預(yù)制組合墩柱連接節(jié)點(diǎn)抗震性能研究發(fā)展綜述

劉會(huì)超

(中電建冀交高速公路投資發(fā)展有限公司，河北 石家莊 050000)

0 引言

近年來，預(yù)制裝配技術(shù)發(fā)展迅速，而裝配式結(jié)構(gòu)以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)如施工效率高、對(duì)環(huán)境污染小、便于集中化管理等受到越來越多的施工單位青睞。隨著國家的大力推動(dòng)，預(yù)制裝配式技術(shù)成為一種主要的施工技術(shù)手段應(yīng)用于我國許多地區(qū)。目前，我國在混凝土橋梁上部結(jié)構(gòu)建造中較多采用預(yù)制拼裝工藝，一定程度上提高了預(yù)制構(gòu)件的質(zhì)量和現(xiàn)場施工效率，但在下部結(jié)構(gòu)建造中預(yù)制拼裝工藝使用仍然較少，受限于現(xiàn)場施工環(huán)境不能滿足工廠化和工業(yè)化的要求及新型裝配式下部結(jié)構(gòu)抗震性能尚有待于進(jìn)一步分析等原因?，F(xiàn)有研究多集中于中低烈度區(qū)下部結(jié)構(gòu)預(yù)制拼裝技術(shù)及應(yīng)用，對(duì)高烈度地區(qū)應(yīng)用預(yù)制拼裝技術(shù)的研究不足。

對(duì)于全預(yù)制裝配體系而言，在地震作用下預(yù)制裝配結(jié)構(gòu)的破壞主要來自于節(jié)點(diǎn)位置處的損傷累計(jì)，節(jié)點(diǎn)連接可靠性直接決定橋梁結(jié)構(gòu)安全服役性能，因此對(duì)于預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)亟須進(jìn)行節(jié)點(diǎn)抗震性能研究。

1 國內(nèi)外研究進(jìn)展

預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)抗震研究的難點(diǎn)主要集中于各種新型連接方式的預(yù)制裝配式橋墩節(jié)點(diǎn)在地震作用下的極限承載力、變形與耗能能力、結(jié)構(gòu)韌性以及這些性能的改進(jìn)方法等幾個(gè)方面。近幾年國內(nèi)預(yù)制裝配式橋墩節(jié)點(diǎn)的研究放在灌漿套筒連接、灌漿波紋管連接、承插式連接上，本文著重對(duì)此三種連接展開介紹。

1.1 灌漿套筒錨接

針對(duì)灌漿套筒的研究主要包括全灌漿套筒與半灌漿套筒的抗震性能差異、雙柱墩式套筒灌漿連接性能等。代表性的研究主要由中國學(xué)者完成，包括：2016年魏紅一等[1]在墩柱內(nèi)預(yù)埋套管進(jìn)行擬靜力試驗(yàn)研究，結(jié)果表明采用套管灌漿方式對(duì)墩柱混凝土損傷較小。由于套筒部位剛度增大的原因，裂縫主要發(fā)生在墩身塑性鉸區(qū)及套筒接縫位置處。Parks[2]研究指出在擬靜力循環(huán)往復(fù)荷載下，半灌漿套筒連接破壞模式為鋼筋粘結(jié)滑移過大失效，而全灌漿套筒連接的破壞形式為縱向鋼筋拉斷破壞。

2019年西南交通大學(xué)的徐騰飛等從粘結(jié)滑移關(guān)系出發(fā)考慮灌漿套筒連接時(shí)鋼筋對(duì)中的施工偏差，提出了鋼筋與灌漿套筒粘結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系[3]。黃俊、魯志偉等對(duì)楔形灌漿套筒和楔形螺紋灌漿套筒力學(xué)性能進(jìn)行研究，研究表明所需鋼筋的嵌入長度約為接頭處鋼筋直徑的6倍左右[4]。

2021年東南大學(xué)王震等[5]研究表明由于UHPC的高強(qiáng)特性，可以縮短預(yù)埋長度，延緩錨桿的壓漿和劈裂。王瑞龍等研究分析表明灌漿套筒連接使預(yù)制墩柱的極限抗力增加6%～8%，但是在罕遇地震下極限位移降低40%～60%。同濟(jì)大學(xué)的匡志平等同樣對(duì)灌漿套筒連接構(gòu)件進(jìn)行試驗(yàn)研究，根據(jù)研究認(rèn)為如果灌漿不足對(duì)套筒連接的性能有較大影響[6]。

綜上所述，灌漿套筒連接構(gòu)件具有與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)相似的承載能力及破壞模式，能夠作為高烈度區(qū)預(yù)制拼裝方法之一，但需要注意其使用過程中存在的關(guān)鍵問題。首先，灌漿套筒連接的關(guān)鍵在于其錨固性能，影響錨固性能的因素有鋼筋錨固長度、灌漿料強(qiáng)度以及灌漿套筒形式。因此只要能夠保證合理地對(duì)上述影響因素取值，即可實(shí)現(xiàn)較好的連接性能。其次，由于灌漿套筒的存在會(huì)使墩柱截面剛度增加，因此套筒頂部位置處易產(chǎn)生裂縫，在應(yīng)用過程中應(yīng)采取一定的措施(如包裹FRP、使用ECC材料等)，保護(hù)該位置不受侵蝕等影響。

1.2 波紋管灌漿連接

波紋管灌漿技術(shù)早期多用于預(yù)制橋墩與預(yù)制蓋梁之間的連接，較少用于預(yù)制橋墩節(jié)段之間的連接。2016年，在姜海西等[7]發(fā)表的論文中，將高強(qiáng)無收縮水泥灌漿的金屬波紋管應(yīng)用于立柱預(yù)制拼裝，并對(duì)2個(gè)1/3縮尺橋墩進(jìn)行了擬靜力循環(huán)加載試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)使用灌漿金屬波紋管連接時(shí)，盡管在柱底連接處和塑性鉸區(qū)處出現(xiàn)較為嚴(yán)重的損傷，但總體而言，立柱間采用金屬波紋管的連接方法與傳統(tǒng)的現(xiàn)澆鋼筋混凝土立柱的抗震性能相近，同樣可以作為立柱間預(yù)制拼裝的有效方法。

沈維芳等[8]提出了一種新型灌漿波紋鋼管，可通過直縫鋼管或無縫鋼管軋制而成，加工制作的成本較低，研究表明新型灌漿波紋鋼管錨固長度為24 d，可保證鋼筋的錨固性能，具有與現(xiàn)澆混凝橋墩相近的損傷機(jī)理、破壞模式和延性變形性能。東南大學(xué)王浩[9]給出在工程應(yīng)用中的建議值，即當(dāng)鋼筋直徑≤2.5 cm時(shí)，建議孔徑比D/d取2.5～3.5，錨固長度可取10～15 d。

由現(xiàn)有研究可知，盡管灌漿波紋管連接通常被當(dāng)作墩柱與承臺(tái)、墩柱與蓋梁之間的連接方式，很少用作立柱間連接的手段，但其在實(shí)際使用過程中，表現(xiàn)出較好的連接性能，可以作為有效連接方式進(jìn)行立柱間連接。同時(shí)，金屬波紋管與套筒類似，但由于自身剛度低于灌漿套筒，使用時(shí)仍需考慮較大的錨固長度以滿足連接節(jié)點(diǎn)連接要求。

1.3 承插式連接

與灌漿套筒和灌漿波紋管等相比，承插式連接施工精度要求較低，且現(xiàn)場拼接工序較少，所以承插式連接是較為簡便的連接方式之一。近幾年國內(nèi)研究的重點(diǎn)主要集中在承插深度對(duì)預(yù)制墩柱抗震性能的影響，新連接形式、側(cè)面剪力鍵的設(shè)置對(duì)于預(yù)制墩柱縱向剪力傳遞的研究等。典型的研究有：徐艷等研究了承插深度對(duì)整個(gè)預(yù)制高強(qiáng)管墩抗震性能的影響，研究結(jié)果表明承插深度對(duì)橋墩整體抗震性能影響較小，并給出了利用嵌巖樁嵌入基巖的深度計(jì)算最小合理承插深度的方法[10]。

同時(shí)Zhao Ceng等對(duì)預(yù)制承插連接的側(cè)向抗剪強(qiáng)度進(jìn)行了試驗(yàn)研究，研究選取了8組構(gòu)件嵌入在插座連接處，其具有以下表面紋理:表面光滑、表面拉毛、刻槽等。結(jié)果表明除表面光滑的試件以外其他試件均能滿足側(cè)向抗剪承載力的需要。認(rèn)為側(cè)向抗剪構(gòu)造可以顯著提高承插式連接中墩柱與插槽的側(cè)向抗剪強(qiáng)度，有利于豎向荷載的有效傳遞[11]。

Han等研究一種圓柱承插式結(jié)構(gòu)，經(jīng)過擬靜力試驗(yàn)分析，認(rèn)為承插深度不小于圓柱墩直徑時(shí)可以保證塑性鉸正常生成[12]，形成塑性鉸破壞模式。

北京工業(yè)大學(xué)的張廣達(dá)等提出了一種基于UHPC灌漿的承插式連接構(gòu)造，表明結(jié)構(gòu)的深寬比控制在0.8左右即可保證塑性鉸的正常形成，而剪力鍵的存在對(duì)柱子的承載力影響較小，但是對(duì)鋼筋縱向應(yīng)力的傳遞和柱子錨固性能有較大作用[13]。

承插連接同樣會(huì)遇到某些情況下不滿足承插深度等問題，因此承插方式配合其他連接方式的組合連接方法同樣將成為后續(xù)的研究熱點(diǎn)。

2 存在的問題及發(fā)展方向

為了更明晰地表述裝配式橋梁預(yù)制組合橋墩連接節(jié)點(diǎn)的性能，將各種連接方式存在的優(yōu)缺點(diǎn)列舉如表1所示。

表1 各連接方式優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比分析表

如表1所示，無論采用何種節(jié)點(diǎn)連接方式均存在一定的缺陷，均不能完全等同于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，但總體思路是采用組合連接提升橋梁剛度和抗剪能力，提升結(jié)構(gòu)的延性，但不同構(gòu)件間是否能夠很好地結(jié)合并共同受力是難點(diǎn)問題。因采用新材料比如UHPC、纖維混凝土、ECC等受到成本的限制，目前還未大范圍應(yīng)用，與此同時(shí)新型材料的本構(gòu)關(guān)系、損傷模型尚未完全建立。為了提升節(jié)點(diǎn)尤其是墩柱與承臺(tái)節(jié)點(diǎn)的抗震性能，不同的學(xué)者在承插式等連接方式的基礎(chǔ)上采用內(nèi)置或者外置的耗能結(jié)構(gòu)，增加結(jié)構(gòu)的阻尼，便于耗費(fèi)更多的地震能量，從而增加結(jié)構(gòu)的延性?？拐鸱矫娌捎美w維單元模擬不同材料特性，尤其是新材料，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，實(shí)體單元可以更好地模擬預(yù)應(yīng)力和節(jié)段拼裝橋墩的接縫處力學(xué)行為，得到了更廣泛的應(yīng)用。

3 結(jié)語

綜上所述，提升預(yù)制墩柱連接節(jié)點(diǎn)所采用連接方式的抗震性能存在較大不同，但是如果采用設(shè)置耗能裝置、使用新型結(jié)構(gòu)材料以及組合連接等方式可以較大程度彌補(bǔ)預(yù)制墩柱節(jié)點(diǎn)抗震的不足，然而由于不同研究條件和手段的差異，以下幾個(gè)主要問題有待進(jìn)一步研究：

(1)灌漿套筒、灌漿波紋管和承插式連接均具備較好的抗震性能，新型材料的使用(如UHPC等)，新型組合形式(如承插式和灌漿波紋管共同連接等)的應(yīng)用等，都可以作為一種有效的預(yù)制裝配方法進(jìn)行進(jìn)一步研究，同時(shí)，也可以作為新的節(jié)點(diǎn)連接方式進(jìn)行補(bǔ)充，為后續(xù)在高烈度區(qū)預(yù)制拼裝工程的應(yīng)用提供基礎(chǔ)。

(2)新型灌漿套筒、新型的承插方案等研究進(jìn)一步提升了預(yù)制裝配橋墩節(jié)點(diǎn)的抗震韌性，可以對(duì)此進(jìn)行深入研究。

(3)目前工程中采用較多的是雙柱墩和排架墩，而且超過10 m的排架墩中還涉及橫系梁，由于雙柱墩、排架墩塑性鉸形成機(jī)制與單柱墩存在較大差異，因此針對(duì)裝配式墩柱抗震性能研究應(yīng)該從單柱墩節(jié)點(diǎn)向雙柱墩、排架墩等更多結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行轉(zhuǎn)變，使得研究適用性更強(qiáng)，更符合工程實(shí)際。