旋鈕式預制拼裝橋墩試驗分析

劉 猛, 亓路寬

(北京工業(yè)大學 建筑工程學院，北京 100124)

0 引言

隨著基礎設施建設的快速發(fā)展，預制拼裝技術(shù)應運而生，該技術(shù)具有交通干擾小、施工質(zhì)量高、施工周期短、噪聲低、施工安全性高、環(huán)保等優(yōu)點，因此被逐漸應用在橋梁建造中，尤其對于交通量大的城市以及海上有限施工平臺，預制拼裝施工具有明顯的優(yōu)越性[1]。預制拼裝橋墩的工程應用起源于上世紀60年代[2]，歐美國家在此之后便將其應用在大量的工程之中，各構(gòu)件之間的連接構(gòu)造大致可以歸結(jié)為預應力筋聯(lián)接、插槽式接縫聯(lián)接、承插式接縫聯(lián)接、灌漿套筒聯(lián)接、鋼筋焊接并采用濕接縫聯(lián)接以及混合聯(lián)接等[3-6]。國內(nèi)橋梁下部結(jié)構(gòu)預制拼裝技術(shù)起步較晚，雖然在杭州灣大橋、金塘大橋、東海大橋、北京積水潭橋等大量橋梁中都有采用預制拼裝橋墩技術(shù)，但大多采用預應力以及濕接縫的聯(lián)接方式[7-10]。由于橋墩在地震作用下受力比較復雜，結(jié)構(gòu)節(jié)點連接處受力性能不夠明確，預制拼裝橋墩只在中低震區(qū)得到應用，在高震區(qū)未能得到推廣應用。

Nothridge 地震震害調(diào)查[11]表明，裝配式結(jié)構(gòu)在地震中出現(xiàn)結(jié)構(gòu)倒塌的主要原因是預制結(jié)構(gòu)接縫構(gòu)造形式差，不能整體受力所致，因此節(jié)點之間的連接問題是裝配式結(jié)構(gòu)研究的重點和難點。為解決節(jié)點連接問題，本文創(chuàng)新性的提出一種旋鈕式連接件，通過擬靜力試驗對其受力性能進行研究，以期能夠加快預制拼裝橋墩技術(shù)在高震區(qū)的推廣和使用。

1 旋鈕式連接構(gòu)造

1.1 結(jié)構(gòu)形式

本研究在原有預制拼裝連接結(jié)構(gòu)的基礎上，創(chuàng)新性的提出旋鈕式預制節(jié)段拼裝橋墩，將橋墩構(gòu)件在工廠內(nèi)加工制作，再運輸至施工現(xiàn)場，吊裝入位，通過扭動旋轉(zhuǎn)部分，來產(chǎn)生預緊力使旋轉(zhuǎn)部分與連接部分形成一個整體，共同受力。具體構(gòu)造細節(jié)見圖1。

(a)旋鈕式橋墩連接裝置

圖中具體構(gòu)造如下：①下預制節(jié)段；②連接部分；③旋鈕部分；④上預制節(jié)段；⑤圓環(huán)；⑥連接鋼件；⑦旋鈕鋼件。

以上部件中連接部分和扭轉(zhuǎn)部分為本設計最大的創(chuàng)新點，也是整個連接構(gòu)造的關鍵部件決定著連接節(jié)點的可靠性和整個橋墩的力學性能。連接構(gòu)件如圖1(b)所示，該結(jié)構(gòu)由圓盤、圓環(huán)和連接件組成，為了提高連接構(gòu)件和預制節(jié)段的整體性，防止在較大側(cè)向力作用下出現(xiàn)連接件與預制節(jié)段分離的破壞形式，將連接構(gòu)件與預制節(jié)段通過預留孔和鋼筋進行焊接。旋鈕構(gòu)件如圖1(c)所示，該結(jié)構(gòu)分為圓環(huán)和旋鈕件兩部分，為了保證地震力作用下連接節(jié)點具有足夠的強度而不發(fā)生破壞，旋鈕構(gòu)件和連接構(gòu)件所能承受的最大側(cè)向承載力應大于同等截面的鋼筋混凝土橋墩的側(cè)向承載力。在遭受中小震時，連接件和旋鈕件之間可產(chǎn)生微小滑動通過摩擦力來耗散地震能量，震后調(diào)整旋鈕部分到設計位置。

1.2 裝配流程

旋鈕式預制節(jié)段拼裝橋墩各構(gòu)件在工廠進行制作，現(xiàn)場安裝簡單快捷，具體安裝流程如下所述：吊裝下預制節(jié)段與下連接部分，再吊裝旋鈕部分，使每個旋鈕件正好卡在兩個連接件之間，并且要求上下連接件對齊，再吊裝上預制節(jié)段與連接部分，使得旋鈕部分的旋鈕件落在上連接部分兩個連接件空隙中，再通過旋轉(zhuǎn)旋鈕部分，使上下每對連接件完全卡在旋鈕件兩齒之間。再向連接部分和旋鈕部分的縫隙中澆筑混凝土，填至橋墩外徑抹平，保證連接外表美觀和使用耐久性，即完成裝配過程。

2 試驗概況

2.1 試件幾何構(gòu)造

為了驗證所提出的旋鈕式節(jié)段拼裝橋墩的抗震性能，設計并加工制作了預制橋墩試件和現(xiàn)澆橋墩試件，對兩組試件進行了擬靜力試驗。圖2為預制橋墩尺寸圖，旋鈕式節(jié)段拼裝橋墩由3個節(jié)段組成，每個節(jié)段為直徑是420 mm的圓形橫截面，其中A，B節(jié)段為預制鋼筋混凝土節(jié)段，長度分別為800 mm和960 mm，截面配有16根Φ16的帶肋鋼筋，采用C40混凝土，C節(jié)段為預埋鋼管混凝土節(jié)段，鋼管厚度為47 mm，長度為550 mm，其中450 mm預埋入承臺內(nèi)，外露100 mm與預制鋼筋混凝土節(jié)段相連。連接件和旋鈕件為本結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新點和重點，每個部件由8個旋鈕部分組成，采用Q345的鋼材加工制作。圖3為現(xiàn)澆橋墩的試驗尺寸圖，橫截面尺寸和配筋與預制橋墩的鋼筋混凝土相同，高度為預制墩3個節(jié)段高度之和2 340 mm。2個試驗模型承臺的配筋和截面尺寸相同為1 500×1 020×500 mm，為了讓橋墩可以和實驗室地面進行良好的錨固，在承臺上留有4個錨孔。

圖2 預制橋墩試驗尺寸(單位：mm)

圖3 現(xiàn)澆橋墩試驗尺寸(單位：mm)

2.2 加載方案

試驗具體方案見圖4，豎向荷載的選取參考城市公路橋梁設計規(guī)范，取0.2倍的軸壓比，具體值為500 kN，水平荷載施加位置距離基礎頂面以上2.5 m。在試驗過程中試驗模型的加載規(guī)則參考建筑抗震試驗規(guī)程，采用混合加載制度，如圖5，加載初期選用力作為控制標準，每個等級循環(huán)1次，下一等級在上一個等級的基礎上增加0.5 kN，直到橋墩出現(xiàn)明顯的屈服點，改為位移控制加載，每個等級循環(huán)3次，幅值為屈服位移的整數(shù)倍，直到強度下降到最大承載力的85%，認為構(gòu)件失效，停止加載。

圖4 橋墩加載示意圖(單位：mm)

圖5 加載制度

3 結(jié)果分析

3.1 試驗現(xiàn)象及破壞模式

現(xiàn)澆橋墩試驗加載狀況如圖7所示，試件安裝完成施加軸壓之后如圖7(a)所示；當加載位移為10 mm時，如圖7(b)所示，現(xiàn)澆橋墩下部出現(xiàn)沿豎向均勻分布的裂縫，裂縫主要分布范圍為橋墩底部往上1 m的范圍內(nèi)；當加載位移達到35 mm時，如圖7(c)所示，橋墩下部出現(xiàn)多條貫穿的裂縫；當加載位移達到60 mm時，墩底縱向鋼筋屈服，周圍混凝土出現(xiàn)破碎，產(chǎn)生明顯的塑性鉸現(xiàn)象，當加載位移為96 mm，試件的抗側(cè)能力下降到極限承載力的85%以下，認為構(gòu)件失效停止加載，加載結(jié)束，如圖7(d)所示，墩底兩側(cè)出現(xiàn)明顯的塑性鉸。

旋鈕式節(jié)段預制拼裝橋墩的試驗加載狀況如圖8所示，試件安裝完成施加軸壓之后如圖8(a)所示；當位移加載到16 mm時，如圖8(b)所示，最下部的鋼筋混凝土節(jié)段出現(xiàn)微小裂縫，裂縫沿墩身豎向均勻分布，裂縫出現(xiàn)時的位移等級較現(xiàn)澆橋墩大，說明所提出的旋鈕連接構(gòu)造可以分擔一部分側(cè)向位移延緩橋墩出現(xiàn)裂縫。當位移加載到25 mm時，如圖8(c)所示，鋼筋混凝土節(jié)段的下端首次出現(xiàn)一條貫穿的裂縫，裂縫寬度小于相同位移等級時現(xiàn)澆橋墩的裂縫寬度，此時裂縫沿豎向不均勻分布，下部裂縫比較密集，上部比較稀疏；位移加載到95 mm時，試件的抗側(cè)能力下降到極限承載力的85%以下，認為橋墩失效停止加載，裂縫主要分布在下部連接節(jié)段，墩底破壞程度沒有現(xiàn)澆墩嚴重，說明旋鈕連接構(gòu)造可以減輕墩底塑性鉸的破壞程度。

(a)施加軸壓

(a)施加軸壓

3.2 滯回曲線

通過記錄墩頂位移和加載的側(cè)向力得到橋墩的滯回曲線，如圖8和圖9所示。通過滯回曲線可以看出，預制橋墩非線性上升段比較緩慢，其最大承載能力與現(xiàn)澆墩相同，但是首次出現(xiàn)最大承載力的側(cè)向位移卻有所差別，預制橋墩大約在位移為45 mm時側(cè)向力達到最大值，而現(xiàn)澆墩出現(xiàn)峰值荷載時位移為30 mm。預制墩的滯回曲線飽滿度略差一些，但相差不多。

圖8 預制橋墩滯回曲線

圖9 現(xiàn)澆橋墩滯回曲線

3.3 骨架曲線

通過提取每個加載等級滯回環(huán)上最大位移時的力位移點進行連線繪出橋墩的骨架曲線，如圖10所示。根據(jù)骨架曲線可確定試件的最大荷載Pmax，試件的極限位移Δu和極限荷載Pu根據(jù)最大荷載的85%來確定，通過雙線性化得到屈服位移Δy和屈服荷載Py，各特征點結(jié)果如表1所示。由于實驗誤差，骨架曲線左右并不是完全對稱，但從總體上可以看出，兩條骨架曲線形狀類似。預制墩先達到屈服點，隨后側(cè)向力隨位移緩慢上升，達到最大值。現(xiàn)澆墩較晚達到屈服點，屈服荷載較大，隨后較快達到最大值，最大值與預制墩基本相同。

圖10 骨架曲線

表1 骨架曲線特征點Table1 Testcharacteristicvaluesofskeletoncurves試件Δy/mmPy/kNPmax/kNΔu/mmPu/kN預制墩18851028886現(xiàn)澆墩20941008685

3.4 旋鈕式連接工作狀態(tài)

旋鈕式橋墩的研究重點是所提出的旋鈕式連接方式的可靠性，故在試驗過程中測試了旋鈕式連接構(gòu)造的開口和滑動，如圖11、圖12。旋鈕連接件在擬靜力荷載作用下會發(fā)生交替閉合張開，最大開口為2 mm，卸載之后沒有殘余位移；旋鈕式連接處的相對滑移為2 mm，卸載之后沒有殘余滑移量。綜合以上方面，說明旋鈕式連接件在擬靜力荷載作用下會產(chǎn)生較小的相對位移，起到一定的耗能作用，可以在一定程度下減輕墩底塑性鉸的破壞程度，但旋鈕連接件本身并不會發(fā)生破壞，滿足在地震荷載作用下的使用要求。

圖11 預制橋墩旋鈕連接處的開口位移

4 結(jié)論

通過試驗研究，得到以下結(jié)論：

a.與現(xiàn)澆試件相比，預制拼裝試件損傷較輕，前期出現(xiàn)墩身裂縫，后期旋鈕連接件會發(fā)生相對滑動，而墩底混凝土破壞較輕，箍筋、核心混凝土基本保持完好。

b.兩種試件的初始剛度基本相同，隨著側(cè)向力的增大，預制拼裝試件剛度減小，但最大承載力基本相同。預制拼裝試件的滯回曲線飽滿度略差一些，說明其耗能能力略差一些。

圖12 預制橋墩旋鈕連接處的相對滑動

c.節(jié)段拼裝試件的連接件在循環(huán)荷載下會發(fā)生交替張開閉合以及相對滑動，減輕底部混凝土損傷程度，但連接件本身未發(fā)生破壞，且比較容易復位，在合理的構(gòu)造設計下可滿足預期抗震性能的要求。