6%。

图12　残余位移

4 结 论

本文以实际工程为依托，设计制作了1个大比例尺1∶2的承插式桥墩试件和1个对比现浇试件，进行了拟静力试验。通过观察承插式桥墩和现浇桥墩的试验现象以及对于试验结果的描述与分析，主要得到以下结论：

（1） 1.0的承插深度能够为矩形截面实体桥墩提供有效的锚固约束作用，产生与现浇试件一致的弯曲破坏模式且具有等同现浇的抗震性能。

（2） 承插试件与现浇试件的承台开裂情况存在差异，前者由于凸台的作用，嵌缝处的裂缝仅向凸台延伸，而不是像现浇试件一样延伸至承台主体。

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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

联系作者：张智然，男，主要研究方向为装配式桥梁。E-mail： zhangzhiran@smedi.com