承插式預制橋墩抗震性能研究綜述

丁世聰，韓艷，王江江，黃志明 （北方工業大學土木工程學院，北京 100144）

0 前言

橋梁是主要交通路徑，我國對橋梁建設發展高度重視[1]。橋梁墩柱預制拼裝技術相比傳統的現澆式墩柱有很大進步，具有現場施工量少、方便快捷、高效環保等優勢。橋梁墩柱與承臺的連接主要有整體現澆式、灌漿套筒、灌漿金屬波紋管、承插式[1-2]等形式。其中整體現澆式是對墩柱與承臺的鋼筋進行綁扎形成整體鋼筋籠，然后對其整體現場混凝土澆筑，此連接構造在實際工程中應用較多，但施工周期長、現場作業量大。與灌漿套筒、灌漿金屬波紋管等相比，承插式的墩柱與承臺連接精度要求更低，更有利于加快施工速度[3]。在地震作用下橋梁下部結構很容易遭到破壞，尤其是預制墩柱與基礎的連接界面是抗震性能的薄弱部位，所以，這種類型的橋墩僅限于低烈度區采用[4-5]。我國是地震多發國家，預制橋墩的抗震性能需要進一步提高，為此，本文總結了國內外學者對承插式預制墩柱抗震性能研究現狀，提出了需進一步研究的問題，以促進我國承插式橋墩在橋梁工程中的合理應用。

1 承插式連接構造特點及應用

墩柱與承臺基礎的承插式連接系將預制墩柱放入承臺基礎預留杯口內，并用灌漿料填充縫隙，通過灌漿料提供的固結作用使墩柱與承臺形成整體。該連接構造最大的特點是現場作業量少，施工工序簡單，施工周期短，是橋梁下部結構預制裝配的一種有力競爭方案[3]。尤其在交通繁忙和居民眾多的城市中心區域，因可以大大縮短現場施工時間，減少施工作業面，從而可以減少不必要的拆遷，大幅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，消除粉塵污染，同時可以提高施工人員安全性和施工質量，符合快速施工、綠色施工、文明施工的現代化橋梁建設發展需求。美國華盛頓州SR520公路的interstate 5號公路橋就采用了預制墩柱與承臺的承插式連接，并在預制墩柱嵌入段外表面設置環形凹槽以提升表面粗糙度，從而增大承臺與墩柱粘結力使兩者連接更加牢固。我國上海嘉閔高架北二段一座匝道橋也采用了預制墩柱與基礎的承插式連接，且也在預制墩柱嵌入段外表面設置了環形凹槽。另外，北京積水潭立交橋及江北東高速也采用預制墩柱與承臺承插式連接，后者是國內首次在管樁基礎上對下部結構橋墩連接采用承插式技術連接，為我國橋梁下部構造承插式連接技術研究與應用做出了卓越的貢獻。

2 國內外研究現狀

墩柱與基礎承插式連接構造是近年來預制橋梁建設的新型橋墩構造形式，但并不是一種全新的連接構造，其構造原理與工民建結構中的杯型基礎相似。1996年，日本學者Osanai等[6]對房屋建筑結構墩柱-基礎的承插式連接構造進行了擬靜力試驗，對柱基應力傳遞機理進行研究，推導出承插式連接墩柱-基礎構件在水平力和軸向力作用下的節點受力計算公式，并提出了相應的設計方法。該研究首次提出不同埋置深度墩柱剪力鍵的設置與摩擦系數的選取，但結果是基于特定尺寸的剪力鍵，沒有考慮墩柱插入界面粗糙度與基礎杯底開口尺寸的影響，因此所得結論不具備代表性。

2004年，Canha等[7-9]對房屋建筑結構墩柱-基礎承插式連接節點的受力行為進行研究，先后分析了有無剪力鍵以及剪力鍵尺寸對承插式連接結構抗剪性能的影響，結果表明墩柱縱筋最大應變值出現在0.5倍埋深附近，由此導出墩柱縱筋錨固長度大約為0.5倍墩柱埋深，并建議了剪力鍵最大尺寸和最小尺寸。Anil等[10]建立了承插式預制墩柱的有限元模型，對Canha[7-9]等人的研究結果進行了驗證，分析了預制墩柱與承臺基礎承插式連接節點的應力傳遞機理。結果表明，在一定水平荷載作用下，承臺基礎預留杯口壓應力最大，隨著墩柱承插深度的增加，承插孔壁應力逐漸減小，在大約一半承插深度時，承插孔壁所受應力為零，此處，同側承插孔壁由壓應力變為拉應力，且隨承插深度的增加而增大，該應力值與界面接觸面剛度系數成正比。

隨著橋梁建設技術快速發展，施工速度要求不斷提高，承插式連接構造越來越多地應用到橋梁結構施工建設中。因橋梁結構中的預制墩柱截面尺寸、承受荷載量級等與房屋建筑結構墩柱相差較大，所以房屋建筑結構墩柱-基礎承插式連接構造不能直接用于橋梁工程中。因此，國外一些學者結合當地實際橋梁應用要求提出了幾種具體的承插式橋墩構造形式，并對其靜力性能及抗震性能做了初步的分析工作[11-14]。

2013 年，Haraldsson 等[11]對兩個嵌入深度分別為0.5D、1.1D（D為墩柱直徑）的預制墩柱及現澆基礎的承插式橋墩進行了擬靜力試驗，試驗的墩柱縱向鋼筋沒有向墩底外部彎出并延伸到現澆基礎內，而是采用了錨固頭的構造形式。結果表明，0.5D橋墩的承臺基礎發生沖剪破壞，1.1D橋墩的破壞是由墩柱本身失效引起的，而承插式節點構造保持完好。同年，Mashal等[12]對雙柱式橋墩與承臺承插式連接構造進行擬靜力試驗研究，并根據墩柱破壞現象及墩柱塑性鉸區鋼筋的應變大小對柱體破壞程度進行等級劃分，結果表明承插式預制橋墩有較好的抗震效果。鋼筋應變直接反映了其所受應力大小，而墩柱鋼筋配筋率直接影響到其所受應力，對于墩柱塑性鉸區配筋率對柱體破壞程度及破壞形式的影響程度還需進一步研究。

2018 年，Mohebbi等[13-14]先后對大型單柱預應力墩和雙柱墩進行振動臺試驗，墩柱與帽梁及承臺基礎采用承插式連接，前者墩柱承插深度為1.0D，后者墩柱與承臺及帽梁承插深度分別為1.36D、1.0D。單柱墩塑性鉸區承臺界面上2.0D、雙柱墩帽梁界面下1.5D范圍內采用超高性能混凝土材料（UHPC）進行加固。振動臺試驗結果表明UHPC能夠有效降低墩柱塑性鉸區的地震損傷和混凝土剝落，承臺基礎界面下柱體縱筋塑性變形的增大能夠提高其延性，避免柱體結構過早破壞。由于該試驗研究的UHPC及鋼筋塑性變形會對柱體損傷產生影響，而鋼筋塑性變形與自身強度有關，因此，加固墩柱塑性鉸區段的材料種類、材料加固范圍及應用的鋼筋強度必定會對柱體損傷產生影響，其影響規律還需要通過試驗進一步研究。

在國內，2016年，夏樟華等[15]對美國華盛頓州的橋梁快速施工技術進行總結，指出當承插式橋墩的預制墩柱埋深大于等于墩柱直徑時，預制墩柱-基礎連接的性能會等于或好于現澆混凝土橋墩。2018 年，冷大偉[16]和陳金彪等[17-18]提出預制承臺基礎與空心墩柱承插式連接的兩種構造形式，即鋼板剪力釘連接方式和梯形剪力齒連接方式，并分析了兩種連接構造的預制墩柱-基礎連接接頭處的緊密性及受力特點，結果表明，預制墩柱最終破壞形式都是彎曲破壞，梯形剪力齒連接形式的預制墩柱表現更為優越。陳金彪等[18-19]還利用ABAQUS對兩種連接方式的橋墩進行了數值模擬分析，模擬結果與試驗結論基本吻合，為采用有限元方法進行承插式預制橋墩抗震性能參數分析奠定了基礎。

2019年，徐艷等[19]對一個整體現澆墩柱和四個不同承插深度（0.5D、0.7D、1.0D、1.5D）的預制墩柱進行擬靜力試驗，并進行數值模擬分析，結果表明不同承插深度的預制墩柱的抗震性能與整體現澆橋墩基本一致，并且承插深度主要影響的是承插孔壁應力分布，承臺基礎對預制墩柱的約束作用與樁周土對嵌巖樁的約束作用極為相似，根據試驗及數值模擬結果，得到該連接構造在保證灌漿料粘接良好的情況下，0.7D的承插深度可作為最小合理承插深度推薦值。該承插深度是在理想狀態下推導出來的，而在實際工程施工中，施工誤差可能會對承插式預制墩柱抗震性能產生影響，因此，墩柱0.7D的承插深度是否能夠應用于實際工程還有待進一步驗證。

3 承插式預制橋墩抗震性能研究方向

從前面的研究現狀可以看出，目前關于承插式預制橋墩抗震性能的研究還不夠系統深入，可以考慮在以下幾個方面加強研究：

①研究承臺基礎預留孔洞尺寸、預制墩柱塑性鉸區配筋率對承插式預制橋墩抗震性能的影響；

②研究加固墩柱塑性鉸區段的材料種類、材料加固范圍及鋼筋配置等對預制橋墩抗震性能的影響程度，揭示具有不同構造參數的承插式預制橋墩在地震作用下的損傷演化過程和破壞特征，優化承插式連接構造參數。

4 結語

本文主要闡述了承插式預制橋墩抗震性能的研究現狀、存在局限及發展方向等相關問題。總結了影響承插式預制橋墩抗震性能的主要因素包括墩柱插入界面粗糙度、墩柱承插深度等，而承臺基礎預留杯口尺寸、墩柱塑性鉸區段加固的材料種類、材料加固范圍及鋼筋配置對預制橋墩抗震性能的影響規律是進一步的研究方向，建議采用理論分析、模型試驗與數值模擬相結合的方法以更全面研究承插式預制橋墩的抗震性能。