帶抗剪鍵橋墩與承臺承插式連接受力性能研究

收稿日期：2024-01-18

作者簡介：陳奕銘（1989—），男，碩士，工程師，研究方向：橋梁設計。

摘要 為研究帶抗剪鍵橋墩與承臺承插式連接的受力性能，文章建立了3個不同構造的承插式連接試件有限元模型，對其墩柱端部的豎向軸壓承載力曲線進行了對比分析，同時研究了3個試件在豎向極限荷載作用下的鋼筋和混凝土應力狀況，結果表明：橋墩與承臺承插孔內壁設置的抗剪鍵可顯著改變承插式連接的受力狀態，并能夠顯著降低承臺底板的應力水平。

關鍵詞 承插式連接；抗剪鍵；豎向承載能力

中圖分類號 U443.22文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）09-0119-03

0 引言

為適應橋梁的快速化施工，目前我國正大力推廣裝配式結構，建造和使用的裝配式橋梁也越來越多。裝配式結構關鍵技術主要是構件間的連接，一般可分為上部結構連接和下部結構連接，其中橋梁下部結構連接包括蓋梁與墩柱連接、墩柱分節拼接以及墩柱與承臺連接。對于墩柱與承臺連接，常用的連接方式包括灌漿金屬波紋管連接、灌漿套筒連接和承插式連接。其中，承插式連接具有施工效率高、易于安裝等優點，越來越多地被工程應用和研究。

目前，國內外專家學者所研究的橋梁墩柱與承臺承插式連接，雖將墩柱與承插孔內壁進行了鑿毛處理，但并未考慮承插連接界面的受力性能。在海洋結構與水下基礎承插式灌漿連接中，一般在連接段設置抗剪鍵，可以有效提高連接段的受力性能。例如，西文喜[1]研究了海上風機基礎水下灌漿連接段的受力性能，對剪力鍵的尺寸及布置情況進行了優化。陳濤和張持海等[2]人研究了海上風機基礎灌漿連接段的軸心受壓承載力。結果表明，增加剪力鍵的高距比能夠提高灌漿連接段的軸心受壓承載力。

該文借鑒海洋結構的水下基礎灌漿連接，在橋梁墩柱承插深度范圍內與承臺承插孔內壁設置抗剪鍵，并對該承插式連接開展了承載力研究。利用有限元分析方法對3個橋梁橋墩與承臺承插式連接試件模型的承載力進行了對比分析，并研究了3個模型在極限荷載作用下鋼筋與混凝土的應力分布情況。

1 模型尺寸、配筋及抗剪鍵設計

1.1 模型整體尺寸及配筋

該文對3個橋梁墩柱與承臺承插式連接模型進行了有限元分析。模型1和模型2的整體尺寸及配筋參考文獻[3]中的試件CC-1.0D，如圖1～3所示。其中，模型1承插界面不進行鑿毛處理，即保持承插界面光滑；模型2在承插界面設置了混凝土抗剪鍵；模型3將模型2的底板厚度減薄100 mm，其余尺寸和配筋與模型2相同。

圖1 預制墩柱尺寸圖（mm）

圖2 預制承臺剖面圖（mm）

圖3 預制承臺平面圖（mm）

1.2 承插界面抗剪鍵設計

《裝配式市政橋梁工程技術規范》[4]中給出了抗剪鍵尺寸的相關要求：抗剪鍵應采用矩形、圓角梯形截面，傾角為45 °，高度應大于混凝土骨料最大粒徑的2倍且不小于35 mm；高度可取平均寬度的2倍。根據文獻[3]，該文分析的3個橋墩與承臺承插式模型為縮尺模型，模型抗剪鍵高度取16 mm。抗剪鍵的尺寸如圖4所示：

圖4 承插界面混凝土抗剪鍵尺寸（mm）

2 有限元分析模型

2.1 單元選取及邊界條件確定

該文采用有限元軟件ABAQUS開展相關數值分析，混凝土和灌漿料采用C3D8R實體單元，普通鋼筋采用T3D2桁架單元。混凝土與鋼筋之間的黏結利用“嵌入”功能實現，忽略鋼筋與混凝土之間的滑移變形。灌漿料單元與承臺預留孔內壁綁定，與插入承臺預留孔的墩柱外表面進行接觸，切向利用“罰”函數摩擦模型，摩擦系數取0.5，法向利用“硬”接觸約束模型。將承臺底部四周全部約束，進行靜力分析。

2.2 材料本構模型

混凝土標號為C30，采用軟件自帶的塑性損傷模型[5]，其本構關系相關參數按照《混凝土結構設計規范》[6]計算得出。鋼筋采用雙折線的本構模型，上升段斜率采用鋼筋屈服前的彈模，強化段斜率采用上升段斜率的1%。因目前暫無成熟的高強灌漿料本構關系，在模型中采用C80混凝土進行模擬。

為提高計算模型中結果的精確性，并同時考慮在加載、卸載過程中混凝土損傷的累積效應，該文引進損傷因子的概念，其計算方法如下：

（1）

式中，c、t——混凝土受壓、拉行為；β——塑性和與非彈性應變的比值，混凝土受壓、拉時，β取值0.35～

0.7、0.5～0.95；εin——混凝土拉壓時的非彈性應變。

2.3 數值模擬驗證

為進一步驗證該文所采用的有限元模型正確性，將模型1分析得到的骨架曲線與文獻[3]中的試驗結果進行對比，如圖5所示：

圖5 有限元模型驗證

該文模擬的骨架曲線在柱頂水平正反方向最大荷載分別達到65.5 kN和58.4 kN，文獻[3]中的對應值分別為74.3 kN和68.1 kN，兩者分別相差11.8%和14.2%，主要原因是該文有限元模擬中混凝土和鋼筋的本構關系與文獻[3]中的試件有所差別。因此，該文的有限元模擬是可靠的。

3 模型軸壓承載力分析

在墩柱頂部設置參考點，并與墩柱頂面耦合，通過對參考點以位移加載方式向墩柱施加軸向荷載，所得的模型1和模型2的荷載-位移曲線如圖6所示。由圖6可以看出，兩者的豎向承載力基本相同。

圖6 模型1和模型2的荷載-位移曲線

通過ABAQUS的后處理模塊將模型2的墩柱端部總荷載分解為抗剪鍵和承臺承插孔下部區域底板各自分擔的荷載，如圖7所示。可以發現，模型2的抗剪鍵和承臺承插孔下部區域承臺底板分別承擔了大約2 400 kN和800 kN的豎向荷載，說明抗剪鍵承擔了大部分豎向荷載。

在豎向荷載作用下進入塑性時，模型1和模型2承臺鋼筋最大應力分別為510.6 MPa和370.5 MPa，說明通過設置抗剪鍵可顯著降低承插孔底部承臺內鋼筋的應力，降幅達37.8%。

圖7 模型2的抗剪鍵和承插孔底部區域分擔荷載

在豎向荷載作用下進入塑性時，模型1和模型2承插孔底部區域最大應力分別為34.69 MPa和13.98 MPa，說明通過設置抗剪鍵可顯著降低承插孔底部區域應力水平，降幅達148.1%。

為進一步研究抗剪鍵對承插式連接豎向承載力的影響，模型3將模型2承臺承插孔下部區域厚度由220 mm降為120 mm，通過對其開展豎向承載力有限元分析，并與模型1和模型2進行對比，如圖8所示。

圖8 三個模型荷載-位移曲線比較

從圖8可以看出，模型3與模型2的豎向承載力基本相當，略有減小，這說明承臺厚度的減小對承載力的影響有限，抗剪鍵承擔了大部分荷載。

如圖9所示為模型3的抗剪鍵和承臺承插孔底部區域承臺底板分別分擔的荷載。由圖9中可以發現，模型3中的抗剪鍵分擔荷載約為2 800 kN，而承插孔下部區域承臺底板分擔的荷載約為600 kN，說明減小承臺厚度會進一步增加抗剪鍵承擔的荷載。

圖9 模型3荷載分擔圖

與模型2相比，在進入塑性時模型3的承臺鋼筋最大應力（501.8 MPa）顯著增加，而承臺底板混凝土應力則增加不大，僅由13.98 MPa增加到15.08 MPa。

4 結論

該文對3個橋梁墩柱與承臺承插式連接試件模型進行了有限元模擬，并分析了3個模型的軸壓荷載-位移曲線、鋼筋和混凝土應力狀況，可以得到以下結論：

（1）抗剪鍵承擔了大部分豎向軸壓荷載。抗剪鍵的設置對豎向軸壓承載能力的影響很小，但會顯著降低承插孔底部混凝土和承臺內鋼筋的應力水平。

（2）承臺厚度的減小會進一步增加抗剪鍵承擔豎向荷載的比例，顯著增加承臺內鋼筋應力，但對承插孔底部混凝土的應力水平影響較小。

參考文獻

[1]西文喜. 海上風機基礎水下灌漿連接段受力性能研究[D]. 青島：中國石油大學（華東）， 2018.

[2]陳濤， 張持海， 王銜， 等. 海上風機基礎灌漿連接段軸心受壓承載力數值分析[J]. 同濟大學學報（自然科學版）， 2020（10）： 1452-1459.

[3]韓艷， 董嘉雯， 王龍龍， 等. 承插式裝配橋墩抗震性能擬靜力試驗與數值模擬[J]. 工程抗震與加固改造， 2020（5）： 63-70.

[4]安關峰， 侯照保. 《裝配式市政橋梁工程技術規范》（DBJ/T 15-169—2019）編制與介紹[J]. 市政技術， 2020

（5）： 93-98.

[5]齊威. ABAQUS 6. 14超級學習手冊[M]. 北京：人民郵電出版社， 2016.

[6]混凝土結構設計規范： GB 50010—2010[S]. 北京：中國建筑工業出版社， 2011.