承插式預制拼裝橋墩抗震性能研究綜述

姜海西，衛張震

（上海城投公路投資（集團）有限公司，上海市200020）

承插式預制拼裝橋墩抗震性能研究綜述

姜海西，衛張震

（上海城投公路投資（集團）有限公司，上海市200020）

承插式連接構造是預制橋墩與承臺之間的一種拼接方式，與灌漿套筒和灌漿波紋管等以鋼筋為對接單元的拼接構造相比施工精度要求較低，與現澆濕接縫，預應力節段干接等構造相比現場作業少，是橋梁下部結構預制拼裝的一種有力競爭方案。現從試驗研究、理論研究和工程應用三個方面對承插式構造抗震性能研究進行綜述，以促進該技術在國內預制拼裝橋墩建設中的應用。

插入連接構造；橋墩；抗震性能；研究綜述

0 引言

隨著我國城市化進程不斷持續，許多大型城市的交通問題日益突出，城市路網的快速化迫在眉睫。在交通繁忙和居民眾多的城市中心區域，為了緩解橋梁施工期間對周圍交通的干擾，降低施工中產生的各種噪聲，消除揚塵污染，盡量減少不必要的拆動遷，需要縮短現場施工時間，減少施工作業面，盡快開放交通。這些都表明，城市橋梁建設所受到的制約因素在迅速增多，快速施工、綠色施工、文明施工正成為當前我國橋梁建設面臨的迫切需求，這一需求推動了預制拼裝橋梁技術的發展。

節段拼裝有關技術研究和應用在我國相對較少,已有的應用和研究主要集中在上部結構[1],對于下部結構的實際應用，工程界在借鑒國外的經驗和技術的基礎上,目前正逐漸增多。橋墩在地震中很容易遭受破壞。因此，預制拼裝橋墩的抗震研究受到了廣泛關注。國內外的研究人員和工程設計人員依據橋型特點、施工條件和所處工程環境等因素，對預制拼裝橋墩節點處的連接構造提出了多種方案，主要可歸結為灌漿金屬波紋管連接、灌漿套筒連接、插槽式連接、承插式連接及混合式連接等幾種連接方式[2,3]。

承插式適用于橋墩與承臺基礎連接，它最大的特點在于施工精度要求相對較低，施工工序比較簡單，現場作業量少。對于這種連接構造，國外的一些學者根據當地實際應用的要求提出了幾種具體的構造形式，并對其抗震性能做了初步的研究和分析工作[4-15]。而在國內，對承插式連接的具體構造形式及其抗震性能的研究還幾乎是空白。因此，本文從試驗研究、理論研究和應用實踐等方面對上述構造進行研究綜述。并對亟待研究的問題和可能的解決方法進行展望,以促進該技術在國內的應用。

1 承插式連接構造及特點

承插式接縫連接構造是將預制墩身插入基礎的預留孔內，橋墩與基礎之間沒有鋼筋連接，底部鋪設一定厚度的砂漿，基礎可以是現澆的，也可以是預制的，見圖1所示。該連接構造優點是施工工序簡單，現場作業量少。但關于節點處的力學行為、墩柱埋入深度與墩柱尺寸的關系、插孔界面粗糙度等問題，還有待進一步研究。目前，國內外均有一些橋梁已采用了該連接構造進行建造。

圖1 承插式立柱拼裝示意圖

2 試驗研究現狀

2006年，意大利Paolo Riva等[4]研究了承插式連接和灌漿套筒連接的抗震性能。試驗結果表明，承插式連接試件滯回響應較穩定，沒有發現明顯的強度退化現象。與其他試件相比，承插式連接試件在墩底的彎曲裂縫開展現象更為明顯，裂縫長度與墩柱尺寸幾乎相等。灌漿套筒連接與現澆整體式連接和承插式連接的延性能力相仿，滯回耗能稍差。

2012年，坎貝雷大學M.Mashal和A.Palermo[5]研究了一種橋梁下部結構預制拼裝體系，其中，橋墩、蓋梁和承臺均為預制構件，橋墩與承臺之間采用承插式連接，如圖2所示。

圖2 預制橋墩與承臺連接過程（坎貝雷大學）之實景

2013年，華盛頓大學Haraldsson、Janes等人[6-8]在FHWA資助下研究了預制橋墩與現澆基礎承插式連接構造（Column-to-footing Socket Connection）的抗震性能。該連接構造與傳統現澆連接相比，有兩個突出的特點：（1）橋墩與承臺之間沒有鋼筋穿過；（2）橋墩的縱筋在墩底沒有向外彎出并延伸至現澆基礎內，而是采用錨固頭(headed anchors)的構造形式（見圖3）。研究表明，傳統的向外彎出鋼筋的錨固形式，主要依靠彎鉤處鋼筋與混凝土的粘結作用來提供錨固力，傳力效果不好。而與之相比，采用錨固頭的鋼筋構造形式，在節點處的傳力更為直接和有效。此外，從施工的角度講，后者也更易于澆筑、運輸和安裝。

圖3 Socket連接細部構造（華盛頓大學）之實景

2013年6月，美國華盛頓大學Hung Viet Tran等[9]在聯邦公路局（FHWA）資助下研究了橋墩與鉆孔灌注樁承插式連接（Column-to-Drilled Shaft Socket，見圖4）的抗震性能。研究人員設計了兩個試件（DS1和DS2），兩個試件唯一的區別在于，DS2試件連接處使用的箍筋量要比DS1試件少一半，目的是通過觀察連接區域的破壞現象來研究其內在的傳力機制。對兩個試件進行了擬靜力試驗。試驗結果同設計時預計的情況一樣。DS1以墩柱破壞行為為主，在墩底發生彎曲破壞，而在鉆孔樁內的連接區域基本沒有破壞；DS2的破壞現象以鉆孔樁的變形為主，連接區域產生了撬動效應（prying action）。

圖4 預制墩柱與鉆孔樁Socket連接之實景

3 理論分析

承插式連接構造最早被用于工民建結構，當時人們最關心的是該構造中節點處的受力機理。

1996年，日本Yutaka Osanai等[10]對建筑結構墩柱-基礎Socket連接構造進行了擬靜力試驗研究，繼而基于試驗研究的成果，推導出Socket連接墩柱-基礎構件在水平力和軸向力作用下的節點受力計算公式，最后，基于上述計算公式提出了一套Socket連接的設計方法。該文重點分析了在不同埋深情況下，剪力鍵的傳力機理。結論是，當埋深大于等于1.5D（D為墩柱直徑）時，不需要設剪力鍵，建議摩擦系數取1.0；當埋深在1.25D和1.5D之間時，需要設剪力鍵，建議摩擦系數取1.0；當埋深等于1.0D時，需要設剪力鍵，建議摩擦系數取0.5。不足之處在于，沒有討論埋深和墩柱鋼筋錨固長度的關系，而且得出的結論是基于特定尺寸的剪力鍵，不具備代表性。

自2004年起，CANHA,R.M.F.等對建筑結構墩柱-基礎Socket連接節點處的受力行為開展了一系列的試驗研究和理論分析[11][12][13]。CANHA,R.M.F.等先后研究了有剪力鍵的Socket連接構造和無剪力鍵的Socket連接構造，并分別提出了相應的解析公式。對于有剪力鍵的Socket連接構造，提出了剪力鍵剪力計算公式，分析了剪力鍵尺寸對抗剪能力的影響，并給出了剪力鍵最大尺寸和最小尺寸的建議。其結論指出，墩柱的縱筋在0.5倍埋深附近應變最大，由此導出縱筋的錨固長度約為0.5倍墩柱埋深。

近些年，隨著橋梁施工技術的不斷提高，承插式連接構造被越來越多地應用到橋梁結構的施工當中。2013年，華盛頓大學Haraldsson、Janes等人在試驗研究的基礎上，推導和提出了承插式連接預制拼裝橋墩-擴大基礎結構的設計公式。

同年，華盛頓大學Hung Viet Tran等在試驗研究的基礎上，提出了一種針對樁柱承插式連接構造的三維拉-壓桿模型（見圖5），以研究其傳力機理。分析結果表明，該模型的計算結果與試驗結果吻合較好，因而可以用該模型較好地闡釋樁柱承插式連接構造的傳力機制。

圖5 三維拉-壓桿模型

4 應用實踐

在美國，許多城市高架橋和公路橋梁的基礎形式為擴大基礎（Spread Footing），為了加快施工進度，一些橋梁工程采用了預制橋墩與擴大基礎承插式連接，如華盛頓州SR520公路的一座橋梁使用了承插式連接構造（見圖6）。

圖6 美國華盛頓州SR520公路橋梁所采用的承插式連接構造形式之實景

此外，2013年，華盛頓大學的研究人員基于他們的研究成果，做了兩個示范工程設計。一個是華盛頓州Interstate 5號公路的US 12橋，采用了預制橋墩與擴大基礎承插式連接（見圖7），另外一個是US 101 Bone River橋，采用了預制橋墩與鉆孔樁承插式連接。

圖7 美國US 12 Bridge所用承插式構造連接構造形式之實景

2016年，中國上海嘉閔高架北二段橋梁工程有3 km采用了橋梁全預制拼裝技術，其中一座匝道橋采用了承插式連接構造，預制橋墩與現澆承臺或預制橋臺連接（見圖8）。

圖8 中國上海嘉閔高架承插式連接構造之實景

5 結語和展望

預制節段拼裝橋墩拼裝施工工期短，可以在預制場預制構件，受周圍外界干擾少，但對運輸、起重機械設備要求較高。節段拼裝橋墩技術比較適用于橋梁長度較長，橋墩數量較多的工程，預制構件相對容易標準化，能更加發揮預制工藝的優點。

橋墩預制拼裝研究較多構造形式有灌漿金屬波紋管連接、灌漿套筒連接、承插式連接和混合式連接等。其中，灌漿套筒連接和灌漿金屬波紋管連接施工工期特別短（僅需1～2 d），但對現場拼裝容差和灌漿施工質量要求較高。相比之下，承插式最大優勢在于，拼裝施工時所能容許的誤差較大，施工工序比較簡單，現場作業量較少，施工工期僅略長。

目前國內對承插式連接構造的抗震性能研究還很少，有必要探究適合國內工程實際的構造形式，通過試驗研究找到其變形過程、破壞狀態、極限承載力和延性指標等的規律性，為實際工程設計提供可靠的基礎性技術資料。

[1]李國平.體外預應力混凝土橋梁設計計算方法[D].上海：同濟大學，2006.

[2]Tobolski M J,Matsumoto E E,Restrepo J I.NCHRP 12-74 Development of Precast Bent Cap Systems for Seismic Regions-Background and Progress[C]//National Seismic Conference on Bridges&Highways.2006.

[3]Marsh M L,Stanton J F,Wernli M,et al.Application of Accelerated Bridge Construction Connections in Moderate-to-High Seismic Regions[J].Nchrp Report,2011.

[4]Jose IRestrepo,Matthew J Tobolski,Eric E Matsumoto.Development of a precast bent cap system for seismic regions.[R],Washington,D.C:Transportation Research Board,2011.

[5]M.Mashal,A.Palermo.Quasi-static cyclic testing of half-scale fully precast bridge substructure systemin high seismicity.[C]//National Seismic Conference on Bridges&Highways.2006.

[6]Haraldsson O S,Janes T M,Eberhard M O,et al.Seismic Resistance of Socket Connection between Footing and Precast Column[J].Journal of Bridge Engineering,2013,18(9):910-919.

[7]Marsh M L,Stringer S J,Stanton J F,et al.Precast Bent System for High Seismic Regions[J].Bridge Design,2013.

[8]Haraldsson O S,Janes T M,Eberhard M O,et al.Precast Bent System for High Seismic Regions:Laboratory Tests of Columnto-Footing Socket Connections[J].Bridge Construction,2013.

[9]Hung Viet Tran,John F.Stanton,and Marc O.Eberhard.Precast Bent System for High Seismic Regions:Laboratory Tests of Columnto-Drilled Shaft Socket Connections.[J].Bridge Construction,2013.

[10]Osanai Y,Watanabe F,Okamoto S.Stress transfer mechanism of socket base connections with precast concrete columns[J].Journal of Structural&Construction Engineering,1996,93(3):107-114.

[11]Canha B F,Martins R.Theoretical-experimental analysis of column-foundation connection through socket of precast concrete structures[J].Molecular Cancer,2004,13(1):1611-1624.

[12]Canha R M F,Campos G M,El Debs M K.Design model and recommendations of column-foundation connection through socket with rough interfaces[J].Revista Ibracon De Estruturas E Materiais,2012,5(2):182-218.

[13]Canha R M F,Ebeling E B,Ana Lucia H.de Cresce El Debs,et al.Analysing the base of precast column in socket foundations with smooth interfaces[J].Materials&Structures,2009,42(6):725-737.

[14]Marsh M L,Stringer S J,Stanton J F,et al.Precast Bent System for High Seismic Regions,Appendix B:Design Example No.1[J].Bridge Design,2013.

[15]Marsh M L,Stringer S J,Stanton J F,et al.Precast Bent System for High Seismic Regions,Appendix C:Design Example No.2[J].Bridge Design,2013.

U443.22

B

1009-7716（2017）12-0056-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.12.016

2017-09-07

姜海西（1981-），男，江蘇建湖人，博士研究生，高級工程師，從事公路、橋梁、隧道等基礎設施投資建設管理和預制拼裝技術研發工作。