基于焊接鋼板定位的裝配式橋墩抗震性能分析

史彪之，裴雪揚

（1.中鐵四局集團第二工程有限公司，江蘇 蘇州215131；2.鹽城工學院，江蘇 鹽城 224051）

0 引言

裝配式橋梁因施工快捷、綠色環保以及對交通影響小等特點，在城市建設中得到廣泛使用。預制構件連接可靠性是確保橋梁預制裝配技術應用的關鍵所在，橋墩與承臺之間的連接性能是預制裝配式的研究熱點[1，2]。

灌漿波紋管連接作為一種常見預制構件連接方式，因其具有施工快捷、構造簡單的特點，經常應用在預制墩柱與承臺、蓋梁的連接中[3，4]。灌漿波紋管連接的廣泛使用，提高了對實際工程中拼裝的精度要求。在波紋管連接實際施工過程中，因鋼筋錨固長度較長，波紋管或鋼筋的位置容易發生偏移，會影響鋼筋的搭接，甚至導致鋼筋無法按照設計圖紙的要求插入預留孔洞中，進而影響裝配式橋墩的抗震性能[5，6]。為解決波紋管連接的預制構件安裝精度問題，本文依托無錫鳳翔路快速化改造中的裝配式橋梁施工項目，進行裝配式橋墩的預制構件連接優化研究。利用柱底和承臺之間留有孔洞的鋼板，以確保縱筋和灌漿波紋管的精確定位。墩柱與承臺之間焊接鋼板對于橋墩構件的抗震性能的影響好壞，是該連接形式能否采用的關鍵所在[7，8]。

為研究采用焊接鋼板定位的裝配式橋墩的抗震性能，設計不包含焊接鋼板和采用焊接鋼板定位的兩種裝配式橋墩構件的縮尺模型，并開展擬靜力試驗以進行對比分析。通過分析滯回曲線、骨架曲線，判斷焊接鋼板是否會改變裝配式橋墩的抗震性能。在試驗結束后切割試件，觀察波紋管與混凝土粘結的可靠性，并觀察鋼板焊縫是否發生破壞。綜合分析基于焊接鋼板定位的裝配式橋墩的抗震性能，為預制構件的連接優化提供一定參考意見。

1 工程概況

1.1 試件概況

有鋼板和無鋼板的裝配式橋墩外部尺寸相同，正方形墩柱邊長為400 mm，見圖1。墩柱和承臺中鋼筋強度均為HRB400，墩柱縱筋直徑為18 mm，承臺縱筋直徑為25 mm，箍筋直徑為8 mm，金屬波紋管直徑55 mm。墩柱底部和承臺頂部的鋼板厚度均為10 mm，孔洞圓心位置與鋼筋對應。

圖1 裝配式混凝土橋墩尺寸圖（單位：mm）

1.2 加載方式

在墩柱頂部設置950 kN 的豎向壓力，對應0.3的軸壓比。采用位移控制的加載方式，水平加載中心距離柱頂約200 mm，每個位移幅值循環三次，初步設置的水平位移加載幅值為：2、4、8、16、24、34、44、54、64、74、84，單位為mm。在2 和4 mm 滯回位移循環中，加載速率分別為2 和4 mm/min；此后循環中，加載速率數值為加載幅值的一半。

2 擬靜力試驗結果分析

2.1 試驗破壞現象

2.2.1 無鋼板裝配式橋墩

滯回位移為2 mm 和4 mm 時，試件表面未出現明顯現象。滯回位移為16 mm 時，橋墩東西出現短裂縫。當滯回位移為24 mm 時，橋墩南北表面出現斜裂縫，東西兩面出現新裂縫。滯回位移為34 mm、44 mm時，墩柱東西表面底部混凝土出現壓碎現象，橫向裂縫逐漸貫通。滯回位移為64 mm 時，墩柱南北表面混凝土破壞現象明顯加載機器顯示滯回曲線出現大幅度突降，停止試驗。圖2 是無鋼板裝配式橋墩在不同階段的破壞現象。值得注意的是，圖2（d）是在試驗停止后，將柱表面破碎混凝土輕輕碰掉，觀察到鋼筋發生彎曲。

圖2 無鋼板裝配式橋墩破壞圖

2.2.1 有鋼板裝配式橋墩

滯回位移為2 mm、4 mm 時，試件表面未出現明顯現象。當滯回位移為8 mm 和16 mm 時，墩柱東西面出現短裂縫。當滯回位移為34 mm 時，東西兩面出現新裂縫，南北表面斜裂縫增多，墩柱西表面底部混凝土出現起皮現象。滯回位移為44 mm、54 mm 時，墩柱東西表面底部混凝土出現壓碎現象，橫向裂縫逐漸貫通；南北表面斜裂縫逐漸貫通，和東西表面裂縫相交。滯回位移為64 mm 時，墩柱南北表面底部兩側混凝土劈裂，墩柱東西表面底部混凝土大面積脫落，鋼筋出現彎曲。圖3 是包含焊接鋼板的裝配式橋墩在不同階段的破壞現象。此處圖3（d）是在試驗停止后，將柱表面破碎混凝土輕輕碰掉，觀察到鋼筋發生彎曲。

圖3 有鋼板裝配式橋墩破壞圖

綜上所述，有鋼板和無鋼板兩種裝配式橋墩試件，都經歷了裂縫開展、柱底混凝土局部破壞、保護層混凝土剝落以及鋼筋彎曲（屈服）的過程，混凝土最終破壞形式均呈現出彎曲破壞的規律。

2.2 滯回曲線

基于試驗結果，圖4 給出有鋼板和無鋼板兩種裝配式橋墩試件的滯回曲線。二者的滯回曲線，均經歷先上升，達到峰值，然后下降三個階段。滯回位移級別達到16 mm 后，發生較為明顯的滯回現象。無鋼板試件的荷載峰值出現在滯回位移-54 mm 處，數值為-192 kN，有鋼板試件的荷載峰值出現在滯回位移-44 mm 處，數值為-199 kN。滯回位移為負時，34 mm、44 mm 和54 mm 三個級別的荷載峰值十分接近；滯回位移為正值時，荷載峰值在44 mm 之后有下降趨勢。曲線均于64 mm 時發生突降，第二循環以后的曲線峰值明顯低于第一次循環的曲線峰值，與試驗破壞現象中最后的明顯破壞相對應。

圖4 滯回曲線（單位：kN）

2.3 骨架曲線

基于每個滯回環的荷載峰值，圖5 給出了兩種試件的骨架曲線，直觀體現滯回循環中荷載峰值與位移的關系。有鋼板和無鋼板兩種裝配式橋墩試件的骨架曲線十分接近，說明二者有著接近的承載能力。仔細觀察骨架曲線34 mm、44 mm 和54 mm 部分，曲線在34 mm 和44 mm 時發生下降，對應著破壞現象中的東西面底部混凝土出現壓碎，兩種試件最大承載力應該出現在滯回位移34 mm 與44 mm之間。

圖5 骨架曲線（單位：kN）

2.4 鋼板連接可靠性

終止試驗后，將橋墩試件切割開，觀察焊接鋼板與墩柱以及承臺之間粘結情形。焊接鋼板與混凝土之間未出現明顯分離現象，且焊縫處沒有開裂現象，驗證了焊接鋼板連接可靠性。

3 結語

針對裝配式橋墩施工過程中，金屬波紋管和插入鋼筋的位置固定難題，提出一種新的連接方式：在柱底和承臺上表面安置帶孔焊接鋼板以確保波紋管與鋼筋的精準定位，再對鋼板進行焊接操作以保證連接性能。設計不包含鋼板和采用焊接鋼板定位的兩種裝配式橋墩試件，并開展擬靜力試驗以對比分析抗震性能。基于試驗結果，得出以下結論：

（1）基于焊接鋼板連接的裝配式橋墩試件形式，可實現預制墩柱和承臺之間波紋管和鋼筋的精準定位，同時也能夠保證裝配式橋墩的抗震性能。

（2）焊接鋼板連接的裝配式橋墩試件，有著和無鋼板常見裝配式橋墩試件一樣的破壞形式，二者有著相同破壞規律，焊接鋼板未改變結構的受力特點。

（3）焊接鋼板連接的裝配式橋墩試件，有著和無鋼板裝配式橋墩試件相類似的滯回曲線、骨架曲線，焊接鋼板未影響裝配式橋墩的抗震性能。

（4）焊接鋼板與混凝土粘結可靠，鋼板焊縫處未出現開裂，驗證了焊接鋼板連接的可靠性。