預(yù)制組合墩柱連接節(jié)點抗震性能研究發(fā)展綜述

劉會超

(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)以其獨特的優(yōu)點如施工效率高、對環(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，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一步分析等原因。現(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，對高烈度地區(qū)應(yīng)用預(yù)制拼裝技術(shù)的研究不足。

對于全預(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)點位置處的損傷累計，節(jié)點連接可靠性直接決定橋梁結(jié)構(gòu)安全服役性能，因此對于預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)亟須進行節(jié)點抗震性能研究。

1 國內(nèi)外研究進展

預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)抗震研究的難點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方法等幾個方面。近幾年國內(nèi)預(yù)制裝配式橋墩節(jié)點的研究放在灌漿套筒連接、灌漿波紋管連接、承插式連接上，本文著重對此三種連接展開介紹。

1.1 灌漿套筒錨接

針對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)埋套管進行擬靜力試驗研究，結(jié)果表明采用套管灌漿方式對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鋼筋對中的施工偏差，提出了鋼筋與灌漿套筒粘結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系[3]。黃俊、魯志偉等對楔形灌漿套筒和楔形螺紋灌漿套筒力學(xué)性能進行研究，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%。同濟大學(xué)的匡志平等同樣對灌漿套筒連接構(gòu)件進行試驗研究，根據(jù)研究認(rèn)為如果灌漿不足對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、灌漿料強度以及灌漿套筒形式。因此只要能夠保證合理地對上述影響因素取值，即可實現(xiàn)較好的連接性能。其次，由于灌漿套筒的存在會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2個1/3縮尺橋墩進行了擬靜力循環(huán)加載試驗。試驗結(jié)果表明：當(dāng)使用灌漿金屬波紋管連接時，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，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、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行立柱間連接。同時，金屬波紋管與套筒類似，但由于自身剛度低于灌漿套筒，使用時仍需考慮較大的錨固長度以滿足連接節(jié)點連接要求。

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)研究的重點主要集中在承插深度對預(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整個預(yù)制高強管墩抗震性能的影響，研究結(jié)果表明承插深度對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算最小合理承插深度的方法[10]。

同時Zhao Ceng等對預(yù)制承插連接的側(cè)向抗剪強度進行了試驗研究，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)過擬靜力試驗分析，認(rèn)為承插深度不小于圓柱墩直徑時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，而剪力鍵的存在對柱子的承載力影響較小，但是對鋼筋縱向應(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。

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)點的性能，將各種連接方式存在的優(yōu)缺點列舉如表1所示。

表1 各連接方式優(yōu)缺點對比分析表

如表1所示，無論采用何種節(jié)點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)點尤其是墩柱與承臺節(jié)點的抗震性能，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，便于耗費更多的地震能量，從而增加結(jié)構(gòu)的延性。抗震方面采用纖維單元模擬不同材料特性，尤其是新材料，隨著計算機技術(shù)的進步，實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預(yù)制墩柱節(jié)點抗震的不足，然而由于不同研究條件和手段的差異，以下幾個主要問題有待進一步研究：

(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)制裝配方法進行進一步研究，同時，也可以作為新的節(jié)點連接方式進行補充，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一步提升了預(yù)制裝配橋墩節(jié)點的抗震韌性，可以對此進行深入研究。

(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制與單柱墩存在較大差異，因此針對裝配式墩柱抗震性能研究應(yīng)該從單柱墩節(jié)點向雙柱墩、排架墩等更多結(jié)構(gòu)體系進行轉(zhuǎn)變，使得研究適用性更強，更符合工程實際。