曾 增 王志剛 余 堅(jiān) 黃遵義 殷曉峰

（1.同濟(jì)大學(xué)橋梁工程系，上海200092；2.中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，武漢430058；3.湖北交投江北東高速公路有限公司，武漢430040）

0 引 言

為了適應(yīng)時(shí)代發(fā)展需求，橋梁工程的建設(shè)趨勢(shì)走向施工標(biāo)準(zhǔn)化以及生產(chǎn)工業(yè)化，因此橋梁工程快速施工技術(shù)［1］（Accelerated Bridge Construction）應(yīng)運(yùn)而生。事實(shí)上，西方發(fā)達(dá)國(guó)家早在20世紀(jì)60年代已經(jīng)開(kāi)始采用這項(xiàng)技術(shù)［2］，而我國(guó)起步相對(duì)較晚，始于90 年代的北京積水潭橋試驗(yàn)工程。近年來(lái)，我國(guó)已經(jīng)逐步成為世界橋梁建設(shè)的中心，橋梁建造技術(shù)持續(xù)發(fā)展，預(yù)制拼裝的相關(guān)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)得到不斷完善與累積，先后采用橋梁快速建造技術(shù)建設(shè)了東海大橋［3］、杭州灣大橋［4］、港珠澳大橋［5］等幾座跨海大橋。然而，預(yù)制拼裝技術(shù)不可避免的存在多處連接部位，這顯然不利于橋梁抗震，因此有必要深入研究連接部位抗震性能的可靠程度。由于地震作用主要影響橋梁下部結(jié)構(gòu)，因此橋墩與基礎(chǔ)承臺(tái)連接構(gòu)造的抗震問(wèn)題更為突出。

承插式連接構(gòu)造［6］是常用的墩臺(tái)連接方式之一，其應(yīng)用研究主要集中在西方國(guó)家。值得注意的是，不論是工程結(jié)構(gòu)還是試驗(yàn)構(gòu)件，橋墩承插段接觸面的構(gòu)造幾乎都是粗糙化處理，諸如Mashal等［7］有關(guān)預(yù)制橋墩與預(yù)制基礎(chǔ)的承插式連接研究，Haraldsson 等［8］有關(guān)預(yù)制橋墩與現(xiàn)澆基礎(chǔ)的承插式連接研究，Khaleghi等［9］有關(guān)在排架墩橋梁中應(yīng)用承插式連接的研究。國(guó)內(nèi)有關(guān)承插式連接的研究成果主要體現(xiàn)在規(guī)范［10-11］的相關(guān)條文，規(guī)范中主要對(duì)承插孔高度以及承臺(tái)底板厚度做了相關(guān)規(guī)定，而未對(duì)接觸面構(gòu)造提出要求。因此，在實(shí)際工程應(yīng)用中承插段是否有必要采用粗糙面構(gòu)造處理值得商榷。為此，本文以江北高速公路東延伸工程為依托，針對(duì)承插式接觸面構(gòu)造，通過(guò)擬靜力試驗(yàn)研究比較承插段粗糙處理和承插段光滑處理的抗震性能，從而為工程應(yīng)用提出合理建議。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

本文依托的工程采用離心預(yù)制空心橋墩，預(yù)制橋墩與承臺(tái)采用承插式連接，且承插段的接觸面擬定為鋸齒形波紋狀。墩壁采用C70 混凝土，墩內(nèi)部分填充C40混凝土。預(yù)制橋墩的內(nèi)外徑分別為140 cm、90 cm。橋墩縱筋設(shè)置為外側(cè)36 根28 mm HRB400 鋼筋，內(nèi)側(cè) 18 根 16 mm HRB400鋼筋。橋墩箍筋采用間距為10 cm 的螺旋箍筋，其材料選用10 mm 的HPB300 鋼筋。待預(yù)制橋墩插入承插孔后，再灌入高強(qiáng)無(wú)收縮水泥灌漿料［12］。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室條件，首先確定了1∶2 的相似比，并且結(jié)合截面能力等效原則得到試驗(yàn)構(gòu)件的尺寸。橋墩的外徑為70 cm，壁厚為12.5 cm，橋墩縱筋設(shè)置為外側(cè)18 根20 mm HRB400 鋼筋，內(nèi)側(cè)10根10 mm HRB400 鋼筋，橋墩螺旋箍筋的間距和直徑分別改為7.5 cm 和6 mm。承臺(tái)的尺寸為210 cm×238 cm×75 cm，承臺(tái)中心孔的直徑為77 cm，高50 cm。承臺(tái)底部布置了鋼筋混凝土圓柱模擬實(shí)際工程的樁基礎(chǔ)，圓柱伸出承臺(tái)20 cm。另外，根據(jù)加載條件設(shè)計(jì)了長(zhǎng)方體加載頭，其尺寸為70 cm×70 cm×50 cm。

為了研究不同承插式連接構(gòu)造的抗震性能，本文試驗(yàn)設(shè)計(jì)了兩個(gè)試件，分別為波紋構(gòu)造（S2）和光滑構(gòu)造（S6）。S2 的構(gòu)造特點(diǎn)是承臺(tái)中心預(yù)埋波紋管，波紋管規(guī)格為內(nèi)徑76 cm，壁厚1.6 mm，高50 cm，波形68 mm×13 mm，待預(yù)制橋墩插入承臺(tái)后，澆筑高強(qiáng)無(wú)收縮水泥灌漿料，隨后養(yǎng)護(hù)完成試件制作。S6 的構(gòu)造特點(diǎn)是承臺(tái)與預(yù)制橋墩的接觸面不是鋸齒波紋狀，而是光滑的。試件構(gòu)造如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)試件構(gòu)造（單位：cm）Fig.1 Specimens（Unit：cm）

2 試驗(yàn)現(xiàn)象概述

本節(jié)將簡(jiǎn)要概述兩個(gè)試件的加載過(guò)程以及試驗(yàn)現(xiàn)象。為了更好地觀察試驗(yàn)現(xiàn)象，描述試件破壞過(guò)程和破壞形態(tài)，加載前使用墻面漆粉刷并繪制間隔為5 cm 的網(wǎng)格，加載過(guò)程中使用黑色、紅色、藍(lán)色等不同顏色的油性筆描繪裂縫的開(kāi)展情況，同時(shí)還通過(guò)裂縫測(cè)寬儀測(cè)量不同加載等級(jí)下的裂縫寬度。試驗(yàn)加載方式采用混合加載制度，即先采用力加載控制，當(dāng)試件屈服后改為位移加載控制，直至試件破壞。另外，試件加載方向定義為南北方向。

2.1 S2試件

先緩慢施加豎向荷載，每級(jí)250 kN。第一級(jí)加載到250 kN時(shí)，承臺(tái)底出現(xiàn)了2條微裂紋，裂縫寬度分別為0.027 mm、0.041 mm，隨著荷載增大，這些微裂紋緩慢變寬。當(dāng)加載到1 000 kN 時(shí)，最大裂縫寬度達(dá)到0.056 mm。當(dāng)加載到1 935 kN時(shí)，最大裂縫寬度達(dá)到0.082 mm。而后繼續(xù)進(jìn)行水平加載。

當(dāng)水平荷載達(dá)到+325 kN 時(shí)，試件南側(cè)距墩底20 cm 和30 cm 處出現(xiàn)兩條裂縫，裂縫寬度分別為0.055 mm 和0.096 mm。當(dāng)水平荷載達(dá)到+390 kN 時(shí)，南面鋼筋屈服，最大裂縫寬度達(dá)到0.20 mm。當(dāng)水平荷載達(dá)到-390 kN 時(shí)，北面鋼筋屈服，最大裂縫寬度達(dá)到0.23 mm，試件屈服位移為18 mm，隨后采用位移加載控制模式。

在加載過(guò)程中，隨著水平力的不斷增大，新裂紋出現(xiàn)且舊裂紋擴(kuò)張。當(dāng)加載位移達(dá)到36 mm 時(shí)，最大裂縫寬度達(dá)到0.60 mm。當(dāng)位移達(dá)到72 mm 時(shí)，試件周圍的主裂縫寬度大于2 mm，試件破壞嚴(yán)重，墩底保護(hù)層混凝土局部嚴(yán)重剝落，如圖2 所示。隨后繼續(xù)加載至橋墩破壞后停止，試件周圍的裂縫分布情況為，距墩底1.5 m 高度范圍內(nèi)，每隔10～15 cm 存在水平裂縫，同時(shí)存在少量的斜裂縫。

圖2 S2試件保護(hù)層混凝土剝落圖Fig.2 Spalling of the concrete cover of S2

2.2 S6試件

首先進(jìn)行軸壓加載，當(dāng)軸壓力加載到1 000 kN時(shí)，承臺(tái)底部發(fā)現(xiàn)裂縫，最大裂縫寬度為0.062 mm。當(dāng)軸壓力加載到1 935 kN 時(shí)，最大裂縫寬度為0.084 mm。然后繼續(xù)水平加載。

當(dāng)水平荷載達(dá)到+325 kN 時(shí)，試件南側(cè)距墩底15 cm、30 cm、60 cm處出現(xiàn)三條裂縫，裂縫寬度分別為0.132 mm、0.133 mm和0.104 mm。當(dāng)水平荷載達(dá)到-325 kN時(shí)，試件北側(cè)距墩底10 cm、45 cm、60 cm處出現(xiàn)三條裂縫，裂縫寬度分別為0.152 mm、0.148 mm 和0.088 mm。當(dāng)水平荷載達(dá)到+390 kN時(shí)，南面鋼筋屈服，最大裂縫寬度達(dá)到0.19 mm。當(dāng)水平荷載達(dá)到-390 kN 時(shí)，北面鋼筋屈服，最大裂縫寬度達(dá)到0.25 mm，試件屈服位移約為18 mm，隨后采用位移加載控制模式。

在加載過(guò)程中，隨著水平力的不斷增大，新裂紋出現(xiàn)且舊裂紋擴(kuò)張。當(dāng)加載位移達(dá)到36 mm時(shí)，最大裂縫寬度達(dá)到1.14 mm。當(dāng)位移達(dá)到72 mm 時(shí)，試件周圍的主裂縫寬度大于2 mm，試件破壞相當(dāng)嚴(yán)重，墩底保護(hù)層混凝土局部幾乎完全剝落，如圖3 所示，且已經(jīng)無(wú)法繼續(xù)加載。試件周圍的裂縫分布情況為，距墩底1.5 m 高度范圍內(nèi)，每隔10～15 cm 存在水平裂縫，同時(shí)存在少量的斜裂縫。

圖3 S6試件保護(hù)層混凝土剝落圖Fig.3 Spalling of the concrete cover of S2

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 滯回曲線

在擬靜力循環(huán)荷載作用下，預(yù)制橋墩的滯回曲線如圖4 所示。顯然，在加載初期兩個(gè)試件表現(xiàn)為近似線彈性，滯回曲線基本是重疊的。隨著混凝土開(kāi)裂、鋼筋屈服以及保護(hù)層混凝土剝落等現(xiàn)象的產(chǎn)生，滯回曲線逐漸呈現(xiàn)出弓形，這表示橋墩具備良好的抗震性能和塑性變形能力。對(duì)比可知，S2 與S6 的滯回曲線重合程度較高，這表示兩者的滯回性能相近，但是兩者的最大位移有差距，S2接近100 mm，而S6僅為75 mm左右。

圖4 滯回曲線Fig.4 Hysteretic curve

3.2 骨架曲線

骨架曲線由滯回曲線的頂點(diǎn)相連得到，如圖5 所示。骨架曲線能直觀地反映結(jié)構(gòu)的初始剛度、屈后剛度、屈服位移、屈服荷載、極限位移、極限荷載以及位移延性系數(shù)等抗震指標(biāo)。觀察發(fā)現(xiàn)，兩條曲線形狀大體重合，大致呈三線性，有非線性拐點(diǎn)和強(qiáng)度退化段。根據(jù)骨架曲線可得表1，表中屈服荷載點(diǎn)依據(jù)能量法計(jì)算得到，極限荷載點(diǎn)即為骨架曲線荷載最大值點(diǎn)，并將荷載下降到最大荷載的85%定義為極限位移點(diǎn)。對(duì)比S2和S6 的數(shù)據(jù)可以看出，接觸面設(shè)置為鋸齒凹槽之后，初始屈服位移差別不大，但是峰值位移和極限位移均有顯著的增加。試件延性系數(shù)的提高說(shuō)明粗糙接觸面對(duì)改善墩柱抗震性能是有益的。

圖5 骨架曲線Fig.5 Skeleton curve

表1 骨架曲線關(guān)鍵指標(biāo)Table 1 Key indicators of skeleton curve

3.3 耗能能力

結(jié)構(gòu)在彈塑性變形過(guò)程中耗能能力是衡量其抗震性能的又一個(gè)重要指標(biāo)，耗能能力越高意味著結(jié)構(gòu)在地震過(guò)程中所耗散的地震能量越多，對(duì)保證結(jié)構(gòu)的安全越有利。事實(shí)上，耗能能力大小等價(jià)于滯回曲線的面積大小，因此通過(guò)觀察前述的滯回曲線便可以對(duì)比S2 和S6 的耗能能力。顯然，在75 mm 位移加載等級(jí)以前兩條滯回曲線幾乎重合，但加載至 90 mm 時(shí)，S6 已經(jīng)破壞而 S2 仍然能夠繼續(xù)承載，因此S2的耗能能力強(qiáng)于S6。

3.4 殘余位移

殘余位移值等價(jià)于滯回曲線與X軸的交點(diǎn)坐標(biāo)，因此可以根據(jù)滯回曲線獲取殘余位移發(fā)展趨勢(shì)圖（如圖6 所示）。眾所周知，殘余位移越小越有利于震后的結(jié)構(gòu)修復(fù)與運(yùn)營(yíng)，保證救援工作的開(kāi)展，最大程度地減小經(jīng)濟(jì)損失。根據(jù)圖6 可以直觀地發(fā)現(xiàn)，在加載等級(jí)較低的階段，兩者的殘余位移相近，隨著加載等級(jí)增大，S6 的殘余位移明顯大于S2的殘余位移。

圖6 殘余位移與位移荷載的關(guān)系曲線Fig.6 Residual displacement of pier with loading displacement

3.5 墩柱裂縫

統(tǒng)計(jì)橋墩在水平加載階段出現(xiàn)的最大裂縫寬度，得到表2 以及圖7。由圖7 可知，S6 的裂縫寬度大于S2 的裂縫寬度，只是在位移加載等級(jí)為27 mm時(shí)，S6的裂縫寬度相對(duì)較小。

3.6 承臺(tái)裂縫

經(jīng)過(guò)水平加載之后，又進(jìn)行豎向加載并觀察承臺(tái)底板的裂縫發(fā)展情況。承臺(tái)底部裂紋理想情況下應(yīng)該呈中心對(duì)稱分布，但由于施工誤差等原因，實(shí)際情況與理想情況有出入。試件的初始裂縫分布近似中心對(duì)稱，有沖切的跡象。圖8給出了承臺(tái)最大裂縫的發(fā)展趨勢(shì)。顯然，S6的承臺(tái)底部裂縫較大，這很可能是由于S6 豎向荷載主要由承臺(tái)底板承擔(dān)，使得S6的承臺(tái)底板承擔(dān)的荷載比較大。

4 結(jié) 論

圖7 墩柱最大裂縫寬度發(fā)展趨勢(shì)Fig.7 Maximum crack width of pier

表2 橋墩最大裂縫寬度Table 2 Maximum width of crack of pier

圖8 承臺(tái)最大裂縫寬度發(fā)展趨勢(shì)Fig.8 Maximum crack width of platform

本文以江北高速公路東延伸項(xiàng)目的橋梁工程為背景，通過(guò)對(duì)原型橋墩的縮尺進(jìn)行承插式橋墩的擬靜力試驗(yàn)研究。本文試驗(yàn)設(shè)計(jì)了兩個(gè)試件研究承插段細(xì)部構(gòu)造對(duì)橋墩抗震性能以及裂縫發(fā)展的影響。結(jié)合上述試驗(yàn)現(xiàn)象以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）根據(jù)試驗(yàn)過(guò)程的觀察以及后續(xù)數(shù)據(jù)分析可知，水平往復(fù)荷載或豎向荷載較小的情況下不論接觸面是否光滑，兩者的試驗(yàn)現(xiàn)象、抗震性能以及最大裂縫寬度均比較相近，可以認(rèn)為兩者的力學(xué)性能相近，幾乎沒(méi)有區(qū)別。因此，當(dāng)抗震設(shè)防要求較低時(shí)，可以考慮采用光滑接觸面以簡(jiǎn)化施工。

（2）隨著水平往復(fù)荷載不斷增大，由力加載轉(zhuǎn)為位移加載，就抗震性能而言，承插段采用波紋面構(gòu)造逐漸表現(xiàn)出比光滑接觸面更優(yōu)異的性能，前者的位移延性系數(shù)更大、滯回耗能水平更高而且殘余位移更小。因此，當(dāng)強(qiáng)震地區(qū)欲使用承插式構(gòu)造時(shí)推薦使用粗糙接觸面，如波紋面構(gòu)造。對(duì)于裂縫發(fā)展，波紋面構(gòu)造同樣比光滑面更優(yōu)，因此出于對(duì)裂縫控制的考慮，承插段亦應(yīng)采用粗糙接觸面構(gòu)造。

（3）不同的接觸面之所以表示出上述特點(diǎn)的原因可能是，當(dāng)水平往復(fù)荷載或豎向荷載較小的時(shí)候，接觸面的剪力較小，僅需要灌漿料的粘結(jié)作用提供抗力。隨著水平往復(fù)荷載或豎向荷載的變大，接觸面的剪力變大，從而粗糙接觸面開(kāi)始發(fā)揮其優(yōu)越性，表現(xiàn)出抗震性能更優(yōu)以及裂縫寬度小且數(shù)量少的特點(diǎn)。